¿Por qué no se usa una centrífuga para los astronautas en la estación espacial?

La respuesta corta es que costaría mucho dinero.

Para obtener una fuerza de 1G, necesitarías algo realmente grande o que girara muy rápido. Por ejemplo, el diseño de referencia para las colonias espaciales en las que estoy trabajando exige una estructura con un radio de 900 metros que gira una vez por minuto. Para algo del tamaño de la ISS, tendría que estar girando mucho más rápido. (Obtendré los números reales en un momento, cuando no esté en medio de otro proyecto).

Además del problema de la velocidad de rotación, también debe tener en cuenta que la estructura tendría mucha masa para ser lo suficientemente fuerte como para soportar todo ese peso (centrífugo), y cuanta más masa ponga en órbita, más cuesta

Además de eso, dado que probablemente no desee hacer que toda la ISS gire tan rápido (para mantener la masa y los costos bajos), necesitaría tener un conjunto de cojinetes entre el giratorio y el no giratorio. partes de la estación, preferiblemente una que sea lo suficientemente grande como para proporcionar un pasaje para que pase la tripulación (para que no tengan que ponerse sus trajes espaciales para ir a la cama), y ese rumbo va a, adivina qué, tener hay que lanzar mucha masa, lo que significa que costaría más dinero.

Ah, y también tendría que asegurarse de que el rodamiento no tenga fugas, o tendría que enviar más aire para reemplazar lo que se perdió, lo que costaría más dinero.

Hay una serie de otros problemas, pero supongo que la lista que he dado ya hizo que los diseñadores de la ISS se dieran cuenta de que una cámara de gravedad centrífuga probablemente no encajaría en el presupuesto del proyecto.

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Bien, hice algunos cálculos. Si su centrífuga tiene 5 metros de diámetro, debe girar a 18,9 RPM para una aceleración de 1G en el borde, que se moverá a 17,82 kph (11 mph).

Dado que no desea que la centrífuga gire la estación a su alrededor, en realidad necesitará dos centrífugas contrarrotantes de igual masa, y ambos brazos de cada centrífuga deben tener la misma masa rotada para que todo esté en equilibrio. . Eso no es imposible, podría, por ejemplo, tener un sistema que bombee una cantidad equilibrada de agua en cada uno de los cuatro extremos, pero eso agrega complejidad, peso y costo al sistema. Estoy abierto a sugerencias para una mejor solución.

Como señaló Russell Borogove , esto podría hacerse en un compartimento cerrado para eliminar el problema del sello, pero ahora debe construir un recipiente de aproximadamente 5,5 metros de diámetro que es el doble del ancho de una cápsula de centrífuga, más espacios libres, en longitud, figura 3 metros. Eso es un diámetro mayor pero aproximadamente la mitad de la longitud del módulo Unity (4,57 m de diámetro x 5,47 m de largo), por lo que no está del todo descartado. El ruido del equipo y las cápsulas que se cruzan a una velocidad relativa de 22 mph sería bastante considerable.

Hablando del equipo, las centrífugas van a necesitar motores para encenderlas y pararlas cada vez que un astronauta se acueste o se levante. Si no quiere pasar toda la noche poniéndose al día, necesitará un motor más grande, junto con un sistema de energía más robusto para hacerlo funcionar. Luego, cuando estás reduciendo la velocidad de la centrífuga para que los astronautas puedan entrar o salir, no quieres desperdiciar toda la energía que se usó para acelerarla, por lo que necesitas un sistema de almacenamiento de energía. Las baterías pueden venir primero a la mente, pero las baterías de ciclo rápido que podrían almacenar y liberar repetidamente suficiente energía a lo largo de muchos ciclos serían realmente pesadas y costosas. Una alternativa sería enrollar un volante para el almacenamiento de energía, pero nuevamente, eso será pesado y costoso.

Ah, y si va a tener más de una de esas cuatro cápsulas para dormir ocupadas a la vez, asegúrese de que todos los astronautas tengan los mismos ciclos de sueño: no nos gustaría que un madrugador tenga que acostarse en la cama despierto esperando el otro tipo por regresar del país de los sueños, o astronautas malhumorados por haber sido despertados demasiado pronto porque la centrífuga se detuvo para dejar salir al otro.

... y asegúrese de que no haya emergencias que requieran levantarse de la cama con poca antelación; sí, podría saltar de una cápsula que se mueve a 11 mph sin demasiado peligro de lastimarse, pero asegúrese de salir de ¡el camino antes de que el siguiente llegue un segundo y medio después y te golpee en la cabeza!

Las matemáticas:

Aceleración centrífuga

De acuerdo, construyamos un sistema durmiente cilíndrico hipotético que podría caber dentro del área tripulada de la ISS actual, por ejemplo, y veamos algunos de los problemas que necesitaría abordar. Le pondremos el nombre de la famosa canción de Bill Haley and the Comets: Shake, Rattle and Roll .

También puede aplicar lo aprendido aquí a una estructura futurista mucho más grande para un sistema de mayor fuerza g para producir estrés esquelético con la esperanza de reducir la pérdida de calcio.

Encuentre un módulo sin usar de repuesto, o actualmente vacío, en la ISS y construya un " vaso de astronauta " cilíndrico giratorio de 2 metros de diámetro y 2 metros de largo . Los astronautas duermen a lo largo de las paredes interiores, paralelos al eje del cilindro, alrededor del cual gira.

Usando$\mathbf{a}=-\omega^2 / \mathbf{r}$la velocidad requerida para obtener un modesto 1/6 de la gravedad de la Tierra para proporcionar una experiencia pequeña pero significativa de "acostarse" en lugar de flotar es$\omega=1.3 \text{s}^{-1}$lo que resulta en una revolución cada 5 segundos, o una frecuencia de rotación de 0,2 Hz .

Es posible que no haya espacio para seis de estos, por lo que será un espacio compartido y los astronautas aún necesitarán sus cubículos como espacio personal y una asignación separada de tiempo para pasar en él. Alternativamente, podrían levantar y mover sus cubículos personales y unirlos a este marco giratorio o volver a colocarlo en la pared.

No importa cómo lo mires, son más cosas enviadas desde la Tierra, lo cual está bien si ofrece una mejora significativa para el bienestar de los astronautas o una contribución a la ciencia de la vida en el espacio.

El equilibrio es fundamental. Si un astronauta quiere dormir, se debe colocar un " astronauta ficticio " enfrente para no sacudir indebidamente la ISS con una oscilación mecánica de 0,2 Hz. Si el astronauta dormido se mueve, el maniquí debe moverse en consecuencia, o un servomecanismo en cada extremo del cilindro debe trasladar automática y constantemente el eje de rotación del cilindro al centro de masa. Más cosas para romper y masa para enviar desde la Tierra. Si hay dos personas colocadas una frente a la otra y una tercera quiere unirse, una persona debe "re-acimutarse" a sí misma 60 grados (o si están durmiendo profundamente, ser re-acimutada por su compañero astronauta), o el astronauta ficticio podría añadirse frente a la tercera persona.

Si alguien quiere "subirse" o "bajarse", todo debe detenerse y ponerse en marcha. Eso puede despertar a cualquiera que ya esté "encendido". ¿De dónde viene ese momento angular? Si se detuviera y comenzara en un horario regular con un ciclo de trabajo fijo, tal vez podría equilibrarse con una pequeña contrarrotación de la ISS, y cada ciclo principal de parada/arranque alternaría la dirección para que la rotación neta de la ISS fuera mínimo.

La alternativa es construir un volante de inercia que gire en sentido contrario, ya sea coaxialmente, o al menos cerca. A medida que cambiaba la carga (número de astronautas reales + ficticios) en el cilindro de los astronautas, también se tendría que ajustar la carga en el volante. El volante también podría tener servos para anular mejor algunos componentes de las vibraciones estructurales siempre que girara sincrónicamente. Podría anular el momento angular en cualquier frecuencia, por lo que no tendría que cambiar la masa, pero si no es sincrónico, ahora está agregando una segunda frecuencia emocionante a sus vibraciones, ¡duplicando las posibilidades de que pueda golpear uno particularmente peligroso!

La ISS no necesita una fuente periódica de vibración. A menos que ese servosistema que realineaba constantemente el eje de rotación del cilindro para pasar a través del centro de masa instantáneo de los astronautas en el tambor, se transmitiría una vibración cíclica a la estructura de la ISS. Este es un problema que debe combatirse constantemente, y debe abordarse cada vez que un astronauta comienza o finaliza un período de sueño, o se da vueltas demasiado.

Las vibraciones periódicas de baja frecuencia son la pesadilla de las grandes estructuras mecánicas que no se han diseñado previamente para ellas.

De la Guía del investigador de la Estación espacial internacional (ISS) Entorno de aceleración de la estación espacial internacional :

Modos estructurales del vehículo

Los modos estructurales del vehículo residen en el extremo de baja frecuencia de la porción vibratoria del espectro de aceleración. Estas vibraciones caen dentro del rango de frecuencia de aproximadamente 0,1 hercios a aproximadamente 5 hercios . Estas vibraciones surgen de la excitación de frecuencias naturales asociadas con grandes componentes de la estructura de la estación espacial, como la armadura principal, y con modos auxiliares fundamentales, como los paneles solares. Estas estructuras suelen estar excitadas por eventos impulsivos de magnitud relativamente grande y relativamente breves, como durante un reinicio o por eventos de locomotora de la tripulación, como los despegues. La excitación impulsora de tales eventos da como resultado vibraciones de respuesta a medida que se amortigua el sonido estructural . También,vibraciones de magnitud relativamente pequeña a la frecuencia correcta darán lugar a resonancia estructural . (énfasis añadido)

arriba: Recortado de la Figura 4 de la Guía del Investigador de la Estación Espacial Internacional (ISS) Entorno de Aceleración de la Estación Espacial Internacional . "Figura 4. Espectrograma que muestra el modo uno con una transición lenta de la tripulación al sueño". Esto sugiere que hay varias resonancias estructurales en la región de 0,1 a 1,0 Hz. Consulte el documento original para obtener más información y una lista de aproximadamente 20 frecuencias resonantes conocidas diferentes en la página 12.

Un evento muy aterrador y peligroso ocurrió a bordo de la ISS en 2009 cuando un servo mal programado en un motor de refuerzo comenzó a ajustar la dirección de empuje del motor de refuerzo a aproximadamente 0,5 Hz .

Pero durante el tiroteo del 14 de enero, algo salió muy mal. Las alas de energía solar de la estación comenzaron a balancearse de un lado a otro de manera alarmante. Más dramáticamente, una cámara interior capturó vistas de equipos montados en la pared y cables moviéndose de un lado a otro a un ritmo de dos segundos , mientras la cámara se balanceaba en su soporte de montaje.

Acumulación de giros

Rápidamente se hizo evidente que alguna fuerza periódica había excitado la estructura de la estación espacial en una de sus frecuencias resonantes, lo que provocó una acumulación de giros en lugar de una amortiguación. Al igual que con la historia tradicional de "soldados cruzando un puente" y el colapso del puente de Tacoma Narrows en 1940, que es demasiado real, la acumulación de resonancia en una estructura grande puede tener consecuencias graves rápidamente . (énfasis añadido)

Véase también La NASA de Space.com pesa vibraciones excesivas en la estación espacial

El objetivo de la ISS es estudiar 0G. Los sacos de dormir 1G anulan el propósito... Los humanos también son sujetos de experimentación :)

Además de las otras respuestas: una estructura pequeña (como un solo módulo en la ISS) necesita rotar muy rápido para crear 1G. Esto tiene efectos secundarios indeseables:

• Las fuerzas de Coriolis hacen que moverse dentro del módulo no sea intuitivo. Hay un viejo experimento soviético donde las personas vivían dentro de una centrífuga por un tiempo, en la película (no he encontrado esto en línea, está en el documental de la BBC ' Cosmonautas: cómo Rusia ganó la carrera espacial ') puedes verlos tambalearse y tambalearse un pasillo como si estuvieran borrachos. En otro segmento, alguien lanza dardos a una diana, con los dardos volando en un arco horizontal de 90º.

• en una centrífuga pequeña, hay una diferencia significativa en los niveles de gravedad entre la cabeza y los pies, lo que nuevamente hace que el movimiento dentro de este módulo no sea intuitivo.

• si usa el módulo centrífugo solo para dormir, los astronautas deben acostumbrarse a 0 G todas las mañanas. Esto significaría que adaptarse completamente a 0 G (toma alrededor de 2 semanas en la situación actual) lleva mucho más tiempo y se pierde un tiempo valioso debido al mareo espacial.

Ofrecido como apéndice: se planeó un módulo centrífugo para la ISS y se construyó parcialmente. Su centrífuga era para experimentos científicos, aunque no para dormir. Los problemas de presupuesto lo condenaron y ahora se encuentra en un estacionamiento en Japón.

Fuente

última imagen de aquí

Me gustaría agregar las palabras de Chris Hadfield sobre esto, del apéndice de preguntas frecuentes de su libro La guía de un astronauta para la vida en la Tierra :

¿Es cómodo dormir en la ISS?

Es un tipo completamente nuevo de comodidad para dormir en ingravidez. Incluso en el colchón Earth más caro, de vez en cuando tiene que darse la vuelta o ajustar la almohada. En órbita, puedes relajar todos los músculos de tu cuerpo. A la hora de acostarse, flota en su saco de dormir (que está amarrado a la pared con un par de cordones de zapatos), abrocha la cremallera larga y apaga la luz. Debido a que no existe el efecto de la gravedad empujándolo hacia su colchón, usted está perfectamente relajado y todo su cuerpo puede volverse deliciosamente flácido. Las articulaciones de los brazos y las piernas se doblan un poco y flotan hacia arriba, el cuello se hunde hacia delante como un pasajero durmiendo la siesta en un avión; cada músculo descansa. Puedes sentir el pulso lento de los latidos de tu corazón, moviéndolos levemente contra la nada. Cuando los viajes espaciales finalmente se vuelvan lo suficientemente económicos,

^{Chris Hadfield. La guía de un astronauta para la vida en la tierra. --- Pan Books Ltd. 2015}

Entonces, los astronautas probablemente votarían por dormir en 0 G.

Una estructura giratoria lo suficientemente grande para lograr eso sería voluminosa, pesada y requeriría mucha energía para operar.

El espacio, la masa y la potencia tienen una gran importancia en las naves espaciales y las estaciones espaciales como la ISS, por lo que una cama centrífuga no está ni remotamente dentro del presupuesto.

No hay motivo para hacer esto en los dormitorios, ya que estar acostado en la cama con la gravedad normal de la Tierra no reduce los efectos de la ingravidez en el cuerpo humano; de hecho, se ha utilizado en múltiples experimentos para estudiar los efectos de la ingravidez en el cuerpo humano. Pérdida ósea y muscular:

En una revisión reciente de los estudios de reposo en cama de los últimos 20 años, se concluyó que el reposo en cama con la cabeza hacia abajo ha demostrado su utilidad como modelo de simulación fiable para la mayoría de los efectos fisiológicos de los vuelos espaciales.

Simulación de la fisiología del espacio humano con reposo en cama

Entonces, la diferencia sería entre dormir en una cama nivelada y dormir con la cabeza unos grados hacia abajo. Sería mejor utilizar la gravedad centrífuga para las zonas donde los astronautas realizaban actividades de carga.

Incluso si un compartimento para dormir de 1 g fuera factible, lo que otras publicaciones han demostrado que no es así, los problemas de salud asociados con la microgravedad no se aliviarían. Dormir en plena gravedad pero trabajar y despertarse en microgravedad aún tendría efectos significativos para la salud.

En particular , todavía se produciría el agotamiento del calcio . Los esqueletos crecen en respuesta al estrés de compresión (en los huesos), que generalmente es causado por el peso, que es el efecto de la gravedad sobre la masa corporal. En la ISS, este estrés de compresión se simula con mucho ejercicio que, combinado con una dieta enriquecida con calcio y vitamina D, proporciona un elemento de compensación.

Hay muchos otros problemas de salud asociados con la microgravedad y solo me he centrado en uno para ilustrar el problema, pero muchos de los otros tampoco se resolverían con una cámara para dormir especialmente diseñada.

Una de las razones es que la rotación al tipo de velocidades prácticas en una nave espacial causaría náuseas y mareos, si no vómitos. No propicio para el descanso. Asimismo, la maquinaria rotatoria ocasionaría un gran número de riesgos de diversa índole, y la necesidad de un programa de mantenimiento. Cuanto más pienso en esto, más razones se me ocurren.

Una estación espacial giratoria, o una con una galería giratoria, es práctica, si es lo suficientemente grande como para que la velocidad de rotación no provoque náuseas (después de todo, eso es lo que es la Tierra).