Lo que llevó a la NASA et al. para decidir que la ISS debería ser una estación de gravedad cero cuando se conocían los impactos negativos masivos en la salud y la calidad de vida de la gravedad cero?

Como el mes de noviembre de 2020 ha marcado 2 décadas de funcionamiento de la ISS, así como el primer vuelo operativo de una nave espacial de próxima generación, sentí que era adecuado hacer esta pregunta hoy. Daré fuentes a las afirmaciones hechas en esta pregunta según lo desee.

Desde vuelos espaciales hasta estaciones anteriores como Skylab, la serie Salyut y Mir, se sabía que la exposición prolongada a la microgravedad es muy dañina para la salud humana, causando pérdida masiva de huesos y músculos, así como pérdida y redistribución de sangre, entre muchos otros efectos nocivos. hasta el punto de que una misión tripulada a Marte sería apenas recuperable sin tecnología de mitigación. Si bien los desarrolladores originales de la ISS no lo previeron del todo, el desarrollo de esta tecnología está ocurriendo extremadamente lento, con un progreso no despreciable solo en el campo de la pérdida de masa muscular (la ARED aún se está probando más de una década después del lanzamiento).

Incluso descontando los problemas de salud, la microgravedad tiene efectos que hacen que la vida cómoda sea un desafío. Debido a la falta de asentamiento, el volumen de aire debe mantenerse extremadamente limpio, lo que requiere ventiladores ruidosos que interrumpen el sueño. Estos también son necesarios para igualar el dióxido de carbono y la distribución del calor debido a la falta de convección, lo que también hace que cocinar sea extremadamente difícil: el primer intento en diciembre de 2019 tomó un total de 6 veces más que en 1 g. El consumo de alimentos es muy problemático en general. Incluso algo tan simple como un refresco no se disfruta en el espacio, debido a los eructos que a menudo resultan en reflujo ácido. Estos comenzaron a conocerse incluso antes de que se entendieran los efectos médicos.

Los intentos de mejorar problemas como estos, sin mencionar simplemente el diseño de sistemas para operar en el entorno alienígena de gravedad cero, habían costado miles de millones en I + D incluso antes de que se lanzara la ISS, y sabían que seguiría costando miles de millones. Por otro lado, se podría construir una estación de gravedad artificial mínima utilizando tan solo 1 módulo en gran medida convencional con un contrapeso inerte de igual masa. Para facilitar el atraque y el control de actitud, se podría agregar un módulo de conexión y otro acoplado contrarrotante, para un total de 3–5 módulos más 4 trusses, 2–4 de los cuales están presurizados . Se pueden agregar simétricamente módulos adicionales opcionales para completar el toroide. Si bien inicialmente era de 1 g, la gravedad podría reducirse para determinar un valor de corte, lo que permitiría el diseño futuro (o la modificación de la ISS en) estaciones más pequeñas y más eficientes en masa. Con todo eso en mente, ¿por qué se construyó la ISS como una estación de gravedad cero?

Mi conjetura es que ellos (principalmente la NASA y lo que luego se convirtió en Roscosmos) lo hicieron principalmente porque fue el resultado de una combinación de los programas mucho más antiguos de la Estación Espacial Freedom y Mir-2 que enfrentaron la cancelación, pero solo se completó un módulo antes de la ISS. se anunció el programa, que no fue el primero que se lanzó.

NOTA IMPORTANTE: Sé que uno de los objetivos principales de la ISS es el estudio de sujetos y materiales no humanos en microgravedad, pero esa investigación podría llevarse a cabo desde módulos acoplados al central, con la tripulación viviendo en los módulos centrífugos.

Esto no parece más costoso que la ISS en su "finalización" en 2010, o incluso significativamente más que en la operación modular en 2002. Corríjame si me equivoco.

"necesitar ventiladores ruidosos que interrumpan el sueño" no es realmente un gran problema. Solía ​​vivir literalmente a la vuelta de la esquina de una plataforma de perforación petrolera donde el taladro funcionaba día y noche, 24 horas al día, 7 días a la semana durante semanas. No fue un problema. Muchas personas viven en casas donde necesitan un aire acondicionado en el dormitorio en verano. Una unidad de aire acondicionado de ventana ruidosa, zumbando y soplando no es un problema: he dormido en muchas habitaciones así y está bien. Un problema mayor proviene de los ruidos intermitentes: otras personas golpeando y equipos que se encienden y apagan en voz alta (y al azar).
Ninguno de sus ejemplos de estaciones anteriores rotaba, lo que significa que la gravedad artificial era (y sigue siendo) una idea sin herencia de vuelo a largo plazo. ¿Qué te hace pensar que la NASA, que tiene aversión al riesgo, podría haber buscado un diseño rotativo hace 20 años, incluso políticamente?
Re Con todo eso en mente, ¿por qué se construyó la ISS como una estación de gravedad cero? (1) Esa fue la premisa explícita para construirlo. (2) Es muy fácil construir una estación espacial giratoria en películas y novelas de ciencia ficción. En realidad, es cualquier cosa menos fácil. Gran parte de la tecnología necesaria se encuentra en el nivel de preparación tecnológica (TRL) 3, en el mejor de los casos. (3) Una estación espacial giratoria tendría que ser inmensa, mucho más grande que la ISS, para evitar problemas fisiológicos.
El espacio es de gravedad cero, por lo que si queremos viajar largas distancias a través del espacio, debemos entender todo lo que podamos sobre la gravedad cero, presumiblemente.
Su pregunta se basa en la suposición de que la gravedad en el espacio es fácil de simular. ¿Por qué piensas eso?
Además del hecho deslumbrantemente obvio en mi humilde opinión de que el propósito de la ISS era estudiar la vida (y hacer ciencia) en microgravedad, los impactos "negativos" solo aparecen a largo plazo. A corto plazo, son divertidos o tolerables. Es como hacer un largo viaje de campamento, o incluso una misión de investigación en la Antártida o escalar el Everest: una gran aventura, pero no la forma en que te gustaría vivir toda tu vida. FWIW, no me he dado cuenta de que la NASA se ha enfrentado alguna vez a una escasez de candidatos para astronautas :-)
¿Por qué los oceanógrafos estudian el mar cuando saben que está tan húmedo?
Su pregunta huele a un fuerte sesgo. Suena menos como un esfuerzo sincero por aprender y más como un esfuerzo por hacer su declaración.
Esto está sobrecargado innecesariamente por la segunda mitad de la pregunta, con la cual la única respuesta es porque los astronautas se preocupan por los inconvenientes menores como el reflujo ácido, hasta los más importantes, como la muerte.
Además de los otros puntos planteados, gran parte de la investigación sobre materiales en microgravedad requiere que no se muevan. Una estación con parte de ella girando causaría vibraciones que se sentirían en los módulos no giratorios e interferirían, por ejemplo, con el crecimiento de cristales. Por lo tanto, los módulos tendrían que estar atados, en lugar de acoplados, o simplemente hacer la investigación en estaciones espaciales completamente separadas. En otras palabras, hacer girar parte de la estación no es consistente con hacer ese tipo de investigación.
@donjuedo. Si bien en general soy escéptico, creo que se basa en premisas falsas (que se pueden solucionar con una buena respuesta) en lugar de un intento de pontificar. E incluso si fuera lo último, OP ha investigado un poco para que la pregunta sea bastante respondible.
ARED, CEVIS y T2 son todos sistemas establecidos, no experimentales en absoluto. Son contramedidas efectivas contra la pérdida ósea y muscular.

Respuestas (8)

Fiabilidad.

Cualquier estación giratoria necesita componentes no giratorios: los paneles solares deben estar orientados hacia el sol, los radiadores deben tener sombra, los puntos de acoplamiento deben estar inmóviles, etc. Hacer una junta giratoria que pueda durar décadas es difícil; si el centro de una estación giratoria se agarrota, es probable que las aceleraciones resultantes destrocen la estación y maten a todos los que están a bordo.

Hacer una junta hermética giratoria es aún más difícil, y necesitará una si desea un espacio habitable giratorio y un laboratorio no giratorio.

Los comentarios no son para una discusión extensa; esta conversación se ha movido a chat .

Agregaré uno o dos elementos más a la excelente lista de Mark.

  1. Estabilidad: las grandes plataformas giratorias (y tienen que ser grandes para producir una gravedad artificial útil) están sujetas a todo tipo de precesión.

  2. Costo. La ISS no era barata. Ahora imagine simplemente poner en órbita una masa equivalente a 50 ISS, ensamblada y luego suficiente combustible para hacerla girar.

¿Puede explicar por qué la precesión es un problema? Habría pensado que una plataforma giratoria sería más estable que una estacionaria, debido a su mayor inercia rotacional que resiste cualquier cambio de orientación. Un trompo, por ejemplo, se mantiene relativamente estable porque está girando, no a pesar de ello.
@NuclearHoagie, si tiene un objeto giratorio, hay un centro de rotación, según dónde esté el centro de la masa. Para tener un puerto de acoplamiento perfectamente inmóvil en una junta giratoria, debe mantener la estación espacial perfectamente equilibrada alrededor de ese centro de masa; incluso las personas que se mueven dentro de la gravedad artificial de la estación interrumpirían ese centro de masa. Puede que no sea un gran desequilibrio para una sola persona, pero el equipo y los desechos (incluso los tanques de combustible/oxígeno/agua) deberían estar equilibrados alrededor del centro de rotación en todo momento.
50 ISS vale la pena de masa parece un poco demasiado. ¿Estás hablando de una estación de estilo de rueda completa? una paloma volteadora basada en ataduras parece que probablemente sería más como dos o tres ISS, si es que es una.
@ikrase lo toma como un valor de orden de magnitud :-), más de 5 pero menos de 500
Podría tener 2 'cápsulas' que giren una frente a la otra, por lo que no es demasiado grande ni costosa. En cuanto a mantener el equilibrio, existen muchas soluciones, como hacer que las pesas se muevan automáticamente entre el centro y el exterior.
@rtaft ISS pesa más de 400 toneladas. Si desea producir una gravedad de 1 g, necesitará suficientes cables para que puedan soportar el peso de 420 toneladas en la gravedad de la Tierra sin romperse, o un poco sobre un Boeing 747 completamente cargado... o un tubo presurizado a 1 ATM que puede suspender medio Boeing mientras hay astronautas saltando dentro de él. Y cualquier falla estructural significa la pérdida de toda la estación y la tripulación. Y aún no ha resuelto el problema del acoplamiento, la precesión, la maniobra orbital de una mancuerna giratoria grande o cómo va a girarla en primer lugar.
@ikrase La mayoría de los experimentos de gravedad artificial basados ​​en ataduras terminaron con fallas espectaculares. Sin atmósfera para extinguir las vibraciones, las ataduras que se mantienen tensas con una carga dinámica en el vacío tienden a seguir acumulando y amplificando las vibraciones hasta que se rompen. Tal vez si se desarrollara una correa autoamortiguadora, digamos, con un núcleo líquido...
O pegándole dashpots o algo así. Aunque, ¿por qué una rotura de correa debería conducir a la pérdida de tripulación?
@NuclearHoagie: girar alrededor del eje largo de un objeto generalmente alargado (más precisamente, alrededor del primer o tercer eje principal de los objetos) puede ser estable, de lo contrario no. Vea el efecto Dzhanibekov o mire un video que demuestre una caída casi estable. La ISS se ensambló a lo largo de los años, por lo que sus ejes principales iban a ser cambiados abruptamente por la adición de módulos cuyas distribuciones de masa detalladas no se conocían ni se podían conocer en el momento del diseño...
"Se sabía que la exposición prolongada a la microgravedad es muy dañina para la salud humana, causando pérdida masiva de huesos y músculos, así como pérdida de sangre y redistribución de la sangre, entre muchos otros efectos nocivos" ¡Un momento! Recuerdo haber leído sobre un cosmonauta ruso hace un tiempo que pasó un AÑO en la ISS e hizo todos los ejercicios sugeridos, etc. y no tuvo problemas después de regresar. Pienso en la ISS como si fuera tu sofá de televisión con esteroides: quieres estar gordo y luego tumbarte a ver la televisión en tu sofá; en la ISS quieres estar muerto, tumbarte en la ISS sin hacer ejercicio.
Con respecto al equilibrio, se podría usar una bomba hidráulica para suavizar la cantidad del desequilibrio. Los sensores podrían detectar una vibración y bombear fluido en consecuencia.
¿ De qué "lista excelente de Mark" estás hablando en esta respuesta? La única entrada de un usuario llamado Mark en este hilo es solo una respuesta corta que no se parece en nada a una lista. ¿Me estoy perdiendo de algo?

Es una buena pregunta, seguida de muchas respuestas relevantes hasta ahora. Me centraré en los aspectos fisiológicos.

Durante décadas antes del lanzamiento de la ISS se habían realizado investigaciones sobre la creación de gravedad artificial a través del giro. En resumen: el sistema de equilibrio humano (oído interno más cerebro) no puede manejar el movimiento giratorio en las escalas de lo que los humanos podrían construir en ese momento (o incluso ahora). Según recuerdo, para no estropear el sistema sensorial humano de movimiento/equilibrio, el radio de rotación tendría que ser enorme, incluso para un entorno tan pequeño como un cuarto de "G". Algo más de cien metros en el radio del giro.

El "anillo" espacial en órbita terrestre de 2001 Space Odyssey, según recuerdo, probablemente ni siquiera era lo suficientemente grande para un entorno cercano a 1 "G" que no arruinó el sistema de equilibrio humano, y mucho menos la nave más pequeña "Odyssey" enviada a Júpiter con "HAL" a bordo (¿Podemos hablar de este Dave?). Hay fórmulas para calcular el porcentaje de gravedad artificial creada, utilizando el radio, la velocidad de giro frente a las capacidades sensoriales del equilibrio humano. Si un ser humano determinado tiene un nervio vestibular en funcionamiento o casi en funcionamiento, el radio de giro debe ser enorme, o de lo contrario experimentaría un vértigo constante.

Se han realizado experimentos en humanos que tienen nervios vestibulares dañados o que no funcionan al 100%. En resumen: solo las personas con vestibulares que no funcionan al 100% podrían sobrevivir en un entorno "G" artificial giratorio relativamente pequeño, ya que esas personas no tienen sentido de movimiento o "caída".

Es una buena pregunta la que hiciste, vale la pena refrescar nuestra comprensión de... cada generación más o menos.

Enlaces relacionados:
https://www.artificial-gravity.com/sw/SpinCalc/
https://www.space.com/558-artificial-gravity-spin-idea.html
¿Por qué no hay naves espaciales que giren por gravedad artificial?
https://phys.org/news/2019-07-artificial-gravity-free-science-fiction.html
https://www.popularmechanics.com/space/rockets/a8965/why-dont-we-have-artificial -gravedad-15425569/

Encontré un experimento de 1998 relacionado, sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0165017398000393 . ¿Puede citar algún resultado publicado?
¿No podrías tener dos estaciones conectadas por un cable de un kilómetro de largo? Eso tendría un gran radio de rotación.
@uhoh: tenga en cuenta que la afirmación aquí no es que la gravedad no fuera lo suficientemente fuerte, sino que en ese radio (y girando lo suficientemente rápido como para hacer 1G) los efectos de rotación serían perceptibles para los humanos de pie. Dejé un comentario similar debajo de su pregunta, las respuestas probablemente deberían ir allí.
@PeterCordes De alguna manera me perdí todo el segundo párrafo y comencé en el tercero. Gracias por señalar esto, voy a hacer ajustes a la pregunta para no tergiversar esta respuesta, que es mucho más rentable de lo que originalmente me di cuenta. ¡Gracias por traer esto a mi atención!
@uhoh: Tengo la mala costumbre de hojear rápidamente y, a veces, escribir un comentario largo sin verificar que la publicación realmente dijera lo que pensaba >.< Así que sí, también me pasa a mí, y me alegro de haber podido ayudar.
@ruggedorb +1¡esto me hizo pensar! Wo he preguntado en Science Fiction SE ¿Cuidó Kubrick de corregir la fuerza de la gravedad artificial en “2001: Una odisea del espacio”?
@PyRulez Una estación es lo suficientemente cara, ¿y quieres dos? Además, ¿qué sucede cuando se rompe el cable?
¡ La respuesta más reciente de @PeterCordes es reveladora!
@PyRulez ¿Y entonces cómo acoplarías con él? Acoplarse a una parte giratoria es una idea terrible, terrible . Y si atracas en un centro no giratorio, volverás a necesitar vigas y túneles por los que escalar para llegar a los hábitats, es decir, estaciones a una escala enorme.
Recuerdo haber leído en alguna parte que la incomodidad humana debido al efecto Coriolis pone un límite inferior al tamaño de una estación espacial giratoria. Ese límite inferior supera el tamaño de la ISS en al menos un orden de magnitud. Por desgracia, no puedo encontrar la referencia ahora. ¿Puede estar cubierto en una de las fuentes que enumeró?
¿No se ajustarían los cuerpos de los astronautas al giro después de unos días? (También, ¿"no puede no manejar"?)

Hubo una propuesta para agregar un hábitat giratorio experimental: Nautilus-X . Uno de esos acrónimos maravillosamente torturados: Transporte Universal No Atmosférico Destinado a una Exploración Prolongada de los Estados Unidos - eXperimental. Su objetivo principal era extender el tiempo que los humanos podían vivir en el espacio no solo a través de la gravedad artificial, sino también del almacenamiento de consumibles, protección contra la radiación, defensa contra micrometeoritos y casco autosellante.

La idea era construir una nave espacial en órbita para viajes de larga duración, pero primero iban a probar la idea en la ISS.

ingrese la descripción de la imagen aquí

Para ahorrar peso y costos de lanzamiento, usaría estructuras inflables iniciadas por Bigelow Aerospace . Proporcionaría gravedad parcial para dormitorios, preparación de alimentos, comidas y baños; siendo posiblemente el último el más apreciado.

Uno de los objetivos de diseño era no estropear el entorno de microgravedad de la ISS. Eso significa que no hay vibración del anillo giratorio y el volante. Fugas mínimas de los sellos del anillo.

El anillo de demostración tendría solo 30 pies de diámetro con una sección transversal de 50 pulgadas. Eso no es lo suficientemente grande para estar de pie, pero es solo un demostrador y pararse en un ring tan pequeño puede enfermarlo. A 10 RPM proporcionaría 0,5 g.

Nunca sucedió. La propuesta de construir una demostración es de 2011, 13 años después del lanzamiento de la ISS, debería darle una idea de nuestra capacidad para sostener la gravedad en el espacio. Hay mucha ciencia básica e ingeniería que todavía no hemos hecho. La propuesta los enumera...

  • Diseño de cojinetes y bujes
  • Diseño de sello
  • Efectos sobre la guía, la navegación, el control y el mantenimiento de la posición
  • Puesta en marcha de la centrífuga
  • Operación centrífuga
  • Efectos en el cuerpo humano
    • Moviéndose repetidamente entre parcial y cero-g
    • Emocional
    • Vascular
    • Digestión (con la deliciosa nota "tendencia a vomitar durante la transición")
    • Excreción
    • Visión
    • Huesos
    • Dormir
  • Distribución de carga (¿qué sucede si la rueda está desequilibrada?)
  • Gestión térmica
  • Transmisión de carga a la ISS

Ninguna estación espacial incorporará la gravedad en su diseño hasta que hayamos adquirido suficiente experiencia a través de prueba y error para responder esas preguntas y mitigar los problemas.

@ThatCoolCoder: excepto que no es un retroónimo. Un retrónimo es cuando necesitamos un nuevo término para diferenciar algo que ha existido por un tiempo. (como "correo postal", cuando todo "correo" solía significar correo postal antes de correo electrónico) Este es un caso de un backronym. (un acrónimo en el que está tratando específicamente de hacer coincidir una palabra existente)
Creo que la palabra que estás buscando es backronym .
@ Joe Lo siento, no estaba claro. Es una explicación inversa para racionalizar aún más el nombre de uno.
@Schwern: No estoy seguro de si debería reírme o avergonzarme de eso.

Los cilindros de O'Neil tienen un radio mínimo muy grande de varios kilómetros por una razón, o de hecho por varias razones.

Uno no puede simplemente hacer girar una pequeña estación para simular la gravedad y esperar que una persona se sienta cómoda cuando la aceleración en sus pies es mucho mayor que la aceleración en su cabeza, y empeora tan pronto como comienzan a moverse debido a Coriolis. efectos

Hacer una estación espacial giratoria aumenta bastante la complejidad, entonces tiene que ser ENORME para lograr tu objetivo.

Del cilindro O'Neill; Gravedad artificial :

Los cilindros giran para proporcionar gravedad artificial en su superficie interior. En el radio descrito por O'Neill, los hábitats tendrían que rotar unas veintiocho veces por hora para simular la gravedad estándar de la Tierra; una velocidad angular de 2,8 grados por segundo. La investigación sobre los factores humanos en los marcos de referencia giratorios indica que, a velocidades de rotación tan bajas, pocas personas experimentarían mareos debido a las fuerzas de Coriolis que actúan sobre el oído interno. Sin embargo, las personas serían capaces de detectar direcciones de giro y antigiro girando la cabeza, y cualquier objeto que se caiga parecería desviarse unos pocos centímetros. El eje central del hábitat sería una región de gravedad cero, y se previó que allí podrían ubicarse instalaciones recreativas.

+1Este es un punto realmente bueno y, sorprendentemente, es la primera vez en la página que se menciona y describe explícitamente el efecto Coriolis . ¡Bienvenidos al Espacio!
@uhoh Gracias por las ediciones.

Las otras respuestas son buenas, pero creo que nos perdemos algo.

Imagina una caminata espacial alrededor de una estación espacial giratoria. Con la tecnología actual, necesitamos caminatas espaciales periódicas.

  1. Todo lo que se cae no solo flota. Se pierde para siempre.
  2. Las superficies periféricas son de difícil acceso desde el exterior; requeriría equipo y habilidades para escalar montañas. Los astronautas también se pierden fácilmente.

¿Y si hubiera que parar la estación por mantenimiento?

Ya tenemos una solución para el punto 1: cuando los astronautas están reparando caminatas espaciales, las herramientas y piezas sueltas involucradas generalmente están atadas para que no se pierdan.
Uno no puede atar cada tornillo y tuerca. O probablemente pueda, pero las caminatas espaciales se volverán aún menos eficientes. Y son caros para empezar.
@fraxinus: Correcto, no puedes unirlos individualmente. En cambio, usan placas de captura de sujetadores: spacetelescope.org/images/hst3-venice2010
@Joe E incluso entonces, pierden cosas de vez en cuando. Simplemente no es un problema tan grande. La ISS se encuentra a una altitud relativamente baja, las órbitas de cualquier pieza suelta o herramienta decaerán en unos pocos meses.

Estudiar gravedad cero

Es bastante difícil estudiar gravedad cero si no estás en un entorno de gravedad cero.

Ahora la pregunta implica que podríamos mitigar algunos de los efectos de la gravedad cero, digamos en la salud de la tripulación, simulando la gravedad. Sin embargo, esto ignora que los efectos de la gravedad cero en la salud de la tripulación son parte de la misión de la ISS:

La investigación en la ISS mejora el conocimiento sobre los efectos de la exposición espacial a largo plazo en el cuerpo humano. Los temas actualmente en estudio incluyen atrofia muscular, pérdida ósea y cambio de fluidos. Los datos se utilizarán para determinar si la colonización espacial y los vuelos espaciales tripulados prolongados son factibles.

https://en.wikipedia.org/wiki/Scientific_research_on_the_International_Space_Station

O para decirlo de otra manera, la ISS y los astronautas que la tripulan no están allí solo para realizar experimentos científicos. Son parte del experimento.

Esta es la respuesta más correcta en mi humilde opinión.
De hecho, es básicamente por diseño, aunque también reconocen las dificultades técnicas de implementarlo, como se explica en otras respuestas. De la propia NASA: "La NASA y otros prefieren trabajar en microgravedad, o caída libre, donde se pueden llevar a cabo muchos experimentos y procesos sorprendentes. La Estación Espacial es la única ciencia grande, a largo plazo y libre de gravedad del mundo". laboratorio" Fuente: web.archive.org/web/20060929044226/http://liftoff.msfc.nasa.gov/…

Para agregar otra faceta a una pregunta que ha provocado respuestas tan excelentes:

PESO

Una estación espacial que no gira no pesa nada, por masiva que sea. En una primera aproximación , podría sujetarse con una cuerda.

Una estación espacial que proporciona una fuerza centrípeta de 1 g significa que el suelo bajo tus pies pesa 1 tonelada por tonelada. Que es mucho peso. Lo que significa una estructura fuerte para mantenerlo unido. Que es masivo. Que, por tanto, pesa. Que, por tanto, necesita más fuerza…