Vesmírna stanica budúcnosti

Ako deti sme sa vozili na kolotočoch. V ďalekej budúcnosti budú ľudia možno na jednom bývať. Súčasťou futuristických filmov sú často obrovské rotujúce vesmírne stanice, v angličtine nazývané aj O’Neill cylinder. Tento koncept prvýkrát predstavil americký astrofyzik Gerard Kitchen O’Neill (1927 – 1992) v roku 1976 v knihe The High Frontier: Human Colonies in Space (Vysoká hranica: Ľudské kolónie vo vesmíre).

Ilustrácia NASA/Rick Guidice

Astronauti, či už na Medzinárodnej vesmírnej stanici ISS alebo kdekoľvek inde vo vesmíre, čelia jednému základnému problému – absencii gravitácie. V beztiažovom stave pracujú niekedy aj mesiace, pričom si musia navyknúť na zmeny v mnohých bežných denných rutinách. S dlhodobým pobytom vo vesmíre sa zároveň spájajú zdravotné problémy ako ochabnutie svalov či rednutie kostí. Pre vzdialenú budúcnosť veľkých vesmírnych staníc s tisíckami dlhoročných obyvateľov je takéto fungovanie veľmi ťažko predstaviteľné. Vo filmoch sú často stvárnené akési generátory umelej gravitácie bez bližšieho vysvetlenia. Fyzika však ponúka aj iné reálne riešenie.

Teleso pohybujúce sa priamočiaro má tendenciu v každom momente sa aj naďalej pohybovať priamočiaro. V zákrute na teleso pôsobí dostredivá sila meniaca jeho dráhu.

Napodobnenie gravitácie

Teleso zotrváva v pokoji alebo v rovnomernom priamočiarom pohybe, kým nie je nútené vonkajšími silami svoj pohybový stav zmeniť, tak znie prvý Newtonov pohybový zákon. Príkladmi z praxe sú cesta autom do zákruty alebo už spomínaná jazda na kolotoči. Cestujúci, ako teleso pohybujúce sa priamočiaro, sú nútení zmeniť smer pohybu v zákrute a pociťujú účinok dostredivej sily, ktorá ich unáša po kružnici. Reakciou na dostredivú silu je odstredivá sila, ktorú zdanlivo vnímame ako gravitáciu. O odstredivej sile je možné presvedčiť sa aj doma. Keď pohár plný vody rýchlym pohybom v ruke pretočíme dookola o 360 stupňov, voda sa nerozleje. Keby stanicu ISS roztočili okolo svojej osi, astronautov by pritlačilo o steny. Rozdiely v sile tejto zdanlivej gravitácie na rôznych miestach stanice by boli extrémne. Sila sa zväčšuje s polomerom otáčania aj so zvyšovaním rýchlosti otáčania. No platí, že čím väčšia konštrukcia, tým pomalšia rýchlosť otáčania je potrebná na dosiahnutie zdanlivej pozemskej gravitácie na okrajoch konštrukcie. Pri dostatočnom priemere stanice by obyvatelia rotáciu necítili a nerozpoznali by umelú gravitáciu od skutočnej.

Gigantický obytný valec

Ako najefektívnejší tvar takejto stanice sa uvádza obrovský dutý valec s obývanou celou vnútornou plochou. Na každom mieste odstredivá sila pôsobí smerom von od stredu valca, takže všade by umelá gravitácia smerovala k vnútornej stene. Gerard K. O’Neill ako ideálnu stanicu navrhol valec s dĺžkou 32 km a s priemerom 8 km. Konštrukciu by bolo možné bezpečne postaviť zo súčasných materiálov, ako sú oceľ a železo. Obývateľná plocha by tak bola 804 km2. Aby sa na povrchu gravitácia rovnala zemskej, bola by potrebná rotácia 2,8 stupňa za sekundu, čo predstavuje jedno otočenie približne za 2 minúty (28-krát za hodinu).

Schematické znázornenie parametrov O’Neillovho cylindra

Keby sa na výstavbu použili modernejšie materiály ako titán, kevlar, zylon alebo grafén, ktoré by sa v budúcnosti mohli ťažiť z Mesiaca alebo asteroidov, veľkosť stanice by mohla byť niekoľkonásobne väčšia. V pôvodnej predstave mala stanica po stranách veľké sklené okná kvôli prieniku slnečného svetla dovnútra. V praxi by to prinieslo niekoľko problémov: menšiu ochranu proti kozmickému žiareniu a meteoritom, absenciu striedania dňa a noci, a tým narušenie biorytmu obyvateľov. Vhodnejšie by bolo preto celú stanicu obaliť do hrubého ochranného plášťa, ktorý by sa neotáčal. Tento priestor by mohol nájsť využitie aj ako skladové priestory bez nutnosti gravitácie. Pre vnútorné osvetlenie stanice by bolo možné použiť systémy zrkadiel alebo LED technológie.

Pokračovanie článku si môžete prečítať v časopise Quark 12/2020. Ak chcete mať prístup k exkluzívnemu obsahu pre predplatiteľov, prihláste sa. Ak ešte nie ste naším predplatiteľom, objednajte si predplatné podľa vášho výberu tu.

Text a foto Stanislav Griguš
Fakulta matematiky, fyziky a informatiky
Univerzita Komenského v Bratislave
Videá autora nájdete na YouTube kanáli bit.ly/ToAkoPreco.

Komentáre