Ambiente micro-g

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La Stazione Spaziale Internazionale in orbita attorno alla Terra, febbraio 2010. La ISS è in un ambiente micro-g.

Il termine ambiente micro-g (anche μg, spesso indicato con il termine microgravità) è più o meno un sinonimo di assenza di gravità e zero g, ma indica che le forze g non sono del tutto zero, solo molto piccole.[1] Il simbolo per la microgravità, mcg, era usato sulle insegne dei voli dello Space Shuttle STS-87 e STS-107, perché questi voli erano dedicati alla ricerca in microgravità nell'orbita terrestre bassa.

Assenza di gravità

Un ambiente micro-g "stazionario"[2] richiederebbe di viaggiare abbastanza lontano nello spazio profondo in modo da ridurre l'effetto della gravità per attenuazione a quasi zero. Questa è la più semplice nella concezione, ma richiede di percorrere un'enorme distanza, rendendola più impraticabile. Ad esempio, per ridurre la gravità della Terra di un fattore di un milione, è necessario trovarsi a una distanza di 6 milioni di chilometri dalla Terra, ma per ridurre la gravità del Sole a questa quantità si deve essere a una distanza di 3,7 miliardi di chilometri. (La gravità dovuta al resto della Via Lattea è già inferiore a un milionesimo della gravità sulla Terra, quindi non abbiamo bisogno di allontanarci ulteriormente dal suo centro). Quindi non è impossibile, ma è stato finora raggiunto solo da quattro sonde interstellari (Voyager 1 e 2, parte del programma Voyager, Pioneer 10 e 11 parte del programma Pioneer) e non sono tornati sulla Terra. Per ridurre la gravità a un millesimo di quella sulla superficie terrestre, è necessario trovarsi a una distanza di 200.000 km.

Posizione Gravità dovuta a Totale
Terra Sole resto della Via Lattea
superficie terrestre 9,81 m / s2 6 mm / s2 200 pm / s2 = 6 mm / s / anno 9,81 m / s2
Orbita terrestre bassa 9 m / s2 6 mm / s2 200 pm / s2 9 m / s2
200.000 km dalla Terra 10 mm / s2 6 mm / s2 200 pm / s2 fino a 12 mm / s2
6×106 km dalla Terra 10 μm / s2 6 mm / s2 200 pm / s2 6 mm / s2
3.7×109 km dalla Terra 29 pm / s2 10 μm / s2 200 pm / s2 10 μm / s2
Voyager 1 (17×109 km dalla Terra) 13:00 / s2 500 nm / s2 200 pm / s2 500 nm / s2
0,1 anni luce dalla Terra 400 am / s2 200 pm / s2 200 pm / s2 fino a 400 pm / s2

Ad una distanza relativamente vicina alla Terra (meno di 3000 km), la gravità è solo leggermente ridotta. Quando un oggetto orbita attorno a un corpo come la Terra, la gravità attira ancora oggetti verso la Terra e l'oggetto viene accelerato verso il basso a quasi 1g. Poiché gli oggetti si muovono generalmente lateralmente rispetto alla superficie a velocità così elevate, l'oggetto non perderà quota a causa della curvatura della Terra. Se visti da un osservatore orbitante, altri oggetti vicini nello spazio sembrano fluttuare perché tutto viene trascinato verso la Terra alla stessa velocità, ma anche andando avanti mentre la superficie della Terra "cade" al di sotto. Tutti questi oggetti sono in caduta libera, non gravità zero.

Confronta il potenziale gravitazionale in alcune di queste posizioni.

Caduta libera

Ciò che rimane è un ambiente micro-g che si muove in caduta libera, cioè non ci sono forze diverse dalla gravità che agiscono sulle persone o sugli oggetti in questo ambiente. Per evitare che la resistenza aerodinamica diminuisca la caduta libera, oggetti e persone possono cadere liberamente in una capsula che, anche se non necessariamente in caduta libera, viene accelerata come in caduta libera. Questo può essere fatto applicando una forza per compensare la resistenza dell'aria. In alternativa, la caduta libera può essere effettuata nello spazio o in una torre o albero a vuoto.

Si possono distinguere due casi: micro-g temporaneo, dove dopo qualche tempo la superficie terrestre è o sarebbe raggiunta e micro-g indefinita.

Un ambiente micro-g temporaneo esiste in un tubo di raccolta (in una torre o in un albero), un volo spaziale sub-orbitale, ad es. con un razzo sonoro, e in un aereo come quello usato dal programma di ricerca sulla riduzione della gravità della NASA, noto anche come Vomit Comet e dalla Zero Gravity Corporation. Un ambiente micro-g temporaneo viene applicato per l'addestramento degli astronauti, per alcuni esperimenti, per le riprese di film e per scopi ricreativi.

Un ambiente micro-g per un tempo indefinito, mentre è possibile anche in un'astronave che va all'infinito in un'orbita parabolica o iperbolica, è più pratico in un'orbita terrestre. Questo è l'ambiente comunemente sperimentato nella Stazione Spaziale Internazionale, nello Space Shuttle, ecc. Sebbene questo scenario sia il più adatto per la sperimentazione scientifica e lo sfruttamento commerciale, è ancora piuttosto costoso operare, principalmente a causa dei costi di lancio.

Accelerazione delle maree e inerziale

Gli oggetti in orbita non sono perfettamente privi di gravità a causa di diversi effetti:

  • Effetti dipendenti dalla posizione relativa nella navicella:
    • Poiché la forza di gravità diminuisce con la distanza, gli oggetti con dimensioni diverse da zero saranno soggetti a una forza di marea, oa una trazione differenziale, tra le estremità dell'oggetto più vicino e più lontano dalla Terra. (Una versione estrema di questo effetto è la spaghettificazione.) In una nave spaziale in LEO, la forza centrifuga è anche maggiore sul lato della navicella più lontana dalla Terra. A una bassa orbita terrestre (LEO) a 400 km di altitudine, il differenziale complessivo in forza g è di circa 0,384 μg/ M. [3]
    • Gli oggetti "fluttuanti" in un'astronave in LEO sono in realtà in orbite indipendenti attorno alla Terra. Se due oggetti sono posizionati fianco a fianco (in relazione alla loro direzione di movimento), saranno in orbita attorno alla Terra in diversi piani orbitali. Poiché tutti i piani orbitali attraversano il centro della terra, qualsiasi due piani orbitali si intersecano lungo una linea. Pertanto, due oggetti posizionati fianco a fianco (a qualsiasi distanza l'uno dall'altro) si uniranno dopo un quarto di giro. Se sono posizionati in modo tale che si perdano a vicenda, oscilleranno l'uno dopo l'altro, con lo stesso periodo dell'orbita. Ciò corrisponde ad un'accelerazione verso l'interno di 0,128 μg per metro distanza orizzontale dal centro a 400 km di altitudine.[3] Se sono posizionati uno davanti all'altro nello stesso piano orbitale, manterranno la loro separazione. Se sono posizionati uno sopra l'altro (a diversi raggi dal centro della Terra), avranno energie potenziali diverse, quindi le dimensioni, l'eccentricità e il periodo delle loro orbite saranno diversi, causandoli in un looping complesso schema relativo l'uno all'altro.[4]
    • La gravità tra la navicella spaziale e un oggetto al suo interno può far "cadere" lentamente l'oggetto verso una parte più massiccia di esso. L'accelerazione è 0,007 μg per 1000 kg a 1 m di distanza.
  • Effetti uniformi (che potrebbero essere compensati):
    • Anche se molto sottili, c'è un'aria ad altitudini orbitali da 185 a 1.000 km. Questa atmosfera causa decelerazione dovuta all'attrito. Questo potrebbe essere compensato da una piccola spinta continua, ma in pratica la decelerazione viene compensata solo di volta in volta, quindi la piccola forza g di questo effetto non viene eliminata.
    • Gli effetti del vento solare e della pressione della radiazione sono simili, ma diretti lontano dal sole. A differenza dell'effetto dell'atmosfera, non si riduce con l'altitudine.

Applicazioni commerciali

Sfere di metallo

In una torre di lancio (ora obsoleta), il metallo fuso (come il piombo o l'acciaio) è stato gocciolato attraverso un setaccio in caduta libera. Con un'altezza sufficiente (diverse centinaia di metri), il metallo sarebbe abbastanza solido da resistere agli urti (di solito in un bagno d'acqua) sul fondo della torre. Mentre il colpo poteva essere leggermente deformato dal suo passaggio attraverso l'aria e da un impatto sul fondo, questo metodo produceva sfere metalliche di sufficiente rotondità per essere usate direttamente in cartucce per fucili a pompa o per essere perfezionate con ulteriori elaborazioni per applicazioni che richiedono maggiore accuratezza.

Cristalli di alta qualità

Sebbene non sia ancora un'applicazione commerciale, c'è stato interesse a far crescere cristalli in micro-g, come in una stazione spaziale o in un satellite artificiale automatizzato, nel tentativo di ridurre i difetti del reticolo cristallino.[5] Tali cristalli privi di difetti possono rivelarsi utili per alcune applicazioni microelettroniche e anche per produrre cristalli per la successiva cristallografia a raggi X.

  • Confronto di ebollizione dell'acqua sotto la gravità terrestre (1 g, a sinistra) e microgravità (a destra). La fonte di calore è nella parte inferiore della fotografia.

  • Un confronto tra la combustione di una candela sulla Terra (a sinistra) e in un ambiente di microgravità, come quella che si trova sulla ISS (a destra).

  • Cristalli di proteine ​​coltivati ​​da scienziati americani sulla Stazione Spaziale Russa Mir nel 1995.[6]

  • Confronto della crescita dei cristalli di insulina nello spazio esterno (a sinistra) e sulla Terra (a destra).

Effetti sulla salute dell'ambiente micro-g

Space Motion Sickness

Sei astronauti che si sono allenati presso il Johnson Space Center per quasi un anno stanno ottenendo un campione di un ambiente micro-g

Space Motion Sickness (SMS) è pensato per essere un sottotipo di cinetosi che affligge quasi la metà di tutti gli astronauti che si avventurano nello spazio.[7] Gli SMS, insieme al rigonfiamento facciale dovuto a turni in avanti di liquidi, mal di testa e mal di schiena, fanno parte di un complesso più ampio di sintomi che comprende la sindrome dell'adattamento spaziale (SAS).[8] SMS fu descritto per la prima volta nel 1961 durante la seconda orbita del quarto volo spaziale con equipaggio quando il Cosmonauta,

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