Generátory gravitace

Skoro v každém sci-fi, které se odehrává v době vzdálenější než cca 50 let od "současnosti" (datu, kdy byla kniha či scénář napsán) fungují jakési generátory gravitačního pole, které umožňují lidem přirozený pohyb po palubách vesmírných lodí. Zvlášť markantní je to ve filmech, z prostého důvodu, mnohem snadněji se natáčí. Většinou to není nijak zvlášť vysvětleno, bere se to už trochu jako samozřejmost, a nikdo se nediví. Nějaké to gravitační působení by rozhodně bylo při dlouhých vesmírných pobytech velice příznivé. Narodili jsme se na planetě, kde gravitační síla působí objektům zrychlení okolo 10 m.s^-2, a organizmus je tomu přizpůsoben. Zbytečné vznášení v prostoru ho naprosto deptá. Valerij Vladimirovič Poljakov sice pobýval ve stavu beztíže nepřetržitě 14 měsíců, ale podobné extrémní výkony mají na člověka silně negativní efekt.

Vlastní pohyb a manipulace s předměty v beztíži vyžadují minimum vykonané práce. Svalový aparát proto rychle atrofuje. Pouhá imobilizace končetiny v sádrovém obvazu vede během pár týdnů k viditelnému úbytku její svalové hmoty a co teprve podobný efekt najednou na celé tělo. Dochází také k demineralizaci kostí, neboť jejich neustálá přestavba se děje v koincidenci s velikostí působících tlakových sil. Není zátěž, převládá odbourávání kosti nad novotvorbou, vzniká osteoporóza, uvolněný vápník predisponuje k tvorbě močových kamenů. Ztrácí se voda a elektrolyty, klesá srdeční výdej. Stačí totiž menší práce na zajištění cirkulace a receptory registrující objem vody v těle vyhodnotí přebytek poté, co se tekutiny abnormálně redistribuují z dolních části těla výše. To vše vede ke snížení celkové výkonnosti, což je během pobytu v beztížném stavu skryto, ale po návratu na zem bývá astronaut vyřízený. Beztíže dále nejasným mechanismem negativně ovlivňuje hematokrit (počet červených krvinek) a imunitní odpověď. Benigním leč nepříjemným efektem je porušená funkce orgánu rovnováhy vedoucí k nevolnostem (obdoba mořské nemoci). A tak dále, dlouhodobý pobyt v beztíži zkrátka není žádná legrace, intenzivní cvičení tyto procesy oddálí, ale neeliminuje. Nahradit gravitační sílu lze několika variantami, ale všechny jsou materiálně respektive energeticky značně náročnější než současný vývoj co nejkompaktnějších modulů.

První možnost náhrady gravitace spočívá v rovnoměrném zrychleném přímočarém pohybu do půlky cesty, potom stejně pravidelném zpomalování. Perfektní řešení, síla vytvořena zrychlením by věrně simulovala gravitaci, bez vedlejších účinků, a také jde o nejrychlejší možné cestování. I kdyby někdy lidé zkonstruovali rakety schopné dosáhnout rychlosti třeba 90% rychlosti světla, stejně by musela být dosažena postupným zrychlováním, které dlouhodobě nemůže přesahovat ekvivalent zemského g. V případě letu na Mars, a nutnosti urazit vzdálenost dejme tomu 200 miliónů km, by při rovnoměrném zrychlení o fyziologické hodnotě 10 m.s^-2 trvala cesta pouhých 16 dní. Jedna podstatná nevýhoda. Tahle varianta je tak energeticky náročná, že ji můžeme pro nejbližší stovky let rovnou vyloučit.

Další možnost znamená lodí nebo její částí točit, gravitaci pak nahradí odstředivá síla. Tedy napodobí, protože tenhle typ umělé gravitace se chová trochu jinak, vznikají při něm také Coriolisovy síly závislé na úhlovém zrychlení. Předmět upuštěný na zem tak nebude vzhledem k pozorovateli padat rovně dolů, ale po křivce. To by významně nevadilo, horší je opět efekt na části vnitřního ucha za vzniku poruchy rovnováhy a nevolnosti. U stojícího člověka bude také na hlavu působit menší síla než na nohy. Úplně eliminovat se tento přídatný efekt nedá, ale za příznivých okolností alespoň minimalizovat. Uvažuje se o dvou typech rotujících konstrukcí. Buď by šlo o dutý tubus/prstenec otáčející se ve své ose nebo o vesmírnou loď jakéhokoli tvaru spojenou dlouhou tyčí s protizávažím nebo druhou částí lodě, rotující v ose kolmé na střed spojnice. Ze vzorce x = r (πα/30)² / 9.81 (kde x=násobek zemské gravitace r=poloměr otáčení a α=počet cyklů za minutu) je patrné, že silnější umělé gravitace dosáhneme buď rychlejším otáčením nebo větší vzdáleností od osy otáčení. V praxi dává vysoká úhlová rychlost vznik velkým Coriolisovým silám, zbývá tedy zvětšovat poloměr. Když dosadíme za x číslo 0,5 (polovina zemské gravitace) a za α číslo 2 (otáček za minutu), abychom přijatelně omezili negativa a zároveň vytvořili ucházející náhradu gravitace, vyjde poloměr zařízení 112 metrů. Připravit tento typ umělé gravitace tedy nebude snadný úkol, ale alespoň proveditelný.

Jiné, alespoň vzdáleně uskutečnitelné možnosti neexistují. Materiál o extrémní hustotě pod podlahou vesmírné lodi by sice generoval vlastní gravitační pole, ale jde o iracionální návrh. Magnetická podlaha a speciální obleky astronautů by sice dohromady vytvořily cosi podobného gravitaci, ale jen velmi vzdáleně. Pokusy se supravodivými magnety sice prokázaly vznik gravitačních sil, ale poměr dodané energie k velikosti tohoto efektu je extrémně nepříznivý.

Navíc, kromě mise na Mars a nějaké ISS-2 na oběžné dráze...bude vůbec někdy uměle napodobená gravitace potřeba? Jsem přesvědčen, že lidé nikdy nikam dál než k Marsu v rámci sluneční soustavy nepoletí. K Jupiteru a dál? Proč. Ke Slunci jako v Sunshine? Nesmysl. K asteroidu? Bez komentáře. Ohromné stanice na oběžné dráze Země pro tisíce lidí? Postrádá logiku. I cesta na Mars balancuje na samé hraně toho "co se vyplatí". Uvozovek jsem použil proto, že se popravdě šíleně nevyplatí, víme o Marsu, že tam nic zajímavého není. Jenže prestiž je prestiž, a jestli NASA nepohne zadkem, pokusí se třeba Čína. Zároveň to bude test, čeho jsou lidé schopni a v úplně poslední řadě taková mise poslouží trochu vědě. Cesta na Mars bude trvat za současných technologických možností pohonu minimálně 200 dní, a ačkoli si nejsem jist jestli umělou gravitaci využije, není sporu, že by to bylo velice výhodné.

A co kdybychom chtěli vyslat kosmickou loď k nejbližší extrasolární planetární soustavě? S několika desítkami lidí na palubě a cílem dostat je tam za rozumnou dobu - do 40ti let coby poloviny délky lidského života? To by vyžadovalo zajistit trilióny joulů energie plus vyřešit všechny další obtíže plynoucí z takové doby cestování. A těch je tolik, že taková mise vypadá naprosto nereálně i ve vzdálené budoucnosti. Navíc uspořádat takovou akci s lidmi na palubě by muselo mít dobrý důvod. Prakticky jen jeden by ji ospravedlnil, a sice prokázaná přítomnost planety vhodné k životu, pokud vůbec taková existuje. Jediná možnost "skutečně rozumného" cestování vesmírem na takové ohromné vzdálenosti by přicházela v úvahu, kdyby šlo vytvořit nějaké "červí díry" nebo jinak obelstít časoprostor. Pak by ale krátce po startu loď "přeskočila" rovnou k cíli a umělá gravitace vůbec nebyla třeba.

Závěr: vytváření umělé gravitace je v našem světě i s výhledy do budoucna téměr zbytečností. Technicky realistické možnosti spočívají v rotaci a někdy za x let možná i v rovnoměrném zrychlení, statické generátory zůstanou navždy v oblasti science fiction.

Zdroje:

http://www.spacefuture.com/archive/artificial_gravity_and_the_architecture_of_orbital_habitats.shtml

http://www.technovelgy.com/ct/Science-Fiction-News.asp?NewsNum=579

http://en.wikipedia.org/wiki/Artificial_gravity