Невесомость в космосе - удивительное и загадочное явление. Почему астронавты и космические корабли не падают на Землю? Давайте развенчаем мифы и разберемся в причинах космической невесомости.
1. Что такое невесомость и почему она возникает в космосе
Невесомость - это состояние, при котором отсутствует сила взаимодействия тела с опорой или подвесом. В условиях невесомости предметы и люди как бы "парят" в пространстве, не оказывая давления друг на друга.
Почему же невесомость возникает в космическом пространстве? На самом деле, гравитация там по-прежнему действует. Например, на Международной космической станции сила тяготения составляет около 90% от земной. Однако станция движется по орбите со скоростью 8 км/с, постоянно "падая" вокруг Земли. Это свободное падение и создает эффект невесомости для космических аппаратов и находящихся внутри людей.
Таким образом, любое тело, размеры которого меньше земного радиуса, совершающее свободное поступательное движение в поле тяготения Земли, будет, при отсутствии других внешних сил, находиться в состоянии невесомости.
Из-за сферической формы нашей планеты орбитальное движение космических аппаратов может продолжаться бесконечно, в то время как сами они будут оставаться в этом состоянии "вечного падения".
2. Как создают невесомость на Земле
Хотя полноценную длительную невесомость можно испытать только в космическом пространстве, ее кратковременные эффекты воссоздают и на Земле.
Один из распространенных способов - это полеты самолетов по специальной траектории. Например, пилоты российского Ил-76МДК отрабатывают так называемую "параболу Кеплера", резко набирая высоту и затем снижаясь вниз по плавной дуге. В этот период двигатели отключаются, и в течение примерно 25 секунд возникает состояние невесомости. За полтора часа полета выполняется от 10 до 15 таких парабол.
Такая технология используется как для подготовки космонавтов, так и для коммерческих "космических" полетов. Например, в США компания Zero Gravity предлагает туристам полеты с невесомостью на специально оборудованных Boeing и Airbus.
Еще один распространенный способ испытать кратковременную невесомость - это аттракционы с падением, например, самые высокие американские горки. В начальный момент свободного падения сопротивление воздуха невелико и возникает эффект отсутствия веса.
3. Влияние невесомости на человека
Невесомость оказывает ощутимое физиологическое воздействие на организм человека.
Сразу после выхода на орбиту у многих космонавтов наблюдается "синдром космической адаптации" - головокружение, тошнота и дезориентация. При длительном пребывании в невесомости нарушается вестибулярный аппарат, который помогает ориентироваться в пространстве.
Также страдает мышечная система - без необходимости удерживать собственный вес многие мышцы выключаются из работы, атрофируются и теряют объем. Этот процесс начинается уже после 5-7 дней полета. Кроме того, уменьшается минеральная плотность костей, что повышает риск переломов при возвращении на Землю.
| Изменение роста в космосе | +2-5 см |
| Потеря мышечной массы за 6 месяцев | до 20% |
| Уменьшение плотности костей за 1 месяц | около 1% |
После возвращения с орбиты восстановление занимает примерно столько же времени, сколько длился полет. Но полностью компенсировать все изменения часто не удается.
Тем не менее, есть и положительный эффект - в условиях невесомости кожа человека остается необычайно гладкой и упругой. По словам космонавтов, она "обновляется" буквально на глазах.
Почему на МКС невесомость? Потому что станция, как и любой другой космический аппарат на околоземной орбите, находится в состоянии вечного свободного падения из-за сферичности Земли. Это падение и создает эффект отсутствия веса для экипажа и оборудования.
4. Бытовые трудности в условиях невесомости
Помимо физиологического воздействия, невесомость создает немало бытовых сложностей для астронавтов.
Во-первых, это проблемы с ориентацией в пространстве. На Земле мы интуитивно различаем что такое "верх" и "низ" благодаря действию силы тяжести. В космосе это чувство полностью теряется. Поэтому на станциях типа МКС приходится наносить разметку в едином направлении.
Еще одна трудность - принятие пищи и питье. Жидкости ведут себя хаотично, растекаясь в воздухе шариками. Поэтому напитки подаются в специальных пакетах и трубочках. А твердая пища может "улететь", поэтому все блюда крепятся к столу магнитами или резинками.
Даже сон и личная гигиена требуют приспособлений. Вместо кроватей используют спальные мешки, закрепленные на стене. А мытье без душа невозможно - вода из крана разлетается каплями по всей кабине.
5. Влияние на технику и технологии
Условия невесомости накладывают серьезные ограничения на конструкцию космических кораблей и станций.
В частности, жидкости и газы ведут себя непривычно - топливо в баках собирается в шар, а не оседает на дно. Поэтому требуются специальные перегородки и мембраны. Перед запуском двигателей необходима предварительная "усадка" компонентов.
Многие другие системы, рассчитанные на земную гравитацию, нуждаются в адаптации. Например, вентиляция и фильтрация воздуха, терморегуляция, утилизация отходов.
С другой стороны, невесомость открывает новые возможности для производства материалов и веществ, недоступные на Земле. Уже ведутся эксперименты по выращиванию кристаллов, сплавов, полупроводников, биологических тканей.
6. Эксперименты с живыми организмами
Невесомость может по-разному влиять на живые организмы. Ученые активно изучают это воздействие в космосе.
Например, в 2019 году на МКС отправили группу мышей. Грызуны успешно адаптировались к новым условиям и даже стали активно "плавать" по клетке, перебирая лапками, как будто играя.
Ранее удалось вырастить и первый космический урожай зелени на орбите - это был салат ромэн. С помощью светодиодов растениям задавалось нужное направление роста стеблей.
Такие эксперименты нужны для отработки технологий выращивания растений и разведения животных. В будущем это позволит пополнять запасы пищи и кислорода в длительных межпланетных экспедициях.
7. Другие научные эксперименты в условиях невесомости
Почему в космосе невесомость? Потому что любой объект, вращающийся по орбите Земли, находится в свободном падении. А невесомость открывает уникальные возможности для научных исследований самого разного типа.
Например, изучение физических и химических процессов без влияния гравитации. Или отработка технологий для межпланетных полетов - систем жизнеобеспечения, защиты от излучения, посадки на другие планеты.
Также активно ведутся эксперименты в области биологии, медицины, фармакологии. Ученые исследуют поведение клеток и тканей человека, работу иммунитета, развитие различных болезней.
Ограничением является малый объем лабораторий на орбитальных станциях. Но постепенно появляются и коммерческие возможности - отсылка небольших образцов на борт МКС для автоматизированных испытаний в условиях микрогравитации.
8. Сравнение с эффектами от длительных космических полетов
Помимо невесомости, на организм космонавтов действует целый комплекс других факторов.
В частности, повышенный уровень радиации из-за ослабления защитного действия магнитного поля Земли. А также перепады радиационного фона при прохождении через радиационные пояса и во время солнечных вспышек.
Еще один стрессовый фактор - ограниченность жизненного пространства внутри космических станций и кораблей. Длительное пребывание в замкнутой среде неблагоприятно сказывается на психологическом состоянии.
Поэтому многие проблемы со здоровьем у космонавтов после годовых полетов вызваны совокупным действием целого ряда факторов космического полета.
9. Методы имитации невесомости на Земле
Несмотря на растущие возможности экспериментов в космосе, острая потребность сохраняется в наземных способах имитации невесомости.
Один из распространенных подходов - использование больших башен или шахт, где лаборатории падают свободным падением в течение 3-4 секунд. Но время слишком мало для полноценных исследований.
Перспективным выглядит метод гидроневесомости, когда погруженные в воду объекты испытывают эффект отсутствия веса. Однако полностью имитировать космос так не удается.
Поэтому орбитальные лаборатории вроде МКС пока остаются вне конкуренции для экспериментальной работы в длительной невесомости.
10. Как дешево попасть в космос для экспериментов
Отправка одного килограмма полезной нагрузки на низкую околоземную орбиту обходится от $20 до $50 тысяч. Это делает массовые эксперименты в космосе практически недоступными.
Однако появляются и более дешевые сервисы. Например, компания Yuriy Gravity предлагает аренду миниатюрных лабораторий объемом 10 кубических сантиметров всего за $100 тысяч.
Эти контейнеры с образцами для испытаний доставляются на МКС. Там космонавты устанавливают их в отсек, все эксперименты проходят автоматически. Затем контейнеры возвращаются на Землю.
11. Невесомость продолжает удивлять
Несмотря на многолетнее изучение влияния невесомости, она до сих пор преподносит сюрпризы.
Например, космонавты отмечают аномально быстрое "омоложение" кожи в космических условиях - уже после месяца полета морщины разглаживаются, кожа становится упругой. Хотя причины этого до конца не ясны.
Также не до конца изучено Changed поведение живых организмов, особенно млекопитающих, в длительной невесомости. Возможно, здесь нас ждут интересные открытия.
Поэтому невесомость сохраняет огромный потенциал для будущих исследований в самых разных областях - от фундаментальной физики до астробиологии и медицины.
