Warum sind Astronauten für die künstliche Schwerkraft nicht zugänglich?

Obwohl alle Massen im Universum wie üblich der Schwerkraft gehorchen, sind „Masse“ und „Unterseite“ nicht wie auf der Erde zu spüren, da das Raumschiff und alles an Bord durch die Schwerkraft mit der gleichen Geschwindigkeit beschleunigt werden.

Wenn Sie eine Person im Weltraum platzieren, weg von den Gravitationseinflüssen, die sie auf der Erdoberfläche erfährt, wird sie Schwerelosigkeit erfahren. Obwohl alle Massen des Universums es weiterhin anziehen werden, werden sie weiterhin das Raumschiff anziehen, so dass eine Person im Inneren "schwimmen" wird. In Serien und Filmen wie Star Trek, Star Wars, Battle Cruiser Galaxy und vielen anderen wird uns immer gezeigt, wie Besatzungsmitglieder unabhängig von anderen Bedingungen stabil auf dem Schiffsboden stehen. Dies würde die Möglichkeit der Erzeugung künstlicher Schwerkraft erfordern - aber unter Berücksichtigung der Gesetze der Physik in der Form, in der wir sie heute kennen, ist dies eine zu schwierige Aufgabe.


Kapitän Gabriel Lorca auf der Entdeckungsbrücke während einer Simulation der Schlacht mit den Klingonen. Das gesamte Team wird von der künstlichen Schwerkraft angezogen - heute Science-Fiction-Technologie

Eine wichtige Lehre aus dem Äquivalenzprinzip ist mit der Schwerkraft verbunden: Ein gleichmäßig beschleunigendes Bezugssystem ist vom Gravitationsfeld nicht zu unterscheiden. Wenn Sie sich in einer Rakete befinden und nicht hinausschauen können, haben Sie keine Möglichkeit zu verstehen, was passiert: Drückt Sie die Schwerkraft nach unten oder beschleunigt die Rakete gleichmäßig in eine Richtung? Diese Idee führte zur Formulierung der allgemeinen Relativitätstheorie, und nach mehr als hundert Jahren ist dies die korrekteste Beschreibung der Schwerkraft und Beschleunigung, die uns bekannt ist.


Das identische Verhalten eines Balls, der in einer Beschleunigungsrakete und auf der Erde auf den Boden fällt, zeigt Einsteins Äquivalenzprinzip

Es gibt noch einen Trick, den wir anwenden könnten: das Schiff drehen lassen. Anstelle einer linearen Beschleunigung (Beschleunigungskraft einer Rakete) können Sie eine Zentrifugalbeschleunigung erhalten, bei der eine Person an Bord spürt, wie sie vom Schiffsrumpf angezogen wird. Dies ist berühmt für den Film „2001: Space Odyssey“, und diese Kraft mit einem ausreichend großen Schiff wäre von der Schwerkraft nicht zu unterscheiden.

Aber das ist alles. Drei Arten der Beschleunigung - Gravitation, Linear und Rotation - sind die einzigen uns zur Verfügung stehenden Kräfte, die einen Gravitationseffekt ausüben. Und für diejenigen an Bord eines Raumschiffs ist dies ein großes Problem.


Das Konzept der Raumstation von 1969, die aus den verwendeten Phasen des Apollo-Programms im Orbit gesammelt werden sollte. Die Station sollte sich um eine Mittelachse drehen und künstliche Schwerkraft erzeugen.

Warum? Denn um zu einem anderen Sternensystem zu gelangen, muss man das Schiff auf dem Weg dorthin beschleunigen und bei der Ankunft verlangsamen. Wenn Sie sich gegen diese Beschleunigungen nicht verteidigen können, erwartet Sie ein Fiasko. Um beispielsweise auf die „Impulsgeschwindigkeit“ des „Star Trek“, auf mehrere Prozent der Lichtgeschwindigkeit, zu beschleunigen, müsste man eine Stunde lang einer Beschleunigung von 4000 g standhalten. Dies ist eine 100-mal höhere Beschleunigung, die den Blutfluss in Ihrem Körper verhindert - eine ohnehin sehr unangenehme Situation.


Der Start des Columbia-Shuttles im Jahr 1992 zeigt, dass die Beschleunigung der Rakete nicht sofort erfolgt, sondern ziemlich lange dauert, viele Minuten. Die Beschleunigung des Raumfahrzeugs sollte viel größer sein, als der menschliche Körper aushalten kann

Wenn Sie während einer langen Reise nicht schwerelos sein möchten und schreckliche biologische Auswirkungen wie den Verlust von Knochenmasse und kosmische Blindheit haben möchten, ist es außerdem erforderlich, dass eine konstante Kraft auf Ihren Körper wirkt. Für andere Kräfte als die Schwerkraft wäre dies kein Problem. Zum Beispiel wäre es bei elektromagnetischer Exposition möglich, den Befehl in einer leitenden Hülle zu platzieren, und dies würde alle externen elektromagnetischen Felder eliminieren. Und dann wäre es im Inneren möglich, zwei parallele Platten anzuordnen und ein konstantes elektrisches Feld zu organisieren, das die Ladungen in eine bestimmte Richtung bewegen würde.

Oh, wenn die Schwerkraft genauso funktioniert.


Schematische Darstellung eines Kondensators, dessen zwei parallele leitende Platten die gleiche Größe und unterschiedliche Vorzeichenladungen aufweisen, wodurch ein elektrisches Feld zwischen ihnen erzeugt wird

Es gibt keine "Gravitationsleiter" und die Schwerkraft kann nicht geschützt werden. Es ist unmöglich, ein gleichmäßiges Gravitationsfeld zwischen Platten in einem bestimmten Raumbereich zu erzeugen. Der Grund dafür ist, dass im Gegensatz zu der durch positive und negative Ladungen erzeugten Elektrizität die Gravitationsladung vom gleichen Typ ist, Massenenergie. Die Schwerkraft ist immer attraktiv und es kann nichts dagegen unternommen werden. Mit den drei verfügbaren Beschleunigungsarten - Gravitation, Linear und Rotation - müssen Sie alles Mögliche tun.


Die überwiegende Mehrheit der Quarks und Leptonen des Universums besteht aus Materie, aber für jedes von ihnen gibt es auch Antimaterieteilchen, deren Gravitationsmassen nicht bestimmt werden

Die einzige Möglichkeit, künstliche Schwerkraft zu erzeugen, die Sie vor den Auswirkungen der Beschleunigung des Schiffes schützen und Ihnen ein konstantes Herunterziehen ohne Beschleunigung ermöglichen kann, würde eine neue Art negativer Gravitationsmasse eröffnen. Alle von uns entdeckten Teilchen und Antiteilchen sind positiv, aber es handelt sich um Trägheitsmassen, dh Massen, die mit der Beschleunigung oder Erzeugung von Teilchen zusammenhängen (dh dies sind m aus den Gleichungen F = ma und E = mc ² ). Wir haben gezeigt, dass die Trägheits- und Gravitationsmassen für alle bekannten Partikel zusammenfallen, aber bisher keine ausreichend gründlichen Kontrollen auf Antimaterie und Antiteilchen durchgeführt haben.


Die ALPHA-Zusammenarbeit ist näher als andere Experimente an der Messung des Verhaltens neutraler Antimaterie in einem Gravitationsfeld

Und gerade laufen Experimente! Im ALPHA-Experiment am CERN erhielten sie Antiwasserstoff - eine stabile Form neutraler Antimaterie - und arbeiten nun daran, es bei niedrigen Geschwindigkeiten von allen anderen Partikeln zu isolieren. Wenn sich herausstellt, dass es empfindlich genug ist, können wir messen, in welche Richtung sich Antimaterie im Gravitationsfeld bewegt. Wenn es wie üblich herunterfällt, ist seine Gravitationsmasse größer als Null und es kann nicht zur Erzeugung eines Gravitationsleiters verwendet werden. Aber wenn sie fällt, wird es alles ändern. Das einzige experimentelle Ergebnis wird plötzlich die künstliche Schwerkraft physikalisch ermöglichen.


Die Fähigkeit, künstliche Schwerkraft zu erhalten, ist verführerisch, erfordert jedoch die Existenz einer negativen Gravitationsmasse. Antimaterie kann eine solche Masse werden, aber das ist noch unbekannt.

Wenn Antimaterie eine negative Gravitationsmasse hat und die Decke des Raums aus Antimaterie und der Boden aus Materie besteht, können wir ein künstliches Gravitationsfeld erzeugen, das Sie ständig „nach unten“ zieht. Nachdem wir die Hülle des Schiffes aus dem Gravitationsleiter gebaut haben, werden wir jeden in ihm vor den Kräften ultrahoher Beschleunigung schützen, die sonst tödlich wären. Und das Beste ist, dass Menschen im Weltraum nicht länger unter negativen physiologischen Auswirkungen leiden, von Störungen im Vestibularapparat bis hin zur Atrophie des Herzmuskels, die moderne Astronauten plagen. Bis wir jedoch ein Teilchen (oder eine Reihe von Teilchen) mit einer negativen Gravitationsmasse entdecken, kann künstliche Schwerkraft nur durch Beschleunigung erhalten werden.