Искусственная гравитация в Sci-Fi — ищем истину

Вы можете не интересоваться космосом, но наверняка читали о нем в книгах, видели в фильмах и играх. В большинстве произведений, как правило, присутствует гравитация — мы не обращаем на нее внимания и воспринимаем как данность. Вот только это не так.



Если не углубляться в физику дальше школьного курса, то гравитация — фундаментальное взаимодействие тел, благодаря которому все они притягивают друг друга.

Массивные притягивают сильнее, меньшие — слабее.

Матчасть

Земля это как раз такой массивный объект. Поэтому люди, животные, здания, деревья, травинки, смартфон или компьютер — все притягивается к Земле. Мы к этому привыкли и никогда не задумываемся о такой мелочи.

Главное следствие притяжения Земли для нас — ускорение свободного падения, также известное как g. Оно равно 9,8 м/с². Любое тело при отсутствии опоры будет одинаково ускоряться к центру Земли, набирая 9,8 метров скорости каждую секунду.

Благодаря этому эффекту мы ровно стоим на ногах, различаем «верх» и «низ», роняем вещи, и так далее. Убери притяжение Земли — и все привычные действия перевернутся с ног на голову.

Лучше всего это знают космонавты, которые проводят существенную часть своей жизни на МКС. Они заново учатся пить, ходить, справлять базовые нужды.

Вот несколько примеров.

При этом в упомянутых фильмах, сериалах, играх и прочей фантастике гравитация на космических кораблях «просто есть». Создатели даже не объясняют, откуда она там появилась — а если и объясняют, то неубедительно. Какие-то «генераторы гравитации», принцип работы которых неизвестен. Это никак не отличается от «просто есть» — лучше вообще не объяснять в таком случае. Так честнее.

Теоретические модели искусственной гравитации

Создать искусственную гравитацию можно несколькими способами.

Много массы

Первый (и самый «правильный») вариант — увеличить корабль, сделать его очень массивным. Тогда гравитационное взаимодействие будет обеспечивать требуемый эффект.

Но нереальность данного способа очевидна: для такого корабля нужно очень много материи. Да и с равномерностью распределения гравитационного поля нужно что-то делать.

Постоянное ускорение

Так как нам нужно достичь постоянного ускорения свободного падения в 9,8 м/с², то почему бы не сделать космический корабль в виде платформы, которая будет ускоряться перпендикулярно своей плоскости с этим самым g?

Таким образом нужный эффект будет достигнут — но есть несколько проблем.

Во-первых, нужно откуда-то брать топливо для обеспечения постоянного ускорения. И даже если кто-то вдруг придумает двигатель, который не требует выброса материи, закон сохранения энергии никуда не пропадет.

Во-вторых, проблема заключается в самой природе постоянного ускорения. Наши физические законы гласят: ускоряться вечно нельзя. Теория относительности же говорит обратное.

Даже если корабль периодически будет менять направление, для обеспечения искусственной гравитации он должен постоянно куда-то лететь. Никаких зависаний вблизи планет. Если корабль остановится, то гравитация пропадет.

Так что и такой вариант нам не подходит.

Карусель-карусель

А вот тут уже начинается самое интересное. Все знают, как работает карусель — и какие эффекты испытывает человек в ней.

Всё, что находится на ней, стремится выскочить наружу соразмерно скорости вращения. Со стороны карусели же получается, что на все действует сила, направленная вдоль радиуса. Вполне себе «гравитация».

Таким образом, нам нужен корабль в форме бочки, который будет вращаться вокруг продольной оси. Такие варианты довольно часто встречаются в научной фантастике.

При вращении вокруг оси возникает центробежная сила, направленная вдоль радиуса. Поделив силу на массу, мы получим искомое ускорение.

Высчитывается все это по незамысловатой формуле:

a=ω²R,

где a — ускорение, R — радиус вращения, а ω — угловая скорость, измеряемая в радианах в секунду (радиан это примерно 57,3 градуса).

Что нам нужно для нормальной жизни на воображаемом космическом крейсере? Комбинация радиуса корабля и угловой скорости, чье производное выдаст в итоге 9,8 м/с².

Нечто подобное мы видели в ряде произведений: «2001 год: Космическая одиссея» Стэнли Кубрика, сериал «Вавилон 5», «Интерстеллар» Нолана, роман «Мир-Кольцо» Ларри Нивена, вселенная игр Halo.

Во всех них ускорение свободного падения примерно равно g — все логично. Однако и в этих моделях существуют проблемы.

Проблемы «карусели»

Самую явную проблему, пожалуй, проще всего объяснить на примере «Космической одиссеи». Радиус корабля составляет примерно 8 метров — для достижения ускорения, равного g, требуется угловая скорость примерно в 1,1 рад/с. Это примерно 10,5 оборотов в минуту.

При таких параметрах в силу вступает «эффект Кориолиса» — на разной «высоте» от пола на движущиеся тела действует разная сила. И зависит она от угловой скорости.

Так что в нашей виртуальной конструкции мы не можем вращать корабль слишком быстро, поскольку это приведет к внезапным падениям и проблемам с вестибулярным аппаратом. А с учетом формулы ускорения, не можем мы себе позволить и маленький радиус корабля.

Поэтому модель «Космической одиссеи» отпадает. Примерно та же проблема и с кораблями в «Интерстелларе», хотя там с цифрами уже все не так очевидно.

Вторая проблема находится с другой стороны спектра. В романе Ларри Нивена «Мир-Кольцо» корабль представляет собой гигантское кольцо с радиусом, примерно равным радиусу земной орбиты (1 а.е. ≈ 149 млн км). Таким образом он вращается с вполне удовлетворительной скоростью для того, чтобы человек не заметил эффект Кориолиса.

Казалось бы — все сходится, но и тут есть проблема. Один оборот займет 9 дней, что создаст огромные перегрузки при таком диаметре кольца. Для этого нужен очень крепкий материал. На данный момент человечество не может произвести такую прочную конструкцию — не говоря уже о том, что где-то нужно взять столько материи и еще все построить.

В случае с Halo или «Вавилоном 5» все предыдущие проблемы вроде отсутствуют: и скорость вращения достаточная, чтобы эффект Кориолиса не имел негативного воздействия, и построить такой корабль реально (гипотетически).

Но и у этих миров есть свой минус. Имя ему — момент импульса.

Раскручивая корабль вокруг оси, мы превращаем его в гигантский гироскоп. А отклонить гироскоп от своей оси сложно из-за момента импульса, количество которого должно сохраняться в системе. А значит, лететь куда-то в определенном направлении будет тяжело. Но эта проблема решаема.

Как должно быть

Называется это решение «цилиндр О’Нила»: берем два одинаковых корабля-цилиндра, соединенные вдоль оси и вращающиеся каждый в свою сторону. В результате мы имеем нулевой суммарный момент импульса, и проблем с направлением корабля в нужном сторону быть не должно.

При радиусе корабля в 500 метров и более (как в «Вавилоне 5») все должно работать как надо.

Итого

Какие мы можем сделать выводы о реализации искусственной гравитации в космических кораблях?

Изо всех вариантов самым реальным выглядит именно вращающаяся конструкция, в которой сила, направленная «вниз», обеспечивается центростремительным ускорением. Создать же искусственную гравитацию на корабле с плоскими параллельными конструкциями вроде палуб, учитывая наше современные понимание законов физики, невозможно.

Радиус вращающегося корабля должен быть достаточным, чтобы эффект Кориолиса был незначительным для человека. Хорошими примерами из придуманных миров могут служить уже упоминавшиеся Halo и «Вавилон 5».

Для управления такими кораблями нужно построить цилиндр О’Нила — две «бочки», вращающиеся в разном направлении для обеспечения нулевого суммарного момента импульса для системы. Это позволит адекватно управлять кораблем — вполне реальный рецепт обеспечения космонавтов комфортными гравитационными условиями.

И до того момента, как мы сможем построить нечто подобное, хотелось бы, чтобы фантасты уделяли больше внимания физической реалистичности в их произведениях.

1
Автор: Антон Поздняков