Cómo sobrevivir a la fuerza G de los viajes espaciales

En un artículo parcial de Clare Wilson (parcial porque no soy titular de una suscripción) aprendemos:

(a) Pilotos de combate que entrenan en centrífugas para aprender a controlar los músculos y la presión arterial para aumentar su tolerancia G.

(b) La fuerza G máxima soportada en 2010 fue de 31,25 G, lo que requería que la víctima estuviera en un tanque de agua presurizada porque los músculos humanos no pueden proporcionar suficiente fuerza de manera uniforme en el cuerpo para controlar suficientemente el flujo sanguíneo.

Sus modificaciones deben hacer estas mismas cosas: "externamente" presurizar el cuerpo e "internamente" aumentar la presión arterial. Además, dado que el punto de la sangre es la distribución de oxígeno y nutrientes, podría mejorar la densidad del oxígeno y la nutrición en la sangre para que se requiera menos sangre para alimentar el cerebro (especialmente oxígeno).

Por lo tanto, sus modificaciones podrían incluir:

(a) Una red de musculatura subcutánea diseñada para aumentar la presión sobre el cuerpo. La modificación debe obligar a cerrar la mandíbula (aparentemente alrededor de una boquilla de oxígeno) y cerrar los senos paranasales, los oídos y los ojos para protegerlos. El propósito de la musculatura es forzar la sangre a la parte superior del cuerpo. La musculatura alrededor del cráneo es para aumentar la capacidad del cráneo para soportar el aumento de la presión hacia adentro.

(b) Aumento de la presión arterial. La presión arterial aumenta por muchas razones. Entre ellos están: disminución de la permitividad de los vasos sanguíneos (la sangre no puede salir del sistema de distribución), aumento de la rigidez de los vasos sanguíneos (los vasos no pueden contraerse o expandirse para modular la presión arterial) o, peor aún, se encogen (contracción), la el corazón bombea más fuerte (más sangre por bombeo) o más rápido (más bombeos por segundo).

(c) El aumento de la pureza del oxígeno para el astronauta es una necesidad, pero el aumento de la absorción de oxígeno por los pulmones sería de gran ayuda. Aumentar la capacidad de transporte de oxígeno de los glóbulos rojos sería de igual ayuda.

Finalmente, está la cuestión de la fuerza G que afecta directamente al tejido cerebral. La naturaleza del tejido cerebral no se presta bien al refuerzo intrínseco, pero podemos tomar prestado de nuestro intrépido sujeto de prueba usando un tanque de agua presurizado. Aumenta la capacidad del cráneo, pero no el volumen del cerebro, dejando espacio para un fluido protector, uno que el cuerpo puede presurizar cuando se le ordena mantener el cerebro unido.

Estas naves Torch tienen la velocidad y la aceleración para hacer un viaje de ida y vuelta de Marte a la Tierra en una semana.

La distancia media entre la Tierra y Marte es de 1,5 UA, o 224.396.806.000 metros. Media semana son 3,5 días o 302.400 segundos. Cada tramo del viaje se gasta la mitad acelerando y la mitad desacelerando, por lo que podemos calcular qué tan rápido necesitamos acelerar para hacer la mitad del viaje en la mitad del tiempo. Por lo tanto, nuestra ecuación para calcular la aceleración requerida es:

112,198,403,000m = 0.5(a)(151,200s)^2

112,198,403,000m = a * 11,430,720,000s^2

9,8 m/s^2 = un

Entonces, para los parámetros de vuelo que describió, no necesita preocuparse por las fuerzas G en absoluto: su aceleración requerida es solo 1G, por lo que su tripulación sentirá que está bajo la gravedad normal de la Tierra. 3G de aceleración sostenida, factible con sofás de aceleración, reducirá el tiempo de viaje de 3,5 días a poco menos de un día y medio.

Sé que esto no responde directamente a su pregunta, pero no parece que necesite una aceleración loca de 100 + G para empezar. El factor limitante de nuestra capacidad para explorar el sistema solar no es la aceleración, es delta-V. Con un delta-V muy alto o ilimitado (es decir, velocidades de escape muy altas de su tecnología de transmisión, una onda manual tecnológica bastante sencilla), lo que le permite acelerar indefinidamente, unos pocos G de aceleración son más que suficientes para llegar a donde necesita ir en el velocidad de trama.

Editar: la pregunta se modificó después de escribir esto, para ahora decir Tierra -> Marte -> Ceres 'viaje de ida y vuelta' (así que presumiblemente de regreso a la Tierra después) en una semana en lugar de solo Tierra a Marte y viceversa. Esto no cambia mucho la respuesta, solo hace que las matemáticas sean más complicadas: una aceleración de 3G completará el viaje en cinco días y medio.

La aceleración constante te lleva rápido a los lugares , y cada cuadruplicación de la distancia solo duplica el tiempo de viaje. Con 3G de aceleración y delta-V ilimitado, la Tierra a Plutón toma menos de una semana .

Esta respuesta ha ignorado deliberadamente el parámetro especificado en la pregunta de que estos barcos tienen una 'velocidad máxima' de 0.001c, porque a 100G el barco alcanzaría su 'velocidad máxima' en cinco minutos, e incluso a un 1G comparativamente tranquilo solo toma ocho horas y media. Si deliberadamente apagamos los motores al llegar a la mitad de la velocidad máxima en cada tramo del viaje, la nave 100G tardará más de ocho días y medio en ir de la Tierra a Marte, y luego otros ocho y medio en regresar, por lo que no cumple con el requisito de una semana. El barco 1G realizará el mismo viaje en aproximadamente nueve días en cualquier dirección, incluso con una diferencia menor que si se ignorara el límite delta-V.

La diferencia entre la aceleración G de un solo dígito y 100+G solo se vuelve relevante con distancias interestelares y delta-V de alta fracción de c. Para cualquier cosa dentro del Sistema Solar, simplemente no hay necesidad de una aceleración tan alta.

no puedes

Anon ya respondió esto, hasta cierto punto, pero es peor de lo que dijeron, en gran parte debido a las tensiones involucradas en su descripción. El problema no es solo la acumulación de sangre: los tejidos reales sufrirían daños.

100Gs es la aceleración aproximada que experimenta tu cerebro cuando golpeas tu cabeza contra una pared a 40 km/h. En una experiencia momentánea , puede causar una conmoción cerebral y definitivamente hace daño. Una fuerza sostenida de 100G aplicada a un cerebro no modificado dentro de un cráneo, ya sea que el cráneo esté reforzado o no para sobrevivir a la presión, lo aplastará hasta convertirlo en salsa. De hecho, aunque no conozco los límites exteriores, sospecho firmemente que ningún cerebro biológico, tal como lo entendemos actualmente, podría sobrevivir a 100G sostenidos durante un período de tiempo razonable.

Pero no es solo el cerebro, tus ojos también serían aplastados. Como lo harían literalmente todos sus órganos internos, especialmente las fábricas de gametos extrasensibles: testículos y ovarios. En el momento en que elimine / refuerce todo eso (incluso a pesar de la restricción cerebral), de lo que está hablando no se parecerá a un humano en ningún grado real.

E incluso eso no sería suficiente. Tenga en cuenta que en algo como un accidente automovilístico, una persona experimenta 100G. Incluso suponiendo un sofá de aceleración realmente bien acolchado, las fuerzas sostenidas de 100G van a aplastar los huesos. 300-1000G comenzarán a aplastar los soportes estructurales, por lo que es difícil imaginar que cualquier materia biológica no se convierta en una mermelada fina.

La mejor respuesta es la de Catgut : no necesitas aceleraciones como estas.

Los maquinistas ganan: simplemente conviertan los cerebros a digital y descárguelos a hardware de estado sólido. Como beneficio adicional, los cerebros de las computadoras podrían requerir mucha menos adaptación que los cerebros biológicos y sus sistemas de soporte (es decir, sus cuerpos), lo que reduce drásticamente tanto la complejidad como la masa de su nave antorcha. Además, con el aumento de la prevalencia y la capacidad de la IA, la próxima fase de la evolución humana debe ser capaz de competir con la gran potencia de procesamiento que el hardware de la computadora puede permitirse, por lo que esta es una dirección inteligente para avanzar, incluso en general.

Los anamistas podrían tomar una ruta similar y convertir el cuerpo humano en un gel amorfo consciente compuesto de microestructuras intrincadamente interconectadas. Elimine la importancia de la integridad de la macroestructura (y presumiblemente haga que esas microestructuras sean mucho más resistentes a las altas fuerzas sostenidas, lo cual es mucho más manejable) y su problema de supervivencia es mucho más simple de resolver.

La única forma semi plausible para que los humanos sobrevivan al estar sujetos a altas aceleraciones (y esto se aplica a ser disparados desde un conductor de masa o estar a bordo de una nave antorcha) sería sumergir al individuo en un medio fluido incompresible que llene todos los espacios abiertos. y cavidades en el cuerpo. Estar suspendido en un fluido oxigenado como este le permitiría a la persona sobrevivir a altas aceleraciones ya que toda la estructura del cuerpo estaría soportada y no habría huecos o espacios vacíos para que las fuerzas de aceleración exploten como puntos débiles en la estructura del cuerpo humano.

Por razones obvias, no podrías simplemente meter a una persona sumergida en un líquido en una botella y luego pisar los aceleradores de la nave espacial. El fluido tendría que ser monitoreado y debidamente oxigenado en todo momento, y cualquier producto de desecho eliminado y filtrado, por lo que la cámara necesitaría tener algunas bombas y accesorios de alta presión muy elaborados para operar en un entorno de alta "G".

Esto parecería ser cierto dadas las condiciones de los OP, independientemente de si la persona dentro del contenedor está diseñada genéticamente, es un cyborg o incluso una persona normal. Es probable que solo una carga completamente realizada que viva en una realidad virtual de estado sólido optimizada para sobrevivir en entornos de alta G no necesite sistemas de soporte de vida adicionales

Sin embargo, incluso la inmersión total en un fluido tiene sus límites :

La inmersión en líquido proporciona una forma de reducir el estrés físico de las fuerzas G. Las fuerzas aplicadas a los fluidos se distribuyen como presiones omnidireccionales. Debido a que los líquidos prácticamente no se pueden comprimir, no cambian de densidad bajo una alta aceleración, como la que se realiza en maniobras aéreas o viajes espaciales. Una persona sumergida en un líquido de la misma densidad que el tejido tiene fuerzas de aceleración distribuidas por todo el cuerpo, en lugar de aplicarse en un solo punto, como un asiento o las correas del arnés. Este principio se utiliza en un nuevo tipo de traje G llamado Libelle G-suit, que permite a los pilotos de aviones permanecer conscientes y funcionando a más de 10 G de aceleración al rodearlos con agua en un traje rígido.

La protección contra la aceleración por inmersión en líquido está limitada por la densidad diferencial de los tejidos corporales y el fluido de inmersión, lo que limita la utilidad de este método a alrededor de 15 a 20 G.[55] Extender la protección de aceleración más allá de 20 G requiere llenar los pulmones con un líquido de densidad similar al agua. Un astronauta totalmente sumergido en líquido, con líquido dentro de todas las cavidades del cuerpo, sentirá poco efecto de las fuerzas G extremas porque las fuerzas sobre un líquido se distribuyen por igual y en todas las direcciones simultáneamente. Sin embargo, los efectos se sentirán debido a las diferencias de densidad entre los diferentes tejidos del cuerpo, por lo que todavía existe un límite superior de aceleración.

Es posible que la respiración líquida para la protección contra la aceleración nunca sea práctica debido a la dificultad de encontrar un medio de respiración adecuado de densidad similar al agua que sea compatible con el tejido pulmonar. Los fluidos de perfluorocarbono son dos veces más densos que el agua, por lo que no son adecuados para esta aplicación.[2]

Mientras estemos limitados a un cerebro orgánico, parece que el límite superior de la aceleración sería @ 20 g.

Enter - El humilde pájaro carpintero

El pájaro carpintero, de la familia Picidae , es uno de los pocos organismos complejos que supera por todos los parámetros los requisitos de esta pregunta, con la capacidad de mantenerse consciente mientras se encuentra bajo una fuerza G de hasta 1200 G , eso sí, como en doce seguidos. por dos ceros. Esto es impresionante y todo, pero ¿cómo puede permanecer consciente por debajo de 25 veces el número necesario para matar a un humano ?

1. El cráneo del pájaro carpintero es grueso y esponjoso, y se concentra alrededor de la parte trasera y la frente.
2. Los huesos Hyloid son muchas veces más grandes y golpean alrededor del cráneo para formar un solo hueso en forma de honda que mantiene el cráneo en su lugar.
3. Hay menos espacio para que el cerebro traquetee y el cerebro está colocado contra el cráneo.

Estas modificaciones en un ser humano pueden permitir que los pasajeros de estas naves antorcha operen con los parámetros dados.

esto no puede funcionar

Si no se permite alterar la fisiología del cerebro, entonces esto es imposible.

¿Qué hace que las personas se desmayen con G altas?

-El flujo de sangre queda atrapado en las piernas y las extremidades inferiores, lo que hace que el cerebro se vea privado de oxígeno. O a la inversa, el mismo efecto ocurre cuando demasiada sangre va al cerebro y se acumula, lo que a un G lo suficientemente alto puede causar aneurismas.

Para resolver esto , necesitaría reforzar el sistema circular para resistir la presión y mantener la circulación. Como no puede cambiar la fisiología del cerebro, lo que sucedería es que la sangre se acumularía y, finalmente, explotaría en la parte posterior de las regiones del cerebro que enfrentan la fuerza.

Personalmente, podría justificar el uso de nano o micro máquinas para proporcionar el refuerzo de la estructura circulatoria del cerebro como una alteración mínimamente invasiva y fácilmente reversible de la fisiología del cerebro. Aunque, a 100G sin algún tipo de mejora estructural, está siendo aplastado contra el cráneo comparable a golpear el suelo después de caerse del Empire State Building. No tengo idea de cómo los nervios pueden manejar esto, generalmente es la sangre en el cerebro la que causa el peor daño.

Para reír: pensé en usar un imán lo suficientemente fuerte para controlar las moléculas de agua. Pero la fidelidad necesaria para hacer ese trabajo sería en sí misma una locura, y mucho menos las partículas de hierro serían eliminadas de la sangre causando nuevamente la privación de oxígeno, si no la destrucción celular.

Además del problema cerebral, las Micromáquinas podrían usarse para reforzar el sistema circulatorio, así como otros huesos y órganos para que no exploten o colapsen más allá de las tolerancias seguras.

Estoy de acuerdo en que 1 G será perfecto no solo para viajar en el sistema solar, sino que puede acercarte a la velocidad de la luz en un año. La solución de inmersión es interesante y actuaría como el traje G de un piloto de combate, pero no puedo verla resolviendo fuerzas de ruptura de huesos similares a un choque a 100 Gs. Además, serían presiones equivalentes a estar a miles de pies bajo el agua.

Creo que el campo magnético del póster de Anon no es solo para "risitas". Debería ser un enfoque práctico para períodos cortos de alta G. Hace uso del hecho de que muchos átomos son repelidos débilmente por un campo magnético (diamagnético).

Tanto el agua como el carbono son repelidos, constituyendo una parte importante de todas las formas de vida basadas en el carbono. Una rana ha sido levitada con un fuerte magnetismo, que corresponde a 1 G solamente:

https://www.youtube.com/watch?v=A1vyB-O5i6E

Ahora, Anon también mencionó que se extraían partículas de hierro del cuerpo. Se encuentran principalmente en la hemoglobina de la sangre. ¿Cuánto tiempo podría manejar 10 Gs? No sé. Quizás un 100 Gs no sería demasiado problemático para el período de tiempo necesario para ponerse al día. La descripción menciona que la velocidad máxima es 0.001 c. Como mencionó CatGut, a 100 Gs, solo tomará 5 minutos ponerse al día. Ese tipo de aceleración sería bueno para huir de algo.

Un punto diferente para reflexionar. Los automóviles y aviones tienen límites máximos de velocidad. ¿Por qué quieres decir que hay un límite de velocidad máxima? Las naves espaciales bajo la mecánica newtoniana estarán limitadas a la cantidad de energía a la que tienen acceso y la cantidad de masa que pueden arrojar detrás de ellos (dependiendo de su definición de nave antorcha). Siempre puedes ir más rápido realizando una asistencia de gravedad alrededor de un planeta.

Un imán fuerte debajo de un miembro de la tripulación se encontraría con la ley del cuadrado inverso donde duplicar una distancia dada desde la fuente daría como resultado una cuarta parte de la fuerza. Los miembros de la tripulación tendrían que estar dentro de la bobina magnética de algún tipo. Una nave espacial que acelere a 100 Gs podría compensarse con 99 Gs de fuerza magnética, dando a los miembros de la tripulación una cómoda aceleración de 1 G de gravedad.

Suponiendo que tiene un entorno de fantasía científica en el que tiene aceleraciones ridículamente altas, la solución más obvia es digitalizar a los pasajeros y la tripulación.

Sin embargo, si debe acelerar cuerpos humanos, pero permitir modificaciones, entonces la solución a este problema es una variedad de inmersión en fluidos donde el cuerpo se sumerge y los puertos se colocan en paredes de cavidades corporales selladas o con baja tasa de transferencia de fluidos para permitir ecualización rápida de la presión. El fluido de inmersión tendría una densidad lo más cercana posible a la densidad promedio de los tejidos blandos o un poco más. Los tejidos blandos con una densidad más baja podrían hacerse más densos artificialmente agregando masa a un nivel de detalle nanoscópico para distribuirla de la manera más uniforme posible.

Donde tenemos tejidos duros significativamente más densos, como el hueso, debe entretejerse y reemplazarse parcialmente por una sustancia ligera fuerte como la fibra de carbono a nivel microscópico. Se construirían numerosas cavidades en los huesos y puertos colocados en la piel para que, bajo aceleración, los huesos puedan anclarse mecánicamente a una estructura externa para evitar movimientos diferenciales dentro del cuerpo.

Para igualar aún más la diferencia de densidad entre los fluidos del cuerpo y las estructuras sólidas, una cantidad significativa del oxígeno-16 en el agua del cuerpo podría reemplazarse por oxígeno-18 y, si es necesario, el hidrógeno podría reemplazarse por deuterio.

Con los huesos fortalecidos y anclados, y la densidad igualada en la medida de lo posible, existe la posibilidad de que los humanos puedan soportar aceleraciones muy altas en tanques de inmersión en fluidos, potencialmente del orden de cientos de g.

La sangre tendría que ser oxigenada artificialmente y los nutrientes suministrados por vía intravenosa, y el cerebro tendría que estar conectado a una plataforma de realidad virtual de enlace neural directo para evitar que el trauma psicológico quede encerrado dentro de un tanque de aceleración, así como para controlar la nave. ya que tener todos los huesos anclados e inmovilizados impediría el control manual.

Las modificaciones corporales, como perforaciones o implantes quirúrgicos, como reemplazos articulares, bandas gástricas y marcapasos, tendrían que retirarse o anclarse junto con los huesos del sujeto: imagine las consecuencias de aplicar una aceleración de 500 g+ a un arete no anclado con un diferencial de masa de varios gramos: un Un pendiente de oro de 5 g podría pesar efectivamente al menos 2,3 kg en tales condiciones y causar bastante daño.

Jalea humana:

Básicamente, necesitaría hacer que el cuerpo humano sea más denso y homogéneo, menos la bolsa moderna de agua sucia y miembros estructurales duros y más una gelatina firme y espesa que sea menos comprimible y contenga menos cavidades. Ese es el lado humano alterado, luego pones a ese humano nuevo y mejorado en un globo de fluido extremadamente denso y de alta viscosidad. El líquido debe coincidir con la rigidez del nuevo cuerpo y tener una densidad lo suficientemente baja como para dar flotabilidad, esto le brindará la máxima protección posible contra las cargas G. No sé hasta dónde podría llegar con este tipo de sistema, en estos días estamos limitados a una densidad y viscosidad cercanas al agua y podemos proporcionar alrededor de 20G de protección de carga The Forever Warsugiere un sistema similar que, de memoria, usa solo una viscosidad y densidad ligeramente elevadas y mucha presión y protege de hasta varios cientos de G de aceleración durante los combates controlados por computadora.

Nuestra blandura es el problema obvio.

¡Dependemos completamente de la transferencia de fluidos y nuestros cuerpos probablemente experimentarían una separación centrífuga de agua y aceite a nivel celular! Tendríamos que rectificar nuestra blandura por completo y solidificarnos adecuadamente. Es muy probable que esto elimine la opción de permanecer consciente. Una opción fatídica sería explorar la congelación instantánea instantánea (énfasis en "instantánea"), una forma mejorada de criogénesis que probablemente conlleva algunos riesgos por sí misma.