¿Cómo miden las naves espaciales la gravedad a bordo?

Es fundamentalmente imposible medir la gravedad de un objeto que está en caída libre. Este es el primer principio de la relatividad general .

Lo que te darán los acelerómetros es

• aceleraciones (lineales o rotacionales) inducidas por propulsores, arrastre atmosférico, ruedas de reacción, etc.
• vibraciones de paneles solares giratorios, fuerzas inducidas por la tripulación, etc.

Lo único que se puede medir de un cuerpo en caída libre son las faltas de homogeneidad en el campo de gravedad, o en otras palabras, el gradiente de gravedad . Puede organizar una colección de acelerómetros de modo que se convierta en un gradiómetro de gravedad . Un gradiómetro no mide la gravedad en sí, sino el cambio en el campo gravitacional a medida que el gradiómetro se mueve a lo largo de él.

La mejor manera de medir la gravedad desde una nave espacial no es usando un instrumento en una nave espacial, sino usando un par de instrumentos en dos naves espaciales. El mejor ejemplo de esto es la nave espacial Grial . Lo que hicieron en esencia fue orbitar alrededor de la Luna de modo que tuvieran una distancia más o menos constante entre los dos. A medida que pasaba un área de mayor gravedad, la nave espacial descendería un poco. Las dos naves espaciales pudieron detectar con mucha precisión el rango entre las dos naves espaciales y si la nave espacial se dirigía en una dirección particular. Usando algunas matemáticas complejas, pudieron descifrar el mapa de gravedad de la Luna.

Alternativamente, esto se puede hacer usando un sistema de tipo radar basado en la Tierra, donde la frecuencia de la nave espacial se monitorea muy cuidadosamente para el desplazamiento Doppler , buscando pequeños cambios en la órbita causados ​​por diferentes campos gravitatorios. Esto es complejo, pero se ha hecho. El principal ejemplo de esto fue Magellan , pero creo que lo han hecho otras naves espaciales, y este efecto Doppler también se usará para determinar el campo de gravedad de Júpiter por la órbita perturbada por la gravedad de la nave espacial Juno cuando comience a orbitarla en 2016.

Por lo que puedo decir, en realidad no tenemos sensores de tamaño razonable capaces de determinar con precisión la microgravedad, y nuestros valores gravitacionales oficiales se calculan a partir de otra información. Con suficiente información sobre las masas y las distancias a los objetos cercanos, y la aceleración de una nave espacial dada, podemos calcular con bastante precisión la fuerza gravitatoria en la nave espacial sin necesidad de sensores.

Por ejemplo, la Estación Espacial Internacional tiene dos sistemas de acelerómetros (SAMS-II y MAMS) que se usan para detectar pequeñas vibraciones en el armazón de la ISS, pero ninguno de ellos es lo suficientemente sensible para medir la fuerza gravitatoria neta efectiva en la ISS.

Puede determinar la microgravedad observando dos o más objetos que flotan libremente y midiendo su movimiento hacia o desde el otro. Este es el método de la bola de boliche. ¿Cómo puedes saber si estás en el espacio libre o si te estás cayendo por el hueco de un ascensor? Mire un par de bolas de bolos "flotantes". Si se están moviendo uno hacia el otro más rápido de lo que debería producir su propia gravedad, entonces estás cayendo en un pozo de gravedad. Siempre hay una seudo microgravedad en las órbitas porque las partes de la nave más cercanas al planeta intentan seguir una órbita más rápida que las partes que están más alejadas. A menudo se le llama efecto de marea.

El difunto Dr. Robert Forward de Hughes Research diseñó "aplanadores de espacio-tiempo" para experimentos con transbordadores. Estos son arreglos de discos de tungsteno y esferas y toros que contrarrestan los efectos de las mareas y dieron muy buenas aproximaciones de estar en el espacio libre lejos de cualquier masa significativa, aunque en áreas pequeñas en el medio del aparato. Una vez lamentó no poder patentarlos porque los había usado extensamente (a una escala mucho mayor) en su ciencia ficción.