Искусственная гравитация возможна, но не хватает денег и знаний
Вращающееся кольцо из фильма Стэнли Кубрика «Космическая одиссея 2001 года» давно стало символом космического будущего. Но станет ли искусственная тяжесть реальностью или останется фантастикой? Инженеры отвечают неожиданно: технически препятствий почти нет, а вот сколько тяжести нужно человеку и как её лучше применять, до сих пор неясно.
Фото: Raimond Spekking, CC BY-SA 4.0, Wikimedia Commons. Короткорадиусная человеческая центрифуга Германского аэрокосмического центра (DLR) в Кёльне, на которой проходило исследование AGBRESA. На снимке с пресс-показа лежит человек на платформе, не обязательно участник исследования
Почему невесомость опасна
Долгое пребывание в микрогравитации входит в число самых серьёзных рисков дальних космических полётов. Она сказывается на зрении, костях, мышцах и многих других системах организма. У космонавтов теряется костная и мышечная масса, снижается аэробная выносливость, повышается риск тромбов, а смещение жидкостей в организме вызывает проблемы со зрением. Надежда в том, что искусственная тяжесть способна предотвратить эти эффекты.
Идея не нова: уже в 1966 году экипаж «Джемини-11» попытался создать тяжесть, раскрутив капсулу вокруг ракетной ступени «Аджена», с которой её соединял 36-метровый трос. Получилось около 0,00015 g, то есть ничтожно мало. А в 1977 году на спутнике «Космос-936» крысы, жившие в центрифугах, вернулись на Землю с более плотными костями, чем крысы без вращения, хотя до контрольной группы на Земле им было далеко.
Иногда проект подбирается совсем близко к орбите. Для Международной космической станции планировали модуль с центрифугой шириной 2,5 метра, но в 2005 году работу прекратили из-за бюджетных проблем. «Это из тех вещей: внезапно она становится суперпопулярной, у всех учёных NASA появляется финансирование, чтобы разобраться, как её реализовать, а потом всё умирает», рассказала доцент аэрокосмической инженерии Техасского университета A&M Ана Диас Артилес. По её словам, тема то возрождается, то снова затухает, и она пережила уже несколько таких циклов.
Три способа создать тяжесть
Первый вариант знаком по кино: огромное вращающееся кольцо, в котором пассажиры живут и работают под силой, похожей на земную. Тяжесть в нём возникает от вращения: чем больше радиус, тем медленнее нужно крутиться. По простому расчёту (авторская оценка по формуле центростремительного ускорения), для 1 g при двух оборотах в минуту радиус должен составлять около 224 метров, а при 20 оборотах в минуту хватило бы двух с небольшим метров. Но такое кольцо огромно: его не поднять на одном корабле, нужно несколько ракет и сборка на орбите.
Второй вариант реалистичнее: центрифуга с коротким радиусом, по сути труба радиусом от 1,8 до 3 метров, которая вращается и имитирует тяжесть. Человек сидит или стоит внутри головой к центру вращения, поэтому сильнее всего тянет к ногам. Жить в такой центрифуге не получится, её используют как тренажёр на короткие ежедневные сеансы, подобно беговой дорожке на МКС. «Приходишь на 30 минут позаниматься, а потом выходишь», объясняет Диас Артилес.
Третий путь, линейное ускорение, работает так же, как разгоняющийся автомобиль вжимает пассажиров в сиденья. Корабль должен лететь с постоянным ускорением, а на середине пути развернуться и тормозить двигателем, сохраняя примерно ту же тяжесть. Но для этого нужен двигатель, способный работать непрерывно, а по части двигателей, по словам Диас Артилес, мы пока не готовы.
Как переносить укачивание
У центрифуги с коротким радиусом есть неприятный недостаток: быстрое вращение вызывает так называемую перекрёстную иллюзию Кориолиса, ощущение наклона или кувыркания при повороте головы вне оси вращения. Именно она вызывает укачивание, отметил Торин Кларк, доцент аэрокосмической инженерии Колорадского университета в Боулдере. Но его команда выяснила, что человек привыкает к этому ощущению с тренировкой: достаточно полежать в медленно вращающейся центрифуге и постепенно повышать скорость, когда неприятные ощущения проходят.
Если повышать скорость вращения очень медленно, не за одно занятие, а за несколько сеансов в течение нескольких дней, то, насколько удалось установить, к вращению может приспособиться любой человек, и скорость доходит до 20-30 оборотов в минуту. Для сравнения, обычно считается, что при двух оборотах в минуту и ниже вредных эффектов Кориолиса не возникает. Сам Кларк убеждён, что причин, по которым это не может случиться, нет: «С технической точки зрения это может произойти в самом ближайшем будущем».
Сколько тяжести нужно человеку
Самый трудный вопрос в другом: исследователи пока не знают, с какой скоростью должна вращаться центрифуга и сколько времени нужно проводить внутри, чтобы получить пользу. В исследованиях с постельным режимом с наклоном головой вниз, стандартном способе имитации космического «детренинга», 30 минут в день в центрифуге предотвратили часть потерь мышечной функции. Но, по словам Кларка, 30 минут в день, возможно, мало: может потребоваться час или даже два, и, возможно, с большей перегрузкой.
Крупный эксперимент такого рода прошёл в 2019 году в центре DLR в Кёльне: исследование AGBRESA, которое вели вместе NASA, Европейское космическое агентство и немецкий центр DLR. Оно шло в две кампании, первая стартовала в марте 2019 года. Двадцать четыре добровольца (12 женщин и 12 мужчин, три группы по восемь человек) провели 60 суток в постели с наклоном тела на 6 градусов головой вниз. Одни ежедневно проводили 30 минут на центрифуге непрерывно, другие получали шесть пятиминутных сеансов с перерывами, а контрольная группа обходилась без вращения. Радиус центрифуги составлял 3,8 метра, немного больше, чем у типичной короткой, поэтому в районе центра масс нагрузка была около 1 g, а у ног около 2 g.
Такие эксперименты дорогие и долгие. «Это очень трудно, люди интересуются этой идеей, но хорошего ответа у нас просто нет», говорит Диас Артилес. В итоге мешает не технология, а понимание, как лучше применять вращение, и деньги на это. «Мы знаем, как это делать. Люди делали вещи и посложнее. Нам нужны деньги, но нам нужно и лучше понимать, зачем это нужно».