Yapay yerçekimi

Yapay yerçekimi uzay istasyonu. 1969 NASA kavramı

Rotasyon yapan bir uzay aracı gövdesinin içindeki yerçekimi algısını üretecektir. Rotasyon halindeki hiçbir madde uzay aracının gövdesine doğru gitmeyecektir, böylece görünüşte yerçekimsel çekim dışarı doğru olur. Sıklıkla değinilen merkezkaç kuvveti, aslında ‘çekim’ nesnenin uzay aracı içinde durağanlığının görünümüdür, doğrusal düzlemdeki yolculuk bunun sebebidir. Uzay aracının gövdesi nesnenin daire içindeki yolculuğu için gerekli olan merkezcil kuvveti sağlar. Sonuç olarak, Newton’un üçüncü yasası gereğince, yerçekimi, nesnenin gövdedeki tepki gücüyle, gövdedeki merkezcil kuvvetin etkileşiminin sonucu hissedilir.

Doğal ortamıyla birlikte dönen insanların bakış açısından, eğer yapay yerçekimi şu etkileri takip ederse rotasyon durumunda bazı davranışları gerçek yerçekimiyle benzer olur:

• Merkezkaç kuvveti: Gerçek yerçekiminin aksine, bu merkeze doğru çekilir, rotasyonel referans sistemindeki bu sahte kuvvet rotasyonun ekseninden uzaklara iten dönel bir yerçekimi verir. Yapay yerçekimi rotasyonun merkezinden uzaklığında orantılı bir şekilde seviyelenir. Küçük bir yarıçap ile dönüşte, kafa üzerindeki hissedilen yerçekimi miktarıyla ayağının üzerindeki hissedilen yerçekimi miktarı çok farklıdır. Bu hareket oluşabilir ve nesnedeki değişimi kullanışsız kılabilir. Newton’un üçüncü yasasına göre, fizik dahili uyarınca, yavaş rotasyon veya yüksek rotasyon yarıçapı bu problemleri azaltabilir veya eleyebilir.
• Bu koriyolis etkisi referans noktasındaki rotasyona göre hareket eden nesnenin hareketindeki bariz kuvveti verir. Bu bariz kuvvet devinimin doğru açısında ve rotasyon ekseninde hareket eder. Eğer bir astronot yapay yerçekimi alanında rotasyonun içindeyse rotasyon eksenine veya ondan uzağa doğru giderse, o kişi kendini devrin yönünden uzağa veya ona doğru iten bir kuvvet hisseder. Bu kuvvetler iç kulakta hareket eder ve baş dönmesine, mide bulantısına ve oryantasyon bozukluğuna sebep olur. Rotasyon periyodunun uzanımı koriyolis kuvvetini ve onun etkisini azaltır. Bu genellikle bilinen 2rpm veya daha azı zıddı olmayan koriyolis efekti oluşur, insanlar 23 rmp adaptasyon oranı kadar fazla.[4]  Bu henüz daha bilinmiyor ama eğer koriyolis etkisindeki yüksek seviyesinde alışmışlığın olasılığı artışına çok maruz kalınır. Koriyolis kuvvetinin bu mide bulantısı teşviki etkisi ayrıca hafifletilebilir de kafadaki hareketleri kısıtlamak aracılığıyla.

Yapay yerçekiminin bu formu bize ek sistem sorunlarını verir:

• Kinetik enerji: Gereken zamanda dönme parçaları veya tüm doğal yerleşim alanlarının gerekli olduğu enerjidir.Bu gerekli olan itme sistemi ve yukarı veya aşağı doğru itmenin veya bir motor ve bazı karşı kütle çeşitleri gereklilik gösterir ters yönde dönüş için. 
• Rotasyondan dolayı oluşan uçuştan korunmak için aşırı güçte yapı gereklidir. Ancak,nefes atmosferini önce ve tekrar tutabilmek için gerekli olan bir miktar yapı (1 atm 1 metrekarede 10 ton kuvvet) birçok yapı için nispeten ılımlıdır.
• Eğer yapının kısımları kasten dönmezse, sürtünme ve benzer olarak tork birleşimdeki dönüş oranına sebep olacak, sürtünmeden dolayı oluşan kayıpların telafi edilmesi için motor ve güç kullanılacak.
• Döndürülen durağın aykırı arayüzey parçaları arasında bir birleriyle ilgili büyük vakum sızdırmaz eksenel mühürler gerekli.

Calculations
${\displaystyle g={\frac {R\times ({\frac {\pi \times \mathrm {rpm} }{30}})^{2}}{9.81}}}$ or ${\displaystyle R={\frac {9.81g}{({\frac {\pi \times \mathrm {rpm} }{30}})^{2}}}}$ nerede: g = Dünya'daki yerçekiminin ondalık kesri R = Rotasyonun merkezden yarıçapı metre olarak ${\displaystyle \pi \approx }$ 3.14159 rpm = dakikadaki dönüş sayısı

Rotasyon hızı rpms çeşitli yarıçapın merkezkaçı verilen g kuvvetine ulaşmak için.

Oluşturulan uzay aracının teknik zorlukları diğer önerilen yaklaşımlara göre daha azdır.. Teorideki uzay aracı yapay yerçekimi kullanılarak dizayn edilecek. Bu yerçekimi esas problemleri ve avantajlarıyla birlikte birçok seçeneğe sahiptir.Devinim kuvvetini azaltmak yaşanabilir seviye için, 2 rpm dönüm oranı veya daha azı gereklidir. 1 g üretmek için, rotasyon yarıçapı 224 m (735 ft) vaya daha fazla olmalıdır, bu da büyük bir uzay gemisi yapar. Kütleyi azaltmak için,çap boyunca desteklenen hiçbir şey olmamalı ancak uzay aracının iki kısımı kablolarla bağlantılı, muhtemelen doğal yaşam modülü ve uzay aracının bütün diğer kısımları mukabil ağırlık içerir.Bu henüz bilinmiyor eğer kısa bir zaman diliminde yüksek yerçekimine maruz kalınırsa, bu normal yerçekimine maruz kalındığı kadar sağlığa yararlıdır.Bu da ayrıca bilinmiyor Ayrıca düşük seviyeli yerçekimi hafifliğin sağlık üzerindeki etkileri için nasıl olumsuz etkiler yaratır daha bilinmiyor. Yapay yerçekiminin 0.1 g olması için yarıçapın 22 m (74 ft) olmalı. Bunun gibi, yarıçap 10 m iken, yerçekimi üretmek için yaklaşık 10 rpm gereklidir veya 2 g üretmek için 14 rpm gereklidir. Eğer kısaca yüksek yerçekimine maruz kalırsan, bu ağırlıksızlığın sağlık üzerindeki etkilerini çürütebilir, öyleyse küçük santrifüj egzersiz bölgesi olarak kullanılabilir.

Lunaparklarda birtakım oyuncaklar santrifüj rotasyonel kuvvet sağlar. Hız treni de ayrıca yapar, her ne zaman bu aletler inip yükselirse, üstünden geçerse veya iç içe döngüler şeklini alırlarsa. Bu aletler tam tepeye çıktığında, zaman sıfırlanır veya negatif yerçekimi hissedilir buna  hava-zaman denir.Bu bölünebilen  "yüzdürücü hava saatidir" (sıfır yerçekimi için) ve "püskürtücü hava zamanı" (negatif yerçekimi için).

Doğrusal ivme, düşük seviyede dahi, kullanışlı yararlar için verimli g-kuvveti sağlar..Herhangi bir uzay aracı doğrusal düzlemde devamlı olarak ivmelenebilir, uzay aracının içindeki kuvvetli objeler ters yönde ivmelenir.

Çoğu kimyasal reaksiyon roketleri verimli oranda ivmelenebilir çoğu zaman yerçekimi kuvvetini üretmek için fakat bu sınırlanmış tedarik yakıtlarından dolayı sadece birçok dakikada devamlı ivmedir.

Büyük bir özel itme ile birlikte olan bir yürütme sistemi uzun bir zaman dilimi içerisinde çok yavaş üretimle yapay yerçekiminin kullanışlı seviyesinde ivmelenebilir. Birçok çeşit elektrik yürütme sistemleri örneklerle desteklenebilir. Hem pratikte uzay aracında kullanılabilen hem de uzayda yakın zaman içinde planlanan Hall effect thrusters ve Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rockets (VASIMR) kullanımı için bu uzun sürenin iki örneği, düşük-itme ve yüksek-itme yürütmesidir.Bu ikisi de yüksek tipik reaksiyon roketlerleriyle karşılaştırılınca yüksek itme de desteklenebilir fakat bu düşük itmeyle ilgili. Bunlar sınırlı miktarda desteklenen ve sonunda ideal olarak uygun şekile gelince uzay aracındaki yapay yerçekiminin bu uzun sürede binde bir g seviyesinde ateşlenmesidir.

Çeşitli gezegenler arası görevler için uzun sürede ve düşük itmede doğrusal ivme önerildi. Örnek olarak, Marstan marsa 27 ay içerisinde ağır olsa bile (100 ton) kargo yükleri nakledilebilir ve Mars yörüngesine varınca LEO aracının kütlesinin yaklaşık olarak yüzde 55 i alıkoyulur, geziye girişi sırasında uzay aracının içinde düşük yerçekimi eğiminin sağlanması oluşur.[5]

Sabit doğrusal ivme güneş sisteminin etrafında kısa uçuş süresi düşünüldüğünde teoride sağlanır. Eğer itme teknikleri ivmenin sürekliliğinin uygunluğu için 1 g'i destekleyebilirse, uzay aracı ivmelenebilir (ve sonra gezinin ikinci yarısı için yavaşlatıcı etki gösterir) ve bir iki gün içerisinde Mars'a 1 g'de ulaşılabilir.[6]

Birçok bilim kurgu planında, yıldızlararasındaki uzay araçları için ivme yapay yerçekimini desteklemekte kullanılır, henüz teorideki ve hipotezdeki anlamı ileriye itmektir.

Bu doğrusal ivmenin etkisi iyi anlaşılmıştır ve yüksek aşamalı roketlerin uzaydaki ateşlenmesindeki direkt fırlatım için  0 g deki kriyojenik akışkan madde yönetiminde her zaman kullanılır.[7]

Hız treni, özellikle fırlatılan hız treni veya bunlar  elektromanyetik itmeye bağlı,bunlar doğrusal ivme sağlar "yerçekimi" ve sonuç olarak bunlar yüksek ivmeli araçlarla ilgilidir, spor arabaları gibi.Doğrusal ivme hız trenindeki hava-zamanı sağlamak için kullanılmıştır ve diğer heyecan gezileri, Terör Alacakaranlık Kuşağı Kulesi gibi.

Yaşayan kurbağa 32 mm çapında içeriden havaya kaldırılır.Manyetik alanda acı selenoidin dikey deliği yaklaşık 16 teslas.

Yerçekimi için diamagnetism boyunca benzer etkileri yaratılmış. Güçlü bir elektrik alanına sahip mıknatıs gereklidir. Bu tür aletler çoğu küçük fareyi kaldırmak için kullanılır[8] sonuç olarak Dünyanın'kini iptal etmek için 1 g'lik alan üretildi. Yeteri kadar güçlü mıknatıslar gereklidir ya pahalı kriyojenito, süperiletken tutabilmek için, ya da birçok gücün megavatı gereklidir.[9]

Aşırı güçlü manyetik alanla birlikte,güvenlik belirsiz insların kullanımı için.. Ek olarak,bu herhangi bir ferromanyetik ve paramanyetik maddeleri engellemek için güçlü manyetik alanın gerekliliği yanında diamanyetiğin in belirginliğini içerir.

Laboratuvar taklitleri dünyadaki düşük yerçekimi şartlarında imkanlar kullanılarak diamanyetizm uygulanabilirliği ispatlanabilir. Yerçekimine benzer yaratılan şartlarda Dünya'nın yerçekimi havaya kalkmış farelere karşıydı.  Küçük model organizmalarla birlikte kameri ve martina yerçekimine  benzer taklit şartlar için düşük kuvvetler üretilebilir.

Bilim kurguda, yapay yerçekimi (veya yerçekiminin iptalı) veya "paragravity"[10][11] bazen uzay aracında iken ne rotasyon olur ne ivmelenme olur.. Şimdiki zamanda, bu onaylanmamış teknik taklit edilebilir yerçekimi diğerlerinden daha çok asıl kütle veya ivme.Çoktan ispat edilmiş bir alet çeşididir. Eugene Podkletnov, Rus bir mühendis, 1990'lı yıllarda dönen süper iletken ve güçlü gravitomanyatizma alan içeren bir alet yapılabileceğini iddia etmiş iddia etmiş, fakat hiç doğrulama olmamış ve hatta 3. taraflardan negatif sonuçlar olmuştur 2006 yılında, finanse edilen araştırmacı grup ESA aracılığıyla gravtiomanyetizmin üretimi için pozitif sonuçlarla gösterilen buna benzer bir araç yaratıldığını iddia etti, buna rağmen bu sadece 0.0001g üretti.[12] Bu sonuç bir daha tekrarlanmadı.Sicim teorisi tahminlerine göre yerçekimi ve elektromanyetizma gizli boyutlarda ve çok kısa fotonlar bu boyutlara girebilir.[13]

Yüksek-G çalışması  yüksek yarıçaplı merkezkaçın içinde ivmenin yüksek seviyelerini konu alan havacılar ve astronotlar tarafından yapıldı.Bilincin uyarılmış g-kaybını engellemek için tasarlandı (kısaltılmış G-LOC), bu durum sırasında g kuvveti kanda beyinden uzaklaşarak ilerlemesi bilinç kaybı kapsamında oluşur.Dikkate değer süre içinde yüksek g de destekleyicinin yeteneğinin uçak içinde  ivme-bilincin kaybının uyarılması olayları ölümcül kazalara sebep olur.

Yerçekimsiz mucize bir lakap, parabolik yörüngede uçuş yapan ve kısaca söylemek gerekirse neredeyse yerçekimsiz bir çevrede astronatlar için eğitim yapılan,araştırma yönetimi olan ve sinema filmi için bir NASA uzay aracıdır. Bu parabolik yörünge ksaı bir süreliğine(genellikle 20-30 saniye) sıfır-g verilerek yerçekimiyle eşleşen dikey bir doğrusal ivme sağlar ve benzer bir periyot da bunu yaklaşık olarak 1.8g takip eder. Vomit kuyrukluyıldızı da bir lakaptır ve ayrıca uzay aracı yolcuları tarafından parabolik yörünge sırasında defalarca kez tecrübe edilen hareket hastalığını adlandırmak için kullanılırdı.Dünya çapındaki birçok organizasyonda yerçekimi azalmış uzay araçları bugünlerde çalıştırıldı.

Nötr Yüzerlik Laboratuvarları (NBL) astronot eğitim kolaylıkları, örnek olarak Houston, Teksas'ın içinde yer alan NASA Johnson Space Center'daki Sonny Carter Training Facility.[14]  NBL Dünya'daki en büyük bir suyun kapalı bir  yüzme havuzudur. NBL uzay mekiği kargo limanının, uçuş yüklerinin ve Uluslararası Uzay istasyonu büyük boyda maketlerini içerir.[15]

Nötr yüzdürme kuvvetinin prensibi uzayın yerçekimsiz alanının taklidi için kullanılırdı.[14] Uygun astronotlar tepe vinci kullanarak havuzun içine indirilir ve onların ağırlıkları çeşitli yardımlar aracılığıyla ayarlanır,kaldırma kuvveti olmadan deneylenmesi ve kütle merkezinin etrafında dönme momenti olmadan yapılması amacıyla.[14] Uzay mekiği kullanırken ve Ulusrarası Uzay İstasyonundayken NBL'deki takım elbiseli adamlar EMU'nun uçuş oranlılarından daha düşük puanlıdır.

NBL tankı 202 fit (62 m) uzunluğunda, 102 fit (31 m) genişliğinde ve 40 fit 6 inç (12.34 m) derinliğinde ve suyun 6.2 milyon galonunu (23.5milyon litre) içerir[15][16] Tank çalışırken dalgıçlar nitroks (azot oksijen karışımı) solur.[17][18]

Nötr yüzerlik yerçekimsizlik havuzunda değildir, çünkü iç kulağın içindeki denge organları yerçekiminin yukarı aşağı hareketinden hala hassaslık duyar. Ayrıca,burada önemli bir miktarda su aracılığıyla sürüklenme gösterilir. Genel olarak, görevleri suyun içinde yavaşça yaparak, sürükleme kuvveti minimalize edilmiştir.[19] Kaldırma kuvveti ve havuz taklidi arasındaki bir diğer fark ve uzay uçuşu sırasındaki asıl EVA havuzun sıcaklığı ve devamlı süren ışık şartlarıdır.