Plaats een persoon in de ruimte, weg van de zwaartekrachtverbindingen van het aardoppervlak, en hij zal gewichtloosheid voelen. Hoewel alle massa's van het universum nog steeds zwaartekracht op hem inwerken, zullen ze ook elk ruimtevaartuig aantrekken waarin de persoon zich bevindt, zodat hij zal zweven. En toch werd ons op tv getoond dat de bemanning van een bepaald ruimtevaartuig onder alle omstandigheden met succes met hun voeten over de vloer loopt. Hiervoor wordt kunstmatige zwaartekracht gebruikt, gecreëerd door installaties aan boord van een fantastisch schip. Hoe dicht ligt dit bij echte wetenschap?
Kapitein Gabriel Lorca op de Discovery-brug tijdens een gesimuleerd gevecht met de Klingons. De hele bemanning wordt aangetrokken door kunstmatige zwaartekracht, en dit is als het ware een kanon
Met betrekking tot de zwaartekracht was Einsteins grote ontdekking het principe van gelijkwaardigheid: met een uniforme versnelling is het referentiekader niet te onderscheiden van het zwaartekrachtveld. Als je op een raket zat en het universum niet door een raam zou kunnen zien, zou je geen idee hebben wat er aan de hand is: word je naar beneden getrokken door de zwaartekracht of de versnelling van de raket in een bepaalde richting? Dit was het idee dat leidde tot de algemene relativiteitstheorie. 100 jaar later is dit de meest nauwkeurige beschrijving van zwaartekracht en versnelling die we kennen.
Het identieke gedrag van een bal die de grond raakt in een raket tijdens de vlucht (links) en op aarde (rechts) toont het gelijkwaardigheidsprincipe van Einstein aan
Er is nog een truc, zegt Ethan Siegel, die we kunnen gebruiken als we dat willen: we kunnen het ruimteschip laten draaien. In plaats van lineaire versnelling (zoals de stuwkracht van een raket), kan centripetale versnelling aan het werk worden gezet, zodat de persoon aan boord kan voelen dat de buitenromp van het ruimtevaartuig het naar het midden duwt. Dit was de truc die werd gebruikt in 2001 A Space Odyssey, en als je ruimtevaartuig groot genoeg was, zou kunstmatige zwaartekracht niet te onderscheiden zijn van echte zwaartekracht.
Slechts één maar. Deze drie soorten versnelling - gravitatie, lineair en rotatie - zijn de enige die we kunnen gebruiken om de effecten van de zwaartekracht te simuleren. En dit is een enorm probleem voor het ruimtevaartuig.
Het concept van het station uit 1969, dat in een baan om de aarde zou worden geassembleerd vanuit de gebruikte fasen van het Apollo-programma. Het station moest om zijn centrale as draaien om kunstmatige zwaartekracht te creëren
Waarom? Omdat als je naar een ander sterrensysteem wilt reizen, je je schip moet versnellen om daar te komen en het vervolgens moet vertragen bij aankomst. Als u zich niet van deze versnellingen kunt isoleren, wacht u een ramp. Om bijvoorbeeld in Star Trek tot volledige impuls te accelereren, tot een paar procent van de lichtsnelheid, zou je een versnelling van 4000 g moeten ervaren. Dit is 100 keer de versnelling die de bloedstroom in het lichaam begint te belemmeren.
Promotie video:
De lancering van Space Shuttle Columbia in 1992 vertoonde een versnelling over een lange periode. De versnelling van het ruimtevaartuig zal vele malen hoger zijn en het menselijk lichaam zal het niet aankunnen.
Als u tijdens een lange reis niet gewichtloos wilt zijn - om uzelf niet bloot te stellen aan afschuwelijke biologische slijtage, zoals verlies van spier- en botmassa - moet het lichaam constant aan kracht worden blootgesteld. Voor elke andere kracht is dit vrij eenvoudig te doen. Bij elektromagnetisme zou men bijvoorbeeld de bemanning in een geleidende cockpit kunnen plaatsen en zouden veel externe elektrische velden eenvoudigweg verdwijnen. Het zou mogelijk zijn om twee parallelle platen binnenin te plaatsen en een constant elektrisch veld te krijgen, waardoor de ladingen in een bepaalde richting worden geduwd.
Als de zwaartekracht op dezelfde manier werkte.
Zo'n concept als een zwaartekrachtgeleider bestaat eenvoudigweg niet, evenals het vermogen om zichzelf te beschermen tegen zwaartekracht. Het is onmogelijk om een uniform zwaartekrachtveld te creëren in een gebied in de ruimte, bijvoorbeeld tussen twee platen. Waarom? Omdat er in tegenstelling tot de elektrische kracht die wordt opgewekt door positieve en negatieve ladingen, er maar één type gravitatielading is, en dat is massa-energie. Zwaartekracht trekt altijd aan, en je kunt je er nergens voor verbergen. U kunt slechts drie soorten versnelling gebruiken: zwaartekracht, lineair en roterend.
De overgrote meerderheid van quarks en leptonen in het heelal bestaat uit materie, maar elk van hen heeft ook antideeltjes van antimaterie, waarvan de zwaartekrachtmassa's niet bepaald zijn.
De enige manier waarop kunstmatige zwaartekracht kan worden gecreëerd die u zou beschermen tegen de effecten van de versnelling van uw schip en u een constante neerwaartse stuwkracht zou bieden zonder versnelling, zou beschikbaar zijn als u deeltjes met een negatieve zwaartekrachtmassa ontdekt. Alle deeltjes en antideeltjes die we tot nu toe hebben gevonden, hebben een positieve massa, maar deze massa's zijn traag, dat wil zeggen dat ze alleen kunnen worden beoordeeld wanneer een deeltje wordt gecreëerd of versneld. Traagheidsmassa en zwaartekrachtmassa zijn hetzelfde voor alle deeltjes die we kennen, maar we hebben ons idee nooit getest op antimaterie of antideeltjes.
Op dit specifieke onderdeel worden momenteel experimenten uitgevoerd. Het ALPHA-experiment bij CERN heeft antiwaterstof gecreëerd: een stabiele vorm van neutrale antimaterie, en werkt eraan om het te isoleren van alle andere deeltjes. Als het experiment gevoelig genoeg is, kunnen we meten hoe een antideeltje een zwaartekrachtveld raakt. Als het naar beneden valt, zoals gewone materie, heeft het een positieve zwaartekrachtmassa en kan het worden gebruikt om een zwaartekrachtgeleider te bouwen. Als het in het zwaartekrachtveld valt, verandert het alles. Eén resultaat, en kunstmatige zwaartekracht kan plotseling mogelijk worden.
De mogelijkheid om kunstmatige zwaartekracht te verkrijgen, wenkt ons ongelooflijk, maar het is gebaseerd op het bestaan van negatieve zwaartekracht. Antimaterie is misschien zo enorm, maar we hebben het nog niet bewezen
Als antimaterie een negatieve zwaartekrachtmassa heeft, kunnen we door een veld van gewone materie en een plafond van antimaterie te creëren een kunstmatig zwaartekrachtveld creëren dat je altijd naar beneden trekt. Door een zwaartekrachtgeleidende schaal te creëren in de vorm van de romp van ons ruimtevaartuig, zouden we de bemanning beschermen tegen ultrasnelle versnellingskrachten die anders dodelijk zouden worden. En het beste van alles is dat mensen in de ruimte niet langer de negatieve fysiologische effecten ervaren die astronauten tegenwoordig teisteren. Maar totdat we een deeltje met een negatieve zwaartekrachtmassa vinden, wordt kunstmatige zwaartekracht alleen verkregen door versnelling.
Ilya Khel