¿Por qué los astronautas son inaccesibles a la gravedad artificial?

En el espacio, aunque todas las masas en el Universo obedecen a la fuerza de la gravedad, como de costumbre, la "parte superior" y la "parte inferior" no se sienten, como en la Tierra, ya que la nave espacial y todo lo que está a bordo se acelera por la gravedad a la misma velocidad.

Si coloca a una persona en el espacio, lejos de las influencias gravitacionales experimentadas por él en la superficie de la Tierra, experimentará ingravidez. Aunque todas las masas del Universo continuarán atrayéndolo, continuarán atrayendo la nave espacial, por lo que una persona "nadará" dentro. En series y películas como Star Trek, Star Wars, Battle Cruiser Galaxy y muchas otras, siempre se nos muestra cómo los miembros de la tripulación se mantienen estables en el piso del barco, independientemente de otras condiciones. Esto requeriría la posibilidad de crear gravedad artificial, pero teniendo en cuenta las leyes de la física en la forma en que las conocemos hoy, esta es una tarea demasiado difícil.


Capitán Gabriel Lorca en el Discovery Bridge durante una simulación de la batalla con los klingon. Todo el equipo es atraído "hacia abajo" por la gravedad artificial - hoy tecnología de ciencia ficción

Una lección importante del principio de equivalencia está relacionada con la gravedad: un sistema de referencia de aceleración uniforme es indistinguible del campo gravitacional. Si está en un cohete y no puede mirar hacia afuera, no tendrá una manera de entender lo que está sucediendo: ¿la gravedad lo empuja hacia abajo o la aceleración uniforme del cohete en una dirección? Esta idea condujo a la formulación de la teoría general de la relatividad y, después de más de cien años, esta es la descripción más correcta de la gravedad y la aceleración que conocemos.


El comportamiento idéntico de una bola que cae al suelo en un cohete acelerador y en la Tierra demuestra el principio de equivalencia de Einstein

Hay un truco más que podríamos usar: hacer girar la nave. En lugar de la aceleración lineal (potencia de aceleración de un cohete), puede obtener una centrífuga en la que una persona a bordo sentirá cómo se siente atraída por el casco del barco. Esto es famoso por la película "2001: Odisea en el espacio", y esta fuerza con un barco lo suficientemente grande sería indistinguible de la gravedad.

Pero eso es todo. Tres tipos de aceleración (gravitacional, lineal y rotacional) son las únicas fuerzas a nuestra disposición que ejercen un efecto gravitacional. Y para aquellos a bordo de una nave espacial, este es un gran, gran problema.


El concepto de la estación espacial de 1969, que se suponía que debía recogerse en órbita de las etapas utilizadas del programa Apollo. Se suponía que la estación giraba alrededor de un eje central y generaba gravedad artificial.

Por qué Porque para viajar a otro sistema estelar tienes que acelerar el barco en el camino y reducir la velocidad al llegar. Si no puedes defenderte de estas aceleraciones, te espera un fiasco. Por ejemplo, para acelerar a la "velocidad de impulso" del "Star Trek", a varios por ciento de la velocidad de la luz, uno tendría que soportar una aceleración de 4000 g durante una hora. Esto es 100 veces más aceleración, lo que impedirá el flujo de sangre en su cuerpo, una situación muy desagradable, de todos modos.


El lanzamiento del transbordador Columbia en 1992 muestra que la aceleración del cohete no ocurre instantáneamente, sino que dura bastante tiempo, muchos minutos. La aceleración de la nave espacial debería haber sido mucho mayor de lo que el cuerpo humano puede soportar

Además, si no quieres estar sin peso durante un largo viaje y sufrir terribles efectos biológicos como la pérdida de masa ósea y la ceguera cósmica, es necesario que la fuerza constante actúe sobre tu cuerpo. Para fuerzas distintas a la gravedad, esto no sería un problema. Por ejemplo, para la exposición electromagnética, sería posible colocar el comando en una carcasa conductora y esto eliminaría todos los campos electromagnéticos externos. Y luego en el interior sería posible organizar dos placas paralelas y organizar un campo eléctrico constante que haría que las cargas se movieran en cierta dirección.

Oh, si la gravedad funcionara de la misma manera.


Diagrama esquemático de un condensador, cuyas dos placas conductoras paralelas tienen la misma magnitud y diferentes cargas de señal, lo que crea un campo eléctrico entre ellas.

No hay "conductores gravitacionales", y la gravedad no puede protegerse. Es imposible crear un campo gravitacional uniforme entre las placas en un área determinada del espacio. La razón es que, en contraste con la electricidad creada por las cargas positivas y negativas, la "carga" gravitacional es del mismo tipo, la energía de masa. La fuerza de la gravedad siempre es atractiva, y no se puede hacer nada al respecto. Tendrá que hacer todo lo posible con los tres tipos de aceleración disponibles: gravitacional, lineal y rotacional.


La gran mayoría de los quarks y leptones del Universo están compuestos de materia, pero para cada uno de ellos también hay partículas de antimateria, cuyas masas gravitacionales no están determinadas.

La única forma de crear gravedad artificial, que puede protegerlo de los efectos de la aceleración de la nave y proporcionarle un "descenso" constante sin aceleración, abriría un nuevo tipo de masa gravitacional negativa. Todas las partículas y antipartículas que descubrimos son positivas, pero son masas inerciales, es decir, masas relacionadas con la aceleración o creación de partículas (es decir, son m de las ecuaciones F = ma y E = mc ² ). Mostramos que las masas inerciales y gravitacionales de todas las partículas conocidas coinciden, pero hasta ahora no se han llevado a cabo controles suficientemente exhaustivos de antimateria y antipartículas.


La colaboración con ALPHA está más cerca que otros experimentos para medir el comportamiento de la antimateria neutral en un campo gravitacional

¡Y los experimentos están en marcha ahora mismo! En el experimento ALPHA en el CERN, recibieron antihidrógeno, una forma estable de antimateria neutral, y ahora están trabajando para aislarlo de todas las otras partículas a bajas velocidades. Si resulta ser lo suficientemente sensible, podemos medir en qué dirección se moverá la antimateria en el campo gravitacional. Si se caerá, como de costumbre, entonces su masa gravitacional es mayor que cero, y no puede usarse para crear un conductor gravitacional. Pero si ella se cae, cambiará todo. El único resultado experimental de repente hará que la gravedad artificial sea físicamente posible.


La capacidad de obtener gravedad artificial es seductora, pero requiere la existencia de una masa gravitacional negativa. La antimateria puede convertirse en una masa, pero esto aún se desconoce.

Si la antimateria tiene una masa gravitacional negativa, entonces haciendo que el techo de la habitación sea de antimateria y el piso fuera de la materia, podemos crear un campo gravitacional artificial que constantemente lo empuje "hacia abajo". Habiendo construido la carcasa de la nave del conductor gravitacional, protegeremos a todos los que están dentro de ella de las fuerzas de aceleración ultra alta, que de lo contrario serían fatales. Y, lo mejor de todo, las personas en el espacio ya no sufrirán efectos fisiológicos negativos, desde trastornos en el aparato vestibular hasta atrofia del músculo cardíaco, lo que molesta a los astronautas modernos. Pero hasta que descubramos una partícula (o un conjunto de partículas) con una masa gravitacional negativa, la gravedad artificial solo se puede obtener a través de la aceleración.