Miért nincs még mesterséges gravitációs űrhajónk?

A filmekben egyszerű. Az űrhajó elindul, a kapitány végigsétál a folyosón, a pohárban áll a kávé, a legénység pedig úgy él, mintha egy földi irodaházban dolgozna, csak az ablakon túl csillagok vannak. A valóságban azonban a mesterséges gravitáció nem egy kapcsoló, amelyet fel lehet kattintani. Inkább egy mérnöki rémálom, amelyben fizika, emberi biológia, költségvetés és űrhajótervezés ütközik egymással.

Az emberiség eddig nem azért nem épített mesterséges gravitációval működő űrhajót, mert ne ismerné az alapelvet. Sőt, az ötlet egyszerűbb, mint gondolnánk: ha egy űrhajó vagy annak egy része forog, a benne tartózkodó ember a külső fal felé „nyomódik”. Ez nem valódi gravitáció, hanem centrifugális gyorsulás, de a test számára bizonyos szempontból nagyon is hasonlónak tűnhet. A padló nyomja a talpat, a vér újra „lefelé” akar áramlani, az izmoknak és csontoknak ismét dolgozniuk kell.

A gond az, hogy ami egy fizikai képletben elegáns, az egy űrhajóban brutálisan nehéz.

A gravitációt nem gyártani, hanem utánozni tudjuk

A sci-fi gyakran úgy képzeli el a mesterséges gravitációt, mintha az űrhajó padlója valamilyen ismeretlen technológiával vonzaná az embereket. Ilyen „gravitációs lemezünk” nincs. A jelenleg ismert fizika alapján két életszerű mód van arra, hogy az űrben súlyérzetet hozzunk létre.

Az egyik a folyamatos gyorsítás. Ha egy űrhajó tartósan 1 g-vel gyorsulna, az utasok úgy éreznék, mintha a Földön állnának. Csakhogy ehhez elképesztő mennyiségű üzemanyag és energia kellene. A mai rakétákkal ez hosszú távon nem reális.

A másik a forgás. Egy hatalmas kerék, gyűrű vagy két egymáshoz kötött modul foroghatna az űrben, és a forgás hozná létre a mesterséges „lefelét”. Ez már ma is érthető, megtervezhető, sőt kísérleti szinten kipróbálható lenne. De emberes, hosszú távú űrhajóként még nem jutottunk el odáig.

Miért kellene óriási űrhajó?

A fő ellenség a méret. Ha egy kis kabint pörgetünk gyorsan, az ember könnyen rosszul lesz. A fej és a láb között eltérő lesz a mesterséges gravitáció, a test mozgatásakor furcsa erők jelentkeznek, és a belső fül, amely az egyensúlyt érzékeli, olyan jeleket kap, amelyekhez nem szokott hozzá.

Minél nagyobb a forgó szerkezet sugara, annál lassabban kell pörögnie ugyanahhoz a gravitációs hatáshoz. Ezért a kényelmes mesterséges gravitációhoz nem egy kis kapszula kellene, hanem egy nagy átmérőjű szerkezet: forgó gyűrű, hosszú rúd két lakómodullal a végén, vagy több száz méteres kábelrendszer.

És itt kezdődik a gond. Egy ilyen rendszer nehéz. Drága. Nehéz fellőni. Nehéz összeszerelni. Nehéz irányítani. Ha forog, bonyolultabb dokkolni hozzá. Ha csak egy része forog, csapágyakra, átvezetésekre, kábelekre, levegő- és vízrendszerekre van szükség a forgó és nem forgó részek között. Ha az egész űrhajó forog, akkor a napelemek, antennák, hajtóművek és navigációs rendszerek tervezése válik nehezebbé.

Az űrhajómérnökök egyik legfontosabb szabálya: ami mozog, az elromolhat. Ami forog, az még többféleképpen romolhat el.

A Coriolis-probléma: amikor a fejed más világban jár, mint a lábad

A forgó űrhajóban nemcsak „lefelé” lenne. Oldalirányú, szokatlan erők is megjelennének, főleg akkor, amikor az ember elfordítja a fejét, lehajol, feláll, sétál vagy gyorsan nyúl valamiért. Ezeket Coriolis-hatásoknak nevezzük.

Képzeljük el, hogy egy forgó űrhajóban állunk. Ha felemeljük a karunkat, a mozdulat nem pontosan úgy érződik, mint a Földön. Ha gyorsan elfordítjuk a fejünket, a belső fül azt jelezheti: valami nincs rendben. A szem mást lát, az izmok mást éreznek, az egyensúlyszerv megint mást üzen. Az eredmény lehet hányinger, szédülés, dezorientáció.

Az emberi agy ugyan alkalmazkodóképes. Valószínű, hogy bizonyos forgási sebességhez hozzá lehetne szokni. De nem mindegy, mennyire gyors a forgás, mekkora az űrhajó, mennyi időt tölt benne az ember, és milyen feladatokat kell közben elvégeznie. Egy turista talán elvisel némi kellemetlenséget. Egy Mars felé tartó legénységnek viszont vészhelyzetben is pontosan kell mozognia, szerelnie, dönteni.

Mi történik a testtel súlytalanságban?

A mesterséges gravitáció azért fontos kérdés, mert a súlytalanság nem pihenés a test számára, hanem lassú átépítés.

A csontok a Földön folyamatos terhelést kapnak. Minden lépés, minden állás, minden emelés jelzi a szervezetnek: ezekre a csontokra szükség van. Súlytalanságban ez a jel gyengül. A csontállomány ritkulni kezd. Az izmokkal ugyanez történik: ha nem kell megtartani a testet, nem kell lépcsőzni, nem kell a gravitáció ellen dolgozni, akkor a szervezet takarékoskodik, és leépít.

A keringési rendszer is átáll. A Földön a szívnek a gravitáció ellen kell vért juttatnia az agyba. Az űrben a folyadékok inkább a felsőtest és a fej felé tolódnak. Az arc puffadtabb lehet, a lábak vékonyabbnak tűnhetnek, a szemre nehezedő nyomás és a látásváltozások is problémát jelenthetnek. A belső fül elveszíti a megszokott „lefelét”, ezért az első napokban sok űrhajós űrbetegséget tapasztal.

A visszatérés sem egyszerű. Hosszabb küldetés után a testnek újra meg kell tanulnia állni, járni, vérnyomást szabályozni. Egy Mars-utazásnál ez különösen kellemetlen lenne: az űrhajósok hónapokig tartó súlytalanság után nem egy mentőcsapat karjaiba érkeznének, hanem egy idegen bolygó felszínére, ahol azonnal dolgozniuk kellene.

Megoldaná mindezt a mesterséges gravitáció?

Részben valószínűleg igen. Ezért kutatják komolyan. Ha a test minden nap kapna gravitációs terhelést, az segíthetne a csontok, izmok, keringés és egyensúlyrendszer megőrzésében. A mesterséges gravitáció különösen vonzó ötlet, mert nem egyetlen problémát céloz, mint egy gyógyszer vagy edzőgép, hanem egyszerre több szervrendszerre hatna.

De a kérdés még mindig nyitott: mennyi gravitáció kell? Földi 1 g? Mars-szerű 0,38 g? Elég napi egy-két óra centrifuga, vagy folyamatos mesterséges gravitáció kellene? Lehet-e közben edzeni? Aludni? Dolgozni? Milyen gyors forgást bír az ember hosszú távon? Mekkora gravitációkülönbség engedhető meg a fej és a láb között?

Ezekre még nincs teljes válasz.

Miért nincs ilyen az ISS-en?

A Nemzetközi Űrállomás önmagában is hatalmas mérnöki teljesítmény, mégsem forgó állomás. Ennek oka részben történelmi, részben praktikus. Az ISS-t mikrogravitációs laboratóriumnak tervezték. Sok kísérletnek éppen az a lényege, hogy nincs gravitációs ülepedés, nincs felhajtóerő, nincs hagyományos konvekció.

Egy forgó állomás vagy forgó modul rengeteg bonyodalmat hozna. Rezgéseket keltene, zavarná a méréseket, nehezítené a dokkolást és az állomás vezérlését. Ráadásul az ISS-en már működik egy másik stratégia: az űrhajósok naponta hosszú ideig edzenek futópadon, kerékpáron és ellenállásos edzőgépen. Ez nem tökéletes gravitációpótlék, de működő, bevált kompromisszum.

A nagy űrhajó luxusa

Egy mesterséges gravitációs Mars-hajó legnagyobb akadálya talán nem is a fizika, hanem a gazdaságosság. Az emberes űrrepülésben minden kilogramm számít. Ha egy forgó szerkezet miatt több tartószerkezet, nagyobb tér, erősebb csatlakozás, összetettebb vezérlés és redundáns biztonsági rendszer kell, az minden mástól veszi el a tömeget: üzemanyagtól, sugárzásvédelemtől, élelemtől, tudományos műszerektől, tartalék alkatrészektől.

A mérnökök ezért mindig mérlegelnek. Mi a kisebb kockázat: egy nagy, bonyolult forgó űrhajó, amely csökkentheti az egészségügyi károkat, vagy egy egyszerűbb, nem forgó űrhajó, amelyben edzéssel, gyógyszerekkel, táplálkozással és egyéb ellenintézkedésekkel próbálják megóvni a legénységet?

Eddig a második megoldás győzött.

Akkor soha nem lesz?

Dehogynem lehet. Valószínűleg nem úgy jelenik majd meg, ahogy a filmekben látjuk. Nem biztos, hogy az első mesterséges gravitációs űrhajó elegáns, hatalmas, forgó luxuskerék lesz. Lehet, hogy először csak egy rövid karú centrifuga kerül egy űrállomásra, amelyben az űrhajósok naponta egy ideig “gravitációfürdőt” kapnak. Lehet, hogy egy Mars-hajó két modult köt össze hosszú kábellel, és az egész rendszer lassan forog. Lehet, hogy először nem 1 g-t céloznak, hanem csak annyit, amennyi biológiailag már hasznos.

A mesterséges gravitáció tehát nem lehetetlen. Inkább arról van szó, hogy még nem tudjuk pontosan, milyen formában éri meg beépíteni. Az emberi test vágyik a lefelére, de az űrhajó minden grammért és minden mozgó alkatrészért büntet.

A jövő mélyűri hajója talán nem azért lesz lenyűgöző, mert fénysebességgel száguld, hanem mert visszaadja az embernek a legegyszerűbb földi élményt: hogy van padló, van testsúly, és a kávé nem gömbként lebeg ki a csészéből.

A háttértényekhez: a NASA szerint mikrogravitációban a teherviselő csontok havi átlagban körülbelül 1–1,5% ásványianyag-sűrűséget veszíthetnek, az izmok gyorsabban sorvadnak, a testfolyadékok a fej felé tolódnak, és látási, vesekő-, vérnyomás- és egyensúlyi problémák is felmerülhetnek. A NASA ISS-kutatási összefoglalója szerint az űrállomáson az űrhajósok átlagosan napi két órát edzenek, mert a mikrogravitációban a csont- és izomterhelés hiánya jelentős ellenintézkedéseket kíván.

A mesterséges gravitációról szóló NASA Evidence Report szerint a forgó űrhajó vagy fedélzeti centrifuga ígéretes, több szervrendszerre ható ellenintézkedés lehet, de az űrbeli tapasztalat korlátozott, és még meg kell határozni az optimális gravitációs szintet, forgási rátát, időtartamot és gyakoriságot. Az ESA szintén úgy fogalmaz, hogy az emberi centrifugával létrehozott mesterséges gravitáció és a testmozgás kombinációja lehetséges út a hosszú űrküldetések egészségügyi kockázatainak mérséklésére, de nincs még egyetértés az ideális edzésprotokollról.