Gravità artificiale su navicelle/moduli spaziali

[Dyavel]

Questa è la navicella del film "Mission to Mars".
Nel film il modulo cilindrico posto dietro la "punta" ruotava creando una gravità artificiale. Sarebbe fattibile creare una gravità artificiale tramite rotazione come in questo caso?
In caso, se l'astronauta si spostasse dal cilindro in rotazione alla punta della nave (fissa, dove potrebbe trovarsi il flight deck) uscirebbe dalla zona sottoposta a gravità? In poche parole nel cilindro che ruota c'è la gravità e nella punta no sarebbe possibile questo passaggio tra i due ambienti?
In alternativa sono stati ipotizzati (dire sviluppati penso sia impossibile) o progettati a livello teorico altri dispositivi per la creazione di gravità artificiale (senza rotazione), come ad esempio nei più comuni film di fantascienza dove gli equipaggi camminano tranquillamente all'interno della propria nave?

Tutto questo serve solo a me come base scientifica da cui partire in quanto disegno fumetti di fantascienza.

Grazie.

 

[Fea]

Per quelle che sono le capacita' tecnologiche contemporanee o previste di qui a vent'anni, l'unico modo vagamente fattibile di simulare la gravita' e' quello di pensare ad un sistema rotante.

All'atto pratico passare dalla zona a gravita' simulata (cioe' il disco rotante) ad una zona ad accelerazione nulla e' fisiologicamente fattibile, dovrebbe assomigliare un po' a salire e scendere dalle montagne russe ogni volta. Dal punto di vista del metabolismo non sarebbe il massimo, ma nel medio termine gli unici problemi dovrebbero essere nausea e problemi di digestione.


All'atto pratico un sistema del genere mi sembra pressoche' impossibile al giorno di oggi, il controllo di assetto di un corpo nello spazio e' dannatamente complesso e consuma energia (ruote di inerzia, cioe' volani) e risorse (carburante dei razzetti per controllo di assetto): avere una porzione di massa significativa (rispetto al totale) che ruota -velocemente, altrimenti simuli ben poco- significa introdurre degli sbilanciamenti enormi nel sistema.

Ma dal punto di vista della fantascienza e' ovviamente molto bello vedere l'anello rotante, per cui va bene cosi' ;)

 

[Dyavel]

Per quelle che sono le capacita' tecnologiche contemporanee o previste di qui a vent'anni, l'unico modo vagamente fattibile di simulare la gravita' e' quello di pensare ad un sistema rotante.

All'atto pratico passare dalla zona a gravita' simulata (cioe' il disco rotante) ad una zona ad accelerazione nulla e' fisiologicamente fattibile, dovrebbe assomigliare un po' a salire e scendere dalle montagne russe ogni volta. Dal punto di vista del metabolismo non sarebbe il massimo, ma nel medio termine gli unici problemi dovrebbero essere nausea e problemi di digestione.


All'atto pratico un sistema del genere mi sembra pressoche' impossibile al giorno di oggi, il controllo di assetto di un corpo nello spazio e' dannatamente complesso e consuma energia (ruote di inerzia, cioe' volani) e risorse (carburante dei razzetti per controllo di assetto): avere una porzione di massa significativa (rispetto al totale) che ruota -velocemente, altrimenti simuli ben poco- significa introdurre degli sbilanciamenti enormi nel sistema.

Ma dal punto di vista della fantascienza e' ovviamente molto bello vedere l'anello rotante, per cui va bene cosi' ;)

Se devo optare per la gravità prodotta da rotazione pensavo ad un veicolo con forma simile all'immagine che ho postato con la "punta" dove si troverebbe la cabina di pilotaggio (che pensavo di lasciarla fissa) dovrebbe avere dimensioni giuste per 4/5 persone, mentre la parte posteriore che ruota dovrebbe permettere una buona abitabilità (poi non so se la nave sarà cargo, sperimentale o da guerra). Per far spostare l'equipaggio tra le due zone avevo pensato ad una camera a tenuta d'aria; per evitare shock o problemi vari di passaggio tra i due ambienti pensavo che all'interno della stanza di passaggio si potrebbe sostare qualche minuto per potersi abituare, se si passa da gravità 0 a gravità, all'interno della stanza la gravità aumenta gradualmente fino ad arrivare al valore che permette di camminare e viceversa (in questo modo però bisogna organizzarsi a gruppi per passare, poi dipende da quante persone ci sono

).

Se no si punta ad un veicolo di forma tubolare con rotazione lungo l'asse di imbardata o di rollio (rotazione di tutto il veicolo), poi quando bisogna spostarsi il mezzo ritorna fisso e con gravità 0 all'interno.

Alla fine però la cosa più conveniente per me sarebbe inventare qualche generatore o sistema che produca gravità artificiale in qualche modo, per far stare la nave fissa e l'equipaggio che cammina normalmente al suolo, perchè vorrei fare anche navi che vanno fuori dalle strutture tubolari, a razzo o che siamo abituati a vedere nella realtà e puntare alle classiche astronavi dei film/videogiochi di fantascienza (esempi banali star wars, elysium, alien, dead space ecc.)
Il fatto è che io non voglio fare fantascemenza, la parte fantasy ci sta ma voglio partire da basi scientifiche concrete per non fare sembrare tutto magia.

 

[Fea]

Beh è semplice: il "simulatore di gravità" come in star trek o star wars è "assolutamente magia" per quello che sappiamo della fisica al momento.
Personalmente la finta gravità dei film non mi ha mai dato granché fastidio, così come i suoni dei laser nello spazio ecc ecc: lo guardo perché è un film, non pretendo che sia vero.

La nave che c'è in The Martian va benissimo per un concept di fantascienza "quasi scientifica", non hai bisogno di camere di compensazione o simili perché la gravità viene simulata con l'accelerazione centrifuga, la quale per un corpo rotante dipende dal raggio e al centro è praticamente nulla.

 

[Andretti60]

... La nave che c'è in The Martian va benissimo per un concept di fantascienza "quasi scientifica", non hai bisogno di camere di compensazione o simili perché la gravità viene simulata con l'accelerazione centrifuga, la quale per un corpo rotante dipende dal raggio e al centro è praticamente nulla.

Vero, ma non e' proprio "quasi" scientifica, e' "proprio" scientifica. L'astronave del romanzo (e film) The Martian e' possibile costruirla con la tecnologia che abbiamo adesso, l'unico problema sarebbe il costo che al momentto attuale per la Nasa e' un grosso problema visto che i suoi fondi sono tagliati da tutte le parti e devono fare l'impossibile per le loro missioni (tipo atterrare le sonde su Marte dotandole di air-bag). Redit ha ipotizzato un costo dell'ordine di grandezza di svariati centinaia di miliardi di dollari.

L'unica cosa non reale sono le dimensioni del cilindro ruotante. Per avere una gravita' paragonabile a quella terrestre il diametro dovrebbe essere parecchio piu' grande, ma cinematograficamente parlando l'astronave sarebbe risultata poco "estetica" e quindi si ha preferito farla piu' snella (in fondo e' un film).

Per vedere un'altra astronave con gravita' simulata mediante cilindro ruotante ricordo il famoso 2001 Odissea nello Spazio .Per esempio questo video, a partire dal minuto 1:19 si vede come un astronauta accede dal centro al pavimento. Anche in questo caso il diamero del cilindro sarebbe comunque troppo piccolo.

Altro bel esempio di astronave rotante e' la famosissima Rama (sempre di Arthur C. Clarke)

Fisicamente parlando, un oggetto che ruota a velocita' angolare w alla distanza R dal centrto e' sottoposto a una accelerazionecentripeta pari a: (R * w* w)

 

[Fea]

Non esattamente Andretti: la nave di The Martian (o simili navi con lo stesso concetto) fa parte del bagaglio tecnologico attuale tanto quanto al tempo dei fratelli Wright ne facevano parte l'Airbus A380 o o il B2.

O, per chi magari si intende di altro, tra la tecnologia aerospaziale attuale e quella nave c'e' piu' o meno lo stesso salto che c'e' tra un treno a vapore e uno a levitazione magnetica.


Per scendere un po' piu' nei dettagli, oltre ai problemi tipici di lungo viaggio nello spazio (scorte, radiazioni, carburante, manutenzione) ci devi aggiungere:
1) lo spazio e' a ~4 K in ombra e ~380 K alla luce; tu devi realizzare un giunto rotante, senza attriti, e tenuta d'aria perfetta.
2) la nave accelera, frena, usa fionde gravitazionali... e il tuo giunto deve reggere.

3) ultimo ma piu' importante, pero' e' difficile da capire: hai una massa enorme che ruota come una trottola -> problemi di assetto, la tua nave inizia un moto di precessione (Conservazione del momento angolare e teorema di Larmor)



Provo a spiegare meglio il 3: avete presente quando per un'auto viene fatta l'equilibratura delle ruote?
Ecco immaginate di avere una moto anziche' un'auto (solo 2 ruote)
Poi togliete la ruota motrice della moto e la sostituite con un razzo
dopodiche' cambiate le proporzioni dei pezzi della moto: la ruota rimasta e' molto piu' grande e pesa almeno meta' del peso totale; e gira velocemente.

Ora, finche' la "moto" va per strada la questione e' ancora fattibile: il terreno e' a tutti gli effetti un vincolo e vi permette di scaricare e smorzare tante forze che altrimenti vi sbilancerebbero... ma la nostra moto vola!

Se volasse in aria, con un sistema di controllo eccellente (alette fisse e mobili come su un aereo) si potrebbe controllare in maniera stabile il "veicolo"... ma noi voliamo nello spazio, quindi non c'e' aria da sfruttare!
Tutto il controllo di assetto va quindi fatto con ruote di inerzia (o di reazione, in pratica dei volani) e razzetti.

E, ripeto, stiamo parlando di viaggi interplanetari, che e' molto piu' complesso. Non e' una cosa "fisicamente impossibile", ma al giorno d'oggi tecnologicamente non ci siamo vicini.

 

[Andretti60]

Caro Fea, quei problemi sono noti e si sa come risolverli. Per esempio sappiamo come equilibrare il moto di processione (lo facciamo con certe ventole a soffitto).
Ma dicendo che quella della navicella Hermes sia una tecnologia reale non voglio dire sia facilmente costruibile, su questo hai ragione. Per esempio abbiamo usato il motore a ioni per piccole sonde, ma non sappiamo ancora come costruirne uno così grosso per una astronave di quelle dimensioni. Sono però solo problemi tecnologici e non scientifici. Quando dicemmo negli anni sessanta di volere andare sulla luna non avevamo la minima idea di come costruire il razzo e il modulo lunare, ci abbiamo messo una decina di anni per farlo.

 

[Fea]

Si certo, sono pienamente d'accordo.

Però tu sei un fisico, non era a te che volevo spiegare la conservazione del momento angolare ;)

Per inciso: "si sa come risolverli" sì, per ora sulla scala di qualche tonnellata. Ma aumentare le dimensioni in campo meccanico in genere è una grossa rogna...

 

[Ciro_85]

Ciao, ho letto la vostra conversazione e l'ho trovata interessante.
C'è una cosa che però non capisco nel modello di una navicella con cilindro rotante: poiché la parte centrale non è fissata, come si fa a determinare che, all'attivarsi dei motori che permettono la rotazione, la parte che ruoti sia il cilindro esterno e non la parte centrale?

 

[Andretti60]

Ciao, ho letto la vostra conversazione e l'ho trovata interessante.
C'è una cosa che però non capisco nel modello di una navicella con cilindro rotante: poiché la parte centrale non è fissata, come si fa a determinare che, all'attivarsi dei motori che permettono la rotazione, la parte che ruoti sia il cilindro esterno e non la parte centrale?

Si usano getti tangenziali

 

[The_NightRider]

OT
Se penso che questo film,tra l'altro scientificamente accuratissimo, è del 1968 e quanto son brutti i film in computer grafica che fanno adesso viene male..
fine OT

La gravità artificiale è sempre stata una chimera della fantascienza,per ora l'unico modo è appunto imporre una rotazione per simularla.
Tra l'altro non esistono studi per quanto riguarda la sopravvivenza ad un regime continuo di gravità artificiale per lunghissimo periodi....non è una cosa facile da attuare,nonostante in decine di film si vedano stazioni spaziali rotanti o navi spaziali con moduli rotanti allo stato attuale ad esempio sulla stazione spaziale internazionale stanno a 0g.
Che io sappia l'unico modulo che se non sbaglio simulava la gravità era lo Skylab che essendo un grosso cilindro veniva fatto ruotare simulando appunto la gravità.
Ma si parla degli anni '70....

 

[The_NightRider]

Si usano getti tangenziali

Sai che forse non è necessario???
Nello spazio è sempre una questione relativa....è il cilindro a girare o il perno?
Non è solo una questione di punti di vista?
Non ne sono sicuro...tu che sei un fisico magari me la spieghi meglio :)

 

[Andretti60]

Non vorrei addentrarmi nel parlare della conservazione del momento angolare:)
No, c'è differenza se gira il perno o il cilindro, che si sia nello spazio non c'entra nulla. Lo vediamo nelle gabbie rotanti orizzontali nei parchi dei divertimenti, ci troviamo schiacciati al bordo solo se gira il cilindro, non il perno.

 

[Fea]

Ciao, ho letto la vostra conversazione e l'ho trovata interessante.
C'è una cosa che però non capisco nel modello di una navicella con cilindro rotante: poiché la parte centrale non è fissata, come si fa a determinare che, all'attivarsi dei motori che permettono la rotazione, la parte che ruoti sia il cilindro esterno e non la parte centrale?

Uno dei sottosistemi fondamentali di bordo fa proprio questo, si preoccupa che il sistema-satellite (o astronave) e tutte le sue sotto componenti (bracci mobili, antenne, pannelli solari, telescopi, etc.) puntino "dove devono puntare", si usa e proprio sistema di controllo attivo in anello chiuso che in gergo viene chiamato AOCS (attitude and orbit control system).

Controllo attivo vuol dire -semplificando molto- avere un insieme di sensori -> elaboratori -> attuatori, ad esempio:
- come sensori si usano accelerometri, giroscopi, veri e propri sensori di immagine (misurano l'orientamento rispetto alla volta celeste o rispetto al sole), e anche il GPS (al massimo in orbita geostazionaria)
- un elaboratore e' ovviamente quell'oggetto che fa i calcoli
- come attuatori ci sono i semplici razzetti, le ruote di inerzia (praticamente dei volani), in alcuni casi si possono anche usare sistemi magnetici (ad esempio elettrocalamite per orientare un satellite in orbita bassa rispetto al campo magnetico terrestre).


Come dici tu, in un sistema completamente passivo vale il principio di azione e reazione:

A - B

Diciamo che "A" e' un motore, il trattino al centro e' un perno, e "B" e' il resto del tuo satellite/astronave, che supponiamo sia in una condizione di equilibrio, ad esempio:
1) non trasla rispetto alle stelle fisse
E
2) non ruota rispetto alle stelle fisse

Quando accendo il motore, B iniziera' a girare in un certo verso ma, dovendosi conservare l'equilibrio iniziale, anche A iniziera' a girare e in verso opposto proprio per il principio di azione e reazione.
E quanto velocemente girano? Ecco, qui la cosa diventa complicata, perche' bisogna iniziare a specificare "chi gira rispetto a chi"; in breve dipende dall'inerzia rotazionale di A e di B (il piu' "leggero" girera' piu' velocemente).

In un satellite o astronave invece interviene l'AOCS e fa si' che giri solo cio' che deve girare per quella fase di missione.

 

[Fea]

[...]
Che io sappia l'unico modulo che se non sbaglio simulava la gravità era lo Skylab che essendo un grosso cilindro veniva fatto ruotare simulando appunto la gravità.
Ma si parla degli anni '70....

Perdonami, ma dove hai letto che lo Skylab girasse per simulare la gravita'?