Chiudete gli occhi e senza pensarci troppo visualizzate mentalmente alcune immagini di stazioni orbitali.Sono pronto a scommetere che la terza o la quarta sarà una stazione a forma di ruota,simile a quella del film 2001 odissea nello spazio.Fin dagli esordi dell’astronautica,quando nessun satellite artificiale aveva ancora solcato gli spazi,e gli esperti mostravano sulle riviste specializzate i disegni di ciò che sarebbe stato realizzato in un futuro più o meno prossimo, le stazioni orbitanti avevano la forma di una ruota per generare gravità artificiale a beneficio degli occupanti.Così era la stazione di Von Braun (ripresa da 2001),così vari altri concept tra cui nel 1961-62 la famosa stazione gonfiabile della Goodyear,antenata dei moduli bigelow di oggi.Vi chiedo di fare il punto della situazione su questo antico sogno rispondendo alle seguenti domande:1-Perchè una stazione a ruota in grado di generare gravità artificiale con la sua rotazione non è ancora stata realizzata? forse il concetto è superato? 2-E’ secondo voi tecnicamente fattibile e auspicabile? 3-Pensando alle stazioni del futuro con 50 o più di equipaggio,di quì a settant’anni,ritenete che saranno a ruota con gravità artificiale ,o che continueranno ad essere moduli a gravità zero?
1-Perchè una stazione a ruota in grado di generare gravità artificiale con la sua rotazione non è ancora stata realizzata? forse il concetto è superato?
Perchè le dimensioni necessarie per generare una gravità stabile e priva di spiacevoli effetti collaterali di “motion sickness” sono tali da non poter ancora affrontarne la costruzione (un grande raggio permette di imprimere una minore velocità di rotazione che, se eccessiva, causerebbe disorientamento spaziale sugli occupanti).
2-E' secondo voi tecnicamente fattibile e auspicabile?
In linea teorica forse è fattibile ma:
per costruirla con metodi tradizionali ci vorrebbe una famiglia tutta nuova di lanciatori che, di fatto, al momento non esistono;
la tecnologia dei moduli gonfiabili è ancora allo stato embrionale e prima di renderla affidabile e “human-rated” passeranno molti anni.
3-Pensando alle stazioni del futuro con 50 o più di equipaggio,di quì a settant'anni,ritenete che saranno a ruota con gravità artificiale ,o che continueranno ad essere moduli a gravità zero?
Di qui a 70 anni spero proprio di si. A quel punto l’accesso allo spazio (per lo meno in LEO) dovrebbe esere diventato routine per scienziati e ricercatori. Ma bisognerà trovare un compromesso perchè le stazioni abbiano sia zone a gravità artificiale sia a zero-g, perchè solamente in queste ultime si potrà beneficiare degli effetti della microgravità su esperimenti e (forse, un domani) della produzione di nuovi materiali e prodotti utili alla vita sulla Terra.
Alle motivazioni portate da Fabio che condivido, aggiungerei il solito annoso problema che affligge da sempre opere di questo genere: i costi.
Sul piano puramente tecnico, per la realizzazione di tali opere è sicuramente necessaria una tecnologia ancora oggi inesistente (o comunque necessita di un lungo periodo di test). Ritengo poi che sia necessario anche un bel balzo avanti a livello mentale, un “breaktrough” tale che spinga gli uomini a lavorare insieme per uno scopo comune; sto parlando di opere come quelle prospettate da O’Neill, per intenderci, immense e densamente popolate.
Ragionando più in piccolo, credo che tra 70 anni stazioni spaziali simili possano effettivamente essere già in opera in orbita terrestre e forse, speriamo, anche attorno al nostro satellite.
Un mio piccolo pensiero, forse un po’ ot, prendendo spunto dal mal di spazio che mi ha fatto venire in mente il mal di mare. Nonostante in passato si sia fantasticato di “capsule” sottomarine, strabilianti citta’ sotto il mare, alla fine il mare stesso e’ sempre stato solo la “strada” per raggiungere una nuova frontiera (colonne d’ercole, l’America…). Io tra 70 anni vedo l’uomo viaggiare nello spazio per approdare e rimanere da qualche altra parte: marte? Almeno questo e’ il mio piccolo sogno
Bell’argomento!
Io farei un passo indietro: strutture come quelle a ruota sono a mio parere evidentemente destinate alla permanenza umana: ricreando le condizioni di gravità terrestre, non si avrebbe la situazione di microgravità che è il fulcro di molti esperimenti scientifici condotti in orbita.
E allora a quel punto mi sovvengono alcune considerazioni, qui esposte in ordine non casuale:
a) Una stazione praticamente ad uso “albergo”: per chi e perchè?
b) Come hanno già detto gli altri, per costruire una stazione a ruota ci sarebbero da affrontare problematiche strutturali, tecnologiche e di trasporto di non indifferenti;
c) Unica motivazione razionale attuale per avere una struttura del genere potrebbe essere quella di testare la tecnologia al fine di integrarla in navi spaziali per lunghi viaggi (tipo “Mission To Mars” di B. De Palma)
d) Dipendesse da me, partirei di corsa con le strutture “inflatable” (gonfiabili), non solo per i toroidi ma anche per i moduli pressurizzati destinati alle stazioni non rotazionali.
c) Unica motivazione razionale attuale per avere una struttura del genere potrebbe essere quella di testare la tecnologia al fine di integrarla in navi spaziali per lunghi viaggi (tipo "Mission To Mars" di B. De Palma)
Credo anche io che oggi la priorità(per non dire l’urgenza), nello sviluppo di una tecnologia del genere, sia proprio questa.
In vista anche della teoricamente pianificata(e non lontanissima) missione verso marte, una soluzione del genere sarebbe indispensabile.
Quali sarebbero le problematiche tecniche nell utilizzo di essa in una futura missione, come appunto quella verso marte per esempio?
Più che il mal di spazio vero e prorio, che già di per se non è il massimo ma dopo qualche giorno passa, avevo letto, non so più dove, che uno dei problemi fisiologici più grandi è, che in strutture del genere, la velocità angolare deve essere sostenuta e la forza di Coriolis generata sarebbe molto elevata, capace di disorientare parecchio e di non permettere una vita “normale”, del genere, faccio un passo avanti e mi ritrovo spostato di altrettanto sul lato…
Avevo fatto anche un calcolo… e per avere gravità a 1/2g e forze “sopportabili” veniva fuori un raggio di parecchi km…
Più che il mal di spazio vero e prorio, che già di per se non è il massimo ma dopo qualche giorno passa, avevo letto, non so più dove, che uno dei problemi fisiologici più grandi è, che in strutture del genere, la velocità angolare deve essere sostenuta e la forza di Coriolis generata sarebbe molto elevata, capace di disorientare parecchio e di non permettere una vita "normale", del genere, faccio un passo avanti e mi ritrovo spostato di altrettanto sul lato...
Avevo fatto anche un calcolo... e per avere gravità a 1/2g e forze "sopportabili" veniva fuori un raggio di parecchi km...
Esattamente. E la stessa forza di Coriolis, se ricordo bene, agirebbe anche sui canali semicircolari dell’orecchio interno (i nostri “sensori” di movimento), causando disorientamento, ad esempio, ad ogni movimento un pò più brusco del capo, anche se, per assurdo, la stazione fosse priva di finestre e quindi non percepissimo visivamente il movimento rotatorio.
In realtà la “ruota spaziale” non è l’unico sistema per generare gravità su una stazione spaziale.Nel 1982 il professor Colombo aveva presentato all NASA il progetto LOSC (Low Orbit Space Center).Questo progetto prevedeva che ad una altezza di 450 km vi fossero 2 piattaforme collegate tra di loro da sei otto cavi di 20 Km (costituiti da una corda intrecciata di kevlar protetta dalle radiazioni ultraviolette e con un diametro di mezzo centimetro).La ragione per cui i due piani dovevano stare a quota differente è che,fra questi, vincolati a stare letteralmente legati insieme ma che procedono nel loro moto a velocità orbitali differenti, si genera nella piattaforma inferiore una condizione di gravità (22% di gravità terrestre).Nella piattaforma inferioreci sarebbero stati i locali abitativi degli astronauti,mentre la piattaforma superiore servirebbe per svolgere gli esperimenti.Gli spostamenti tra le due piattaforme sarebbe avvenuto con una minipiattaforma ascensore che si sposta lungo i cavi.Interessante notare come le navette raggiungendo la piattaforma più che “agganciarsi” avrebbero dovuto atterrare su questa.
Questa configurazione eliminerebbe (credo) il problema del mal di spazio dovuto alla rotazione della “ruota”.Probabilmente la maggiore incognita al tempo (ma ancora adesso) è la resistenza dei cavi (credo tra l’altro che avrebbero contribuito alla generazione di potenza elettrica della stazione).
Un’ottima ragione per avere una gravità artificiale è costituita dal fatto che permanenze prolungate nello spazio provocano problemi gravi ai muscoli, alle ossa e al sistema circolatorio.
Gli esperimenti in regime di microgravità verrebbero eseguiti in un vano posto sull’asse della stazione.
Un’altra ragione che rende utile la gravità è la pulizia della stazione : i detriti cadono sul fondo, non galleggiano più nell’aria.
E in generale il movimento delle persone è molto più facilitato.
Un’altro vantaggio della rotazione è che può aiutare a ridistribuire i carichi termici sulla superficie (come il famoso girarrosto dell’Apollo).
Ho provato a fare qualche calcolo che ho sintetizato nel grafico che allego.
asse y : i giri al minuto
asse x : il raggio in metri
Risulta che per ottenere una gravità terrestre una stazione di 9 metri di raggio deve ruotare a 10 giri al minuto, mentre una di 25 metri a 6 giri.
Sono giusti questi calcoli?
Una stazione di 25 metri di raggio offrirebbe un vano abitabile di 150 metri di lunghezza.
Un problema della struttura rotante è che deve essere bilanciata prima di essere messa in rotazione.
E quando è in rotazione non si possono spostare le masse al suo interno, altrimenti si sbilancia e la rotazione diviene eccentrica.
Pertanto è necessario sviluppare un sistema che permetta di ribilanciare dinamicamente lo squilibrio indotto dai movimenti interni alla stazione.
Attualmente ho diverse idee, una più improbabile dell’altra … devo ancora pensarci sù.
Una volta in rotazione, la stazione non può più essere fermata : richiederebbe troppo propellente.
Quando attracca una navicella (col metodo 2001 : odissea nello spazio) e dei carichi sono spostati nel toro, la velocità di rotazione diminuisce.
Al contrario aumenta quando dei carichi sono spostati dal toro nella navicella.
Quindi è opportuno che la massa entrante e quella uscente dalla stazione siano pressochè uguali.
Altrimenti per ristabilire la giusta gravità, ossia la giusta velocità di rotazione, si dovrebbe ricorrere ai propulsori con conseguente consumo di propellente.
Ottimo intervento Mustela erminea.Se facciamo riferimento ad una stazione come quella di 2001 penso che la differenza di massa tra la navetta e la stazione sia sufficiente a nn far variare considerevolmente la velocità rotazionale (altro discorso se il rapporto tra la massa della stazione e quella della navetta fosse basso).I sistemi che possono bilanciare una stazione sono molti vedi per esempio i satelliti a filo (teoricamente).Cmq ne so ancora troppo poco di meccanica razionale per avere anche un barlume d’idea.
Un'ottima ragione per avere una gravità artificiale è costituita dal fatto che permanenze prolungate nello spazio provocano problemi gravi ai muscoli, alle ossa e al sistema circolatorio.
Ottima osservazione. Questa è senza dubbio di fondamentale importanza se si pensa di realizzare stazioni orbitali e di farvi abitare per lunghi periodi (anni) degli uomini. Direi che è tutto l’aspetto della fisiologia umana che andrebbe preso in considerazione.
Live Long And Prosper
Quindi se verso Marte volessimo andare con una nave che abbia più o meno le dimensione della stazione Skylab per ricreare una gravità sufficiente la si dovrebbe far ruotare di minimo 13 giri al minuto…
Sempre in campo di idee al volo, mi stavo chiedendo come e quanto la forza giroscopica generata dalla sezione rotante influisca sull’assetto dell’oggetto in questione: questa forza non renderebbe più difficoltose le manovre, oppure non tenderebbe ad allineare la stazione o la nave spaziale lungo l’asse di rotazione stesso?
Quest’ultimo effetto non sarebbe indesiderabile magari per le stazioni spaziali, in quanto ne stabilizzerebbe l’orientamento (ma nel senso voluto?), mentre lo vedo come un effetto indesiderabile per eventuali manovre di una nave spaziale.
Ragionando poi sull’eventuale consumo di carburante neecessario per frenare la rotazione, pensavo che potrebbe essere sperimentato, su scala maggiore, il sistema utilizzato su molti satelliti stabilizzati proprio con uno spin rotatorio: due “cordoni” estensibili ai due lati opposti del “cerchio”, che allungati al momento giusto darebbero luogo all’effetto “ballerina” rallentando lo spin.
Insomma, al momento gli svantaggi mi paiono superare i vantaggi…
Quindi se verso Marte volessimo andare con una nave che abbia più o meno le dimensione della stazione Skylab per ricreare una gravità sufficiente la si dovrebbe far ruotare di minimo 13 giri al minuto…
Peccato che sarebbe invivibile…
Ho fatto anche io due calcoli sulla forza di Coriolis, e questa è l’accelerazione che ne risulta:
Ac=2(wXv)
w=vel angolare
v=vel lineare
stazione di 9m X 10rpm ipotizzando una camminata di 1m/s
Ac=2(1X1,047)=2 [m/s^2] circa =1/5g Più della gravità lunare!!!
stazione di 25m X 6rpm
Ac=1.25 [m/s^2] = 1/8g
Provate ora ad immaginare di avere 1/5 o comunque una frazione misurabile di G, di accelerazione laterale, che però non è costante, se state fermi non c’è, appena vi muovete compare… rallentate e diminuisce, vi fermate e scompare… non penso sia semplice la convivenza…
Qui un pezzo tratto da un articolo sul sito di Newton:
Uno dei problemi più grandi legati alla possibilità di una missione umana su Marte è la sua durata (almeno tre anni) e i danni fisici che possono subire gli astronauti a causa dell'assenza di gravità. [...] La Nasa sta sperimentando sulla Terra una astronave rotante (o comunque una zona al suo interno) che produca una gravità artificiale. Ma i primi esperimenti sono stati devastanti per l'equipaggio, non abituato a tollerare brusche variazioni di gravità. La "mini-centrifuga" ideata nei laboratori del MIT ha proprio questo scopo: allenare il corpo a sopportare la "sindrome da adattamento nello spazio": i disturbi motori e i falsi stimoli sensoriali che gli astronauti provano sulla propria pelle ogni volta che passano da un ambiente a 0 G a uno con gravità artificiale. "Immaginate di essere distesi su un letto che pian piano comincia a ruotare a velocità costante", spiega Heiko Hecht, uno degli ideatori. "Provate a tenere la testa immobile, non sentirete alcun fastidio. Ora girate la testa: comincerete a sentire strani effetti, come se vi muoveste a spirale verso l'esterno. I vostri arti non risponderanno più e avrete come l'impressione di essere tirati in varie direzioni. È colpa delle forze di Coriolis e dei falsi segnali che arrivano dai canali dell'orecchio da cui dipende l'equilibrio. Bene, se foste degli astronauti dovreste imparare a muovervi, lavorare, mangiare e dormire in queste condizioni. Insomma questa sarebbe la vostra vita quotidiana, da alternare ai "voletti" da una parte all'altra dell'astronave nelle zone a gravità zero".
per evitare l’effetto della forza di Coriolis non si può fare altro che diminuire la velocità di rotazione.
Ma a questo punto per ottenere ancora la gravità terrestre si deve allungare il raggio della stazione.
Si potrebbe fare così : disegnare una stazione spaziale ad arco e bilancere.
La sezione abitata è un arco di toro.
La sezione disabitata è un bilancere.
Con la croce ho indicato in centro di massa, attorno al quale il complesso ruota lentamente.
C’è una coppia di cavi di collegamento lunghi qualche chilometro.
Mentre un cavo teleferico (indicato a tratteggio) collega la sezione abitata e il bilancere al centro di massa dove attraccano le navicelle per i rifornimenti.
Il bilancere potrebbe non essere una semplice massa inerte, ma un punto sul quale attaccare i pannelli solari.
(principalmente nausee e vomito…)
