پرواز در گرانش صفر(2)

گرانش ناچیز

عبارت گرانش ناچیز نیز در كنار گرانش صفر به كار می‌رود، چرا كه بی‌وزنی در یك فضاپیما تمام و كمال نیست. دلیل خنثی نشدن كامل گرانش در حالت چرخش ماهواره در مدار زمین یا سفر یك فضاپیما را می‌توان موارد زیر ذكر كرد:

·     نیروی گرانش برای جرم واحد، به ازای هر سه متر افزایش ارتفاع تقریباً به میزان یك میكرونیوتن كاهش می‌یابد. اجسامی كه جرم متمركز یا نقطه‌ای ندارند، نیروی كشش متغیری به بخش‌های مختلفشان وارد می‌شود.

·      نیروی جانب مركز در فضا‌پیمای واقع در مدار در بخش فوقانی بیشتر از قسمت‌های پایینی آن است.

·     اشیای رها شده در فضاپیما به سوی متراكم‌ترین بخش فضاپیما سقوط می‌كنند تا اینكه در نهایت سطوح فضاپیما را لمس كرده، حركتشان متوقف شده و احساس وزن كنند.

·     در ارتفاع مداری شاتل فضایی یعنی 185 تا 1000 كیلومتر، هوا با وجود اینكه بسیار رقیق است، ولی همچنان باعث كاهش سرعت وسیله بر اثر اصطكاك می‌شود. از این نیروی پسآ، به عنوان وزن در راستای حركت وسیله نام برده می‌شود. در ارتفاعات بالاتر از 1000 كیلومتر، این نیرو در مقایسه با اثر بادهای خورشیدی قابل صرفنظر كردن است.

در سال 2003، علامت گرانش ناچیز به عنوان نشان رسمی مأموریت اس‌تی‌اس-107 شاتل فضایی مورد استفاده قرار گرفت؛ زیرا كه این مأموریت فضایی به تحقیقات جاذبه ناچیز اختصاص داشت. در داخل فضاپیما، گرانش ناچیز ممكن است در مدت زمان‌های طولانی پس از رها شدن سفینه در فضا، به شرطی كه نیروی پیشرانی اعمال نشود و فضاپیما در حال چرخش نباشد، روی دهد. این شرایط هنگامی كه فضاپیما راكت‌های خود را روشن می‌كند و نیروی پیشران بر اثر خروج گازهای حاصل از احتراق به فضاپیما اعمال می‌شود، از بین می‌رود. در چنین شرایطی، گرانش ناشی از شتاب فضاپیما، همه چیز را به سمت نیروی پیشران پرتاب می‌كند.

تأثیرات بی‌وزنی بر سلامت

با آزمایش بر روی فضانوردانی كه برای مدت زمان‌های طولانی در ایستگاه‌های فضایی زندگی كرده‌اند، به اثبات رسیده است كه شرایط بی‌وزنی در بلندمدت می‌تواند برخی اثرات نامطلوب بر بدن و روان انسان داشته باشد. در حقیقت بدن آدمی با شرایط حاكم روی زمین تطابق كامل پیدا كرده است؛ از این رو، قرار گرفتن در حالت بی‌وزنی باعث تغییر در فعالیت فیزیولوژیكی بدن به صورت موقت یا بلندمدت می‌شود.

شایع‌ترین حالتی كه انسان در چند ساعت اولیه بی‌وزنی تجربه می‌كند، فضازدگی است. از علایم این بیماری می‌توان به حالت تهوع، سرگیجه، سردرد و بی‌حالی اشاره كرد كه اولین بار توسط گرمن تیتوف كیهان‌نورد روس در سال 1961 گزارش شد. از آن تاریخ به بعد، تقریباً در مورد 45 درصد فضانوردان این حالت مشاهده شده است. مدت این بیماری در افراد گوناگون متفاوت است، اما معمولاً بیش از 72 ساعت به طول نمی‌انجامد و پس از آن، فرد به شرایط عادت می‌كند.

در این میان، مهم‌ترین اثر نامطلوب قرارگیری بلندمدت در شرایط بی‌وزنی، تحلیل عضلانی و تضعیف اسكلت استخوانی بدن است كه می‌توان آن را با انجام فعالیت‌های ورزشی ویژه در فضا كاهش داد. از دیگر تأثیرات مهم شرایط بی‌وزنی می‌توان به تغییر در توزیع مایعات در بدن، كاهش سرعت گردش خون، كاهش تولید گلبول‌های قرمز، از بین رفتن توازن بدن و كاهش قدرت تدافعی اشاره كرد. همچنین گرانش صفر اثرات نامطلوبی بر چشم فضانوردان می‌گذارد كه از میان آنها می‌توان به تورم چشم و افزایش فشار داخل چشم در ساعات اولیه حضور در فضا اشاره كرد. بسیاری از اثرات سوء بی‌وزنی مشابه اثرات پیری است. بنابراین دانشمندان بر این عقیده‌اند كه با بررسی شرایط بی‌وزنی می‌توان تأثیرات افزایش سن را شناسایی و در صورت امكان بهبود بخشید.

روند تضعیف استخوان و كاهش روند استخوان‌سازی در بدن در شرایط گرانش صفر هنوز به طور دقیق شناخته نشده است. این فرایند در فضا بر روی تمام اندام‌ها به طور یكسان اثر نمی‌گذارد. حتی مشخص شده است كه برخی استخوان‌ها در یك سفر فضایی ممكن است تقویت شوند. در واقع، استخوان‌هایی كه بیشترین فشار ناشی از گرانش را تحمل می‌كنند، در معرض تضعیف بیشتری قرار دارند. یكی از دلایلی كه جلوگیری از فرایند تحلیل رفتن استخوان‌ها را با مشكل مواجه می‌كند، افت محسوس فشار خون در پاها در شرایط گرانش صفر است.

تحلیل رفتن استخوان‌ها اندكی پس از حضور فضانوردان در فضا آغاز می شود. شرایط ویژه‌ای چون گرانش صفر، نور كم و تجمع درصد بالای دی‌اكسیدكربن اثرات نامطلوبی بر اسكلت بدن دارد. در چنین شرایطی، نرخ كاهش وزن برخی استخوان‌ها در حدود یك تا دو درصد در ماه، یعنی شش برابر نرخ تحلیل استخوان‌ها در بدترین حالت بر روی زمین است. تاكنون تمام فضانوردان درصدی كاهش وزن استخوان را پس از بازگشت به زمین تجربه كرده‌اند. در یكی از وخیم‌ترین موارد، دیوید ولف پس از چهار ماه و نیم حضور در ایستگاه فضایی میر، 40 درصد از وزن عضلات و 12 درصد از وزن استخوان‌های خود را در برخی اندام‌‌ها از دست داده بود.

در شرایط بی‌وزنی، تمهیدات ویژه‌ای مثل ورزش كردن، استفاده از دستگاه‌های ارتعاش‌دهنده اندام‌ها با فركانس پایین و یا داروهای تقویت استخوان آزمایش شده است. در عین حال، تا هنگام كشف روشی مؤثر برای جلوگیری از تضعیف استخوان‌ها و تحلیل عضلانی، عملاً سفرهای بلندمدت سرنشین‌دار مانند سفر به مریخ میسر نخواهد بود. دانشمندان همچنین در تلاشند تا با به كارگیری روش‌هایی مانند چرخش فضاپیما به دور خود و یا استفاده از تجهیزات مكانیكی پیشرفته، نوعی گرانش مصنوعی در فضاپیما ایجاد كنند تا اثرات سوء بی‌وزنی بر بدن فضانوردان به حداقل برسد.

روش‌های ایجاد بی‌وزنی

به منظور بهره بردن از مزایای گوناگون محیط گرانش ناچیز، روش‌های مختلفی برای ایجاد این شرایط وجود دارد. محیط گرانش صفر افزون بر كاربردهای آموزشی و تجاری، برای انجام آزمایش‌های گوناگون، از آزمایش‌های فیزیولوژی بر روی بدن انسان گرفته تا تغییرات مولكولی در مایعات، استفاده می‌شود. مدت زمانی كه لازم است تا این نمونه‌ها‌ در شرایط گرانش صفر قرار گیرند نیز از چند ثانیه تا چند سال ممكن است تغییر كند. زمان لازم برای انجام آزمایش یا فعالیت در شرایط گرانش ناچیز، محل و شیوه ایجاد بی‌وزنی را تعیین می‌كند؛ اگر این مدت زمان در حد چند ثانیه باشد، از برج‌ها و دالان‌های سقوط، هواپیمای گرانش صفر و یا بالون‌ها استفاده می‌شود. در مواردی كه نمونه‌ها‌ باید زمان بیشتری را در حالت بی وزنی سپری كنند، آزمایش در راكت‌های كاوش، شاتل فضایی یا ایستگاه فضایی انجام می‌شود.

به طور كلی، روش‌های ایجاد شرایط گرانش ناچیز را كه با هدف كاربردهای تحقیقاتی و تجاری توسعه یافته‌اند، می‌توان به تسهیلات كاهش وزن زمینی، پرنده‌های هوایی و پرنده‌های فضایی دسته‌بندی كرد.

تسهیلات كاهش وزن زمینی

تسهیلات زمینی كه توسط آنها امكان كاهش وزن برای مقاصد تحقیقاتی فراهم می‌شود، به دو دسته كلی برج‌ها و دالان‌های سقوط و تسهیلات شناوری خنثی تقسیم می‌شوند.

الف) برج و دالان‌‌های سقوط

ایجاد گرانش ناچیز بر سطح زمین تنها با قرار دادن اجسام در شرایط سقوط آزاد قابل دستیابی است. با استفاده از برج‌های سقوط می‌توان نمونه‌های آزمایش را برای چند ثانیه در شرایط بی‌وزنی قرار داد. این روش كم‌هزینه بیشتر برای آزمایش نمونه‌های تحت سرمایش و یا در حال جامد شدن استفاده می‌شود.

تسهیلات تحقیقات گرانش صفر از سال 1966 توسط بخش آزمایش‌های فضایی مركز تحقیقات جان گلن ناسا برای محققان علوم و كاربردهای گرانش ناچیز ناسا اداره می‌شود. این تسهیلات منحصر به‌فرد، نقش مهمی را در طراحی، توسعه و آزمایش سخت‌افزارهای پروازهای فضایی و همچنین چگونگی تعریف مأموریت‌های فضایی ناسا ایفا می‌كند. بخش‌های گوناگون این مركز شامل برج سقوط دارای محفظه آزمایش، سامانه كنترل و داده‌برداری، دوربین‌های عكاسی، سامانه تأمین نیرو برای آزمایش‌ها و امكانات فیلمبرداری است. جدا از تحقیقات ناسا برای توسعه تجهیزات فضایی با كمترین هزینه، كاربردهای تجاری این برج در مواردی مانند آزمایش‌های مربوط به ذخیره سیالات برودتی، تحقیقات علوم پایه، امكان‌پذیری انجام آزمایش‌های گوناگون در شرایط گرانش ناچیز ایستگاه فضایی، طراحی و توسعه تجهیزات فضایی و تحقیق اثرات گرانش ناچیز بر پدیده‌های فیزیكی مانند احتراق، فیزیك سیالات، زیست‌فناوری و علم مواد انجام می‌شود.

برج سقوط مركز دارای یك محفظه سقوط خلاء بوده كه در آن می‌توان وسیله مورد آزمایش را برای مسافت 132 متر، در حدود 18/5 ثانیه در حالت سقوط و بی‌وزنی قرار داد. در انتهای مسیر، نمونه آزمایش در تپه‌ای از ذرات پلی‌اسیترن فرو رفته و شتاب بازدارنده‌ای معادل g 65 را تجربه می‌كند. برای شروع آزمایش در برج‌های سقوط، تجهیزات آزمایش را در محفظه آزمایش استوانه‌ای‌شكل قرار می‌دهند و با مكش هوا در محفظه، خلاء ایجاد می‌كنند تا اثرات شتاب ناشی از نیروهای پسای ایرودینامیكی كاهش یابد. حین سقوط، دوربین‌های داخل محفظه تحولات را ضبط و داده‌های اندازه‌گیری‌شده در اختیار آزمایش‌كنندگان قرار می‌گیرد. در عین حال، از این فناوری نمی‌توان برای آزمایش بر روی انسان استفاده كرد، چرا كه شتاب بازدارنده در انتهای مسیر مرگ‌آور خواهد بود. بیشترین شتابی را كه یك انسان به طور آنی می‌تواند بدون آسیب تحمل كند، در حدود g 20 است. از دیگر كشورهایی كه دارای تسهیلات سقوط آزاد هستند، می‌توان به ژاپن، فرانسه و آلمان اشاره كرد.

مركز پروازهای فضایی مارشال ناسا در هانتسویل آلاباما نیز دالان سقوطی به ارتفاع 105 متر و قطر 4/25 سانتیمتر دارد و می‌تواند سقوط آزادی 6/4 ثانیه‌ای را در شرایط نیمه‌خلاء فراهم سازد. برای آزمایش‌های جامدشوندگی مواد، ابتدا با بمباران الكترونی یا كوره الكترومغناطیس، نمونه را ذوب كرده و سپس در دالان رها می‌كنند.

در ژاپن، یك لوله حفاری 490 متری تبدیل به یك دالان سقوط شده كه شرایطی با گرانش 5-10 برابر گرانش زمین را برای 10 ثانیه فراهم می كند.

ب) شناوری خنثی

كاهش وزن را همچنین می‌توان با استفاده از شناوری خنثی شبیه‌سازی كرد. در این فناوری، انسان و تجهیزات در آب و در حالت شناوری قرار داده می‌شوند. ناسا در آزمایشگاه‌های خود از شناوری خنثی برای تحقیق و آزمایش در مورد فعالیت‌های بیرون از فضاپیما مثل راهپیمایی فضایی استفاده می‌كند. این روش یكی از شیوه‌های اصلی آموزش و آماده‌‌سازی فضانوردان برای حضور در شرایط بی‌وزنی در مأموریت‌های فضایی سرنشین‌دار است. در واقع، موفقیت در یك عملیات راهپیمایی فضایی تا حد زیادی به تمرین‌های پیش از پرتاب فضانوردان در شرایط بی‌وزنی به‌ویژه در آزمایشگاه‌های شناوری خنثی بستگی دارد. گرچه تمرین در استخرهای آب زمینی دو تفاوت عمده با شرایط بی‌وزنی در فضا دارد. اول اینكه در شناوری خنثی، فضانوردان در شرایط بی‌وزنی كامل نیستند و در لباس‌های ویژه، وزن خود را همچنان احساس می‌كنند. مورد دوم به نیروی پسای آب و مقاومت آن در برابر حركت بازمی‌گردد كه برخی فعالیت‌ها آسان‌تر و برخی را سخت‌تر می‌كند.

این آزمایش‌ها همچنین در آزمایشگاه سیستم‌های فضایی دانشگاه مریلند انجام می‌شود كه تنها دانشگاه دارنده فناوری شناوری خنثی در جهان است. در برنامه‌های تجاری نیز كه توسط شركت اسپیس‌ادونچر با مسئولیت محدود عرضه می‌شود، علاقه‌مندان می‌توانند زیر نظر كارشناسان، چگونگی یك راهپیمایی فضایی را در استخرهای مخصوص تجربه كنند.

ادامه دارد...