כבידה מלאכותית

כבידה מלאכותית היא יצירת תחושת כבידה בחלל החיצון או בנפילה חופשית. כאשר מנסים לייצר כבידה מלאכותית מנסים לחקות את תחושת הכבידה, אך לא תמיד הכוח המשרה את התחושה הוא כוח המשיכה הגרביטציוני. כבידה מלאכותית רצויה במסעות ארוכים בחלל על מנת להקל את התנועה ולמנוע את ההשפעות של חוסר משקל.

שיטות

סיבוב

אמן מתאר את הפנים של טורוס סטנפורד עם קוטר של 1.8 ק"מ שמסתובב פעם בדקה כדי ליצור כבידה של 1 g.

ספינת חלל מסתובבת תיצור תחושה של גרביטציה בתוך החלל הפנימי שלה. הסיבוב, באמצעות הכוח הצנטריפוגלי, גורם לכל העצמים להימשך לכיוון הדופן החיצונית של הכלי ובכך יוצר משיכה כלפי חוץ. הכוח הצנטריפוגלי נגרם עקב נטיית הגופים להתמיד בתנועה בקו ישר (עיקרון ההתמדה; החוק הראשון של ניוטון). בטן הכלי מספקת את הכוח הצנטריפטלי הדרוש כדי לכפות על העצמים תנועה מעגלית. לכן, הכבידה שמורגשת על ידי העצמים בספינה היא פשוט כוח התגובה של העצם לכוח הצנטריפטלי של הכלי על העצם, בהתאם ל-חוק הפעולה והתגובה של ניוטון (החוק השלישי).

גודל תאוצת הכובד (ג'י) נתון על ידי $\ a=\omega ^{2}R$ כאשר $\omega$ היא התדירות הזוויתית (מספר רדיאנים לשנייה) ו־R הוא רדיוס הסיבוב. ביחידות מנורמלות: $\ 9.81g=R\left({\frac {\pi }{30}}\times {\mbox{rpm}}\right)^{2}$ כאשר rpm הוא מספר הסיבובים לדקה (סל"ד) ו־g הוא היחס בין התאוצה לתאוצת הנפילה החופשית על פני כדור הארץ. תאוצה של 1 ג'י שווה ל־9.81 מטר לשנייה בריבוע.

כדי שעצם ירגיש את המשיכה כלפי הדופן החיצונית של הכלי, עליו להיות בתנועה סיבובית ביחס למרכז הסיבוב של הכלי. בהיעדר חיכוך או התנגדות אוויר, עצם שלא זז יישאר במקומו (אף אם הוא לא נמצא במרכז התנועה) ולא "ייפול" אל עבר הדופן. עובדה זו מדגימה את העובדה שהכבידה המלאכותית היא תוצאה של התנועה הסיבובית של העצם והתגובה לכוח הצנטריפטלי ואיננה משיכה בין העצם לדופן.

לכבידה מלאכותית שנגרמת על ידי סיבוב יש תוצאות לוואי:

• כוח קוריוליס שנוצר על ידי הסיבוב יכול לגרום לסחרחורת או בחילה. ההנחה היא ^{[דרוש מקור]} שבקצב של 2 סיבובים לדקה (סל"ד) או פחות לא יתרחשו תופעות אלה. בקצב סיבובים גבוה יותר יהיו שיתרגלו לאפקט קוריוליס ויהיו שלא יתרגלו אליו ויסבלו מתופעות הלוואי. בקצב סיבובים של 7 סל"ד ומעלה ההנחה היא כי לא יהיו אנשים שיוכלו לעמוד בפני תופעות לוואי אלה או להתרגל אליהן. לא ידוע עד כמה חשיפה ארוכה לכוח קוריוליס משפיעה על סבירות האפשרות של האדם להתרגל אליו. כדי לשכך את הבחילה שיכולה להיווצר בעקבות כוח קוריוליס יש לרסן את תנועות הראש. ייתכן שריסון תנועות ראש הוא דבר שניתן לתרגל בכבידה מלאכותית (אולם התעמלות של כבידה מלאכותית), אך לא ניתן לתרגל דברים אחרים.
• גרדיאנט כבידה: עוצמת הכבידה המלאכותית משתנה ביחס ישיר למרחק ממרכז הסיבוב. עם רדיוס סיבוב קטן, עוצמת הכבידה שתורגש על ראש של אדם תהיה שונה מהעוצמה שתורגש על רגליו. אפקט זה יכול לגרום להרגשה מוזרה בשינוי תנוחות הגוף. סיבובים איטיים יותר או רדיוס סיבוב גדול יותר אמור להביא לכך שאפקט זה יהיה בלתי מורגש.
• תנועה זוויתית: כאמור לעיל, מהירות זוויתית גבוהה יוצרת עוצמה גבוהה של כוחות קוריוליס, תנע זוויתי ידרוש מערכת הנעה כדי לסובב את הכלי. בנוסף, אם חלקים מהחללית במכוון לא מסתובבים, חיכוך ומומנט כוח יגרמו לסיבוב להתכנס ולחלקים הלא נעים להתחיל להסתובב, דבר שידרוש הספק ומנועים כדי לפצות על ההפסדים בגלל חיכוך. התמדה זוויתית יכולה גם היא לסבך את הנעת הכלי והשליטה בגובה.

פרק זה טעון עריכה. אנא תרמו לוויקיפדיה ועזרו לערוך אותו. ייתכן שתמצאו פירוט בדף השיחה. הסיבה היא: יש לתרגם את הטבלה לעברית.

חישובים(הקישור אינו פעיל)

$g={\frac {R({\frac {\pi \times rpm}{30}})^{2}}{9.81}}$ או $R={\frac {9.81g}{({\frac {\pi \times rpm}{30}})^{2}}}$ g - שבר עשרוני מכבידת כדור הארץ R - הרדיוס המרחק ממרכז הסיבוב (מטרים) $\pi$ = 3.14159 rpm - סיבובים לדקה

האתגרים ההנדסיים שביצירת ספינת חלל מסתובבת הם פשוטים יחסית בהשוואה לגישות אחרות. תכנונים של ספינות חלל תאורטיות המשתמשים בכבידה מלאכותית מציגים מגוון רחב של גרסאות עם בעיות, חסרונות ויתרונות. כדי להפחית כוחות קוריוליס לרמה בלתי מורגשת על קצב הסיבוב להיות 2 סל"ד ומטה. כדי להפיק כוח משיכה של g אחד, על רדיוס הסיבוב להיות באורך 224 מטר ומעלה, דבר שמחייב תכנון חללית גדולה מאוד. להפחתת המסה, התמיכות לאורך הקוטר יורכבו אך ורק מכבלים שמחברים את שני מקטעי החללית, כנראה גם מודול קיום (habitat module) ומשקל־נגד המורכב משאר חלקי החללית. יוג'ין פ. לאלי (Eugene F. Lally) ממעבדת הנעת הסילון (Jet Propulsion Laboratory) הציע את הרעיון הזה בתחילת שנות ה־60 של המאה ה־20 במאמר שכותרתו "To Spin or Not to Spin". מדענים עדיין אינם יודעים האם חשיפה לגרביטציה גבוהה למשך תקופות קצרות תורמת לבריאות כמו חשיפה מתמשכת לגרביטציה נורמלית, וכן אינם יודעים כמה יעילה היא חשיפה לרמה נמוכה של גרביטציה למניעת האפקטים של חוסר משקל. כבידה מלאכותית של 0.1 ג'י תדרוש רדיוס סיבוב של 22 מטר בלבד. באופן דומה, רדיוס סיבוב של 10 מטר בקצב 10 סל"ד יידרש בשביל להפיק כבידה של 1 ג'י (בירכיים הגרביטציה תהייה גבוהה יותר ב־11% מאשר בכפות הרגליים) או 14 סל"ד כדי להפיק כבידה של 2 ג'י. אם חשיפה קצרה לכבידה גבוהה יכולה לנטרל את האפקטים הבריאותיים של חוסר משקל, אזי צנטריפוגה קטנה תוכל לשמש כמתקן אימונים לשמירה על הגוף מפני תוצאות חוסר משקל.

החללית ג'מיני 11 ניסתה לייצר כבידה מלאכותית על ידי סיבוב הקפסולה סביב רכב המטרה אג'נה (Agena Target Vehicle) שמחוברת אליה באמצעות רצועה באורך 36 מטר. הכוח שנוצר מכך היה קטן מידי בשביל להיות מורגש על ידי האסטרונאוטים, אך העצמים נצפו כשהם זזים לעבר "רצפת" הקפסולה.

לוויין תוכנן למטרת חקר ההשפעות של כבידה מלאכותית על יונקים. 15 עכברים היו אמורים לשהות בשדה כבידה מלאכותית של 0.38 ג'י (כמו שקיים במאדים) שמקורו בתנועה סיבובית בקצב 34 סל"ד ורדיוס של כ־30 ס"מ.

תאוצה

החללית יכולה, בתאוריה, להאיץ באופן רצוף ומתמשך בקו ישר, ובכך לאלץ עצמים בתוך הכלי להרגיש כוח בכיוון ההפוך לכיוון התאוצה. רוב הרקטות מאיצות בקצב המפיק כוח כבידה של כמה ג'י, אבל יכולות לשמור עליה רק למספר דקות עקב אספקת דלק מוגבלת. בתאוריה, מערכת הנעה עם מתקף ספציפי מאוד גבוה ויחס דחף־משקל גבוה, תוכל להאיץ ולהפיק רמות סבירות של כבידה מלאכותית לתקופה ארוכה של זמן. בנוסף, האצה קבועה תספק זמני טיסה קצרים סביב מערכת השמש. חללית המאיצה (ואז מאיטה) ב־1 ג'י תגיע למאדים ב־2–5 ימים, תלוי במרחק היחסי (בינו לבין כדור הארץ). במספר עלילות של מדע בדיוני, תאוצה משמשת ליצירת כבידה מלאכותית בחלליות בין־כוכביות, המונעות באמצעות מערכות הנעה תאורטיות או היפותטיות. בפועל, רעיון זה הוא מעבר לגבול יכולותיה של הטכנולוגיה היום ולא בר מימוש בכלים הנוכחיים.

מסה

דרך נוספת בה אפשר להשיג כבידה מלאכותית היא על ידי התקנת ליבה צפופה במיוחד בתוך החללית, כך שהיא תייצר שדה כבידה מספיק חזק שימשוך את כולם כלפי פנימה. טכנית, זו לא כבידה מלאכותית אלא כבידה אמיתית. כמות גדולה של מסה נדרשת על מנת להפיק כמות קטנה של משיכה מורגשת. אסטרואיד גדול יכול ליצור כמה אלפיות ג'י, ובהוספת מערכת הנעה מסוג כלשהו הוא יכול להיות בסיס לחללית, אם כי הכבידה שייצר תהיה נמוכה מאוד לכל צורך מעשי. בנוסף, המסה תצטרך לנוע עם החללית, ואם על החללית להאיץ באופן ניכר, הדבר יגדיל את צריכת הדלק באופן ניכר. בגלל הסיבות האלה, שיטה זו לא יעילה ליצירת כבידה מלאכותית ודי חסרת תועלת לטיסות מאוישות במערכת השמש.

כוחות גאות

במסלול הקפה סביב כוכב לכת, ניתן להשיג כבידה מלאכותית קטנה מכוחות הגאות; על ידי שתי חלליות אחת מעל השנייה (או חללית ומסה אחרת), המקושרות ברצועה או מוט.

מגנטיות

מדענים יצרו אפקט דומה לגרביטציה באמצעות דיאמגנטיות. דבר זה דורש מגנטים המפיקים שדות מגנטיים כבירים. עד כה, מתקנים מסוג זה הצליחו לגרום לצפרדע קטנה לרחף (ובכך ליצור 1 ג'י שמבטל את הכבידה של כדור הארץ), אך לא יותר מזה, וגם זה דרש מערכת ששוקלת אלפי ק"ג ונמצאת במצב של מוליכות־על עם מערכת קירור והקפאה שדורשת הספק של 6 מגה וואט.

שדות מגנטיים כה חזקים הם מעל הרמה המותרת, והשימוש בשדות כאלה על בני אדם עלול להיות מסוכן. בנוסף, זה ידרוש הימנעות מהנחת חומרים לא־דיאמנגטיים ליד השדות המגנטיים החזקים.

ברם, מתקנים שמשתמשים בדיאמגנטיות יכולים להוכיח את עצמם כמעבדות מצוינות להדמיית תנאי כבידה נמוכה, כאן על פני כדור הארץ. הצפרדע ריחפה כנגד כבידת כדור הארץ, דבר המדמה מצב הקרוב למיקרוגרביטציה, ועל כן ניתן ליצור כוחות נמוכים יותר כדי לדמות תנאים של כבידה על פני הירח או מאדים עם אורגניזמים קטנים כ"שפני ניסיון".

מחולל כבידה/גרביטומגנטיות

במדע בדיוני, כבידה מלאכותית (או ביטול כבידה) נמצאת בחללית שאיננה מסתובבת או מאיצה. נכון להיום, אין שום שיטה להפיק כבידה מלבד שימוש במסה. למרות זאת, היו הרבה טענות לשיטות חלופיות שכאלה במהלך השנים. יוג'ין פודקלטנוב, מהנדס רוסי, טען בתחילת שנות ה־90 של המאה ה־20 שהמציא מתקן המחולל גרביטציה באמצעות מוליך־על מסתובב המפיק שדה גרביטומגנטי, אך לא היה לכך שום אישוש מקבוצות מחקר אחרות ואף התקבלו תוצאות סותרות. ב־2006, קבוצת מחקר שמומנה בידי ESA טענה שייצרה מתקן דומה שהדגים תוצאות דומות ביצירת שדה גרביטומגנטי, אף על פי שהשדה שנוצר היה בעוצמה של 100 מיליוניות ג'י בלבד. European Space Agency, www.esa.int (באנגלית)

במדע בדיוני

כבידה על ידי סיבוב

בסרט 2001: אודיסאה בחלל, צנטריפוגה מסתובבת בחללית "דיסקברי 1" מספקת כבידה מלאכותית. האסטרונאוטים הולכים בה בתוך המעגל; רגליהם כלפי הצד החיצוני וראשם כלפי המרכז, כאשר הרצפה והתקרה מעוקמים כלפי מעלה. נעשה שימוש בסט צילומים עגול ומסתובב לפחות במקרה אחד כדי לעשות את האפקט הזה, כאשר השחקנים תמיד בתחתית, כאשר הם הלכו הסט הסתובב כדי שהשחקנים יישארו בתחתית ולא יפלו כאשר הם הולכים במעלה הסט המסובב. בסרט גם הוצגה תחנת חלל מסתובבת.

בנובלה של לארי ניבן "עולם הטבעת" (Ringworld) הופיע בית גידול ענקי הסובב סביב כוכב, דבר שיצר כבידה מלאכותית על ידי סיבוב. ניבן גם מתייחס לכוח קוריוליס, כאשר הגיבורים רואים מה שנראה כעין ענקית מעל האופק. כאשר הם מתקרבים הם מגלים שזה בעצם הוריקן, אבל מסתובב סביב ציר המקביל לקרקע ולא בניצב לה. הוריקנים גדולים בכדור הארץ מסתובבים בדרך שהם מסתובבים בגלל אפקט קוריוליס. מספר סיפורים של "החלל הידוע" (Known Space) ו"מלחמות מאן-קזין" (Man-Kzin Wars) משתמשים גם הם בכבידה מלאכותית על ידי סיבוב, לפני אימוץ "מקטב הגרביטציה" שיוצר שדות כבידה מלאכותיים.

ביקום של גנדאם, ישנם בתי גידול חלליים הדומים לגלילי אוניל, הנקראים קולוניות. קולוניות אלה הן הבט חשוב של העלילה. הן מסתובבות כדי לייצר כבידה מלאכותית.

בסדרת האנימה "קאובוי ביבופ", הביבופ שולט באזור טבעתי שמייצר כבידה מלאכותית ולעיתים קרובות נראה בשימוש (כאשר שאר הספינה לא מסתובבת).

בספר Rendezvous with Rama והמשכיו (מאת ארתור סי. קלארק) מופיעים מבני חייזרים הדומים לבתי הגידול של אוניל, שמייצרים כבידה של 1 ג'י במחלקת הקרקע שמאפשרת חיים. העלילה משתמשת באופן ניכר בהבדלים בחוזק הכבידה המלאכותית ככל שהעצמים מתקרבים למרכז הגליל המסתובב.

בסדרת הטלוויזיה בבילון 5, ברית הארץ עושה שימוש נרחב בכבידה מלאכותית על ידי סיבוב, בתחנות החלל שלה ובמספר חלליות צבאיות גדולות, וכן בספינות טיולים אזרחיות. ספינות הטיולים יכולות לשנות את קצב הסיבוב באופן הדרגתי בעת הטיסה כדי להתאים את עצמן לכבידה בכוכב היעד, ובכך לעזור לנוסעים להתרגל לכבידה בייעד אליו הם נוסעים.

בסיפורים המבוססים על משחק המחשב "אלפא קנטאורי", האיחוד מספק כבידה מלאכותית על ידי סיבוב, למרות שהמשחק מרמז לטכנולוגיות פחות שגרתיות המפותחות בהמשך.

בטרילוגיה הגאיאנית ("טיטן", "מכשף" ו"שד") של ג'ון וארלי העולם "גאיה", שהוא טורוס בקוטר 1300 ק"מ, מסתובב בקצב של סיבוב כל 61 דקות, מפיק כבידה בעוצמה של רבע ג'י.

במשחק המחשב "Halo: Combat Evolved", הזירה העיקרית בה מתרחשת העלילה היא עולם טבעת מלאכותי שיוצר כבידה מלאכותית על ידי סיבוב שנשלט על ידי מחשב. עולם זה, הנקרא "Halo" (או "Installation 04") הוא בקוטר 10,000 ק"מ והוא בסופו של דבר נהרס בידי הכוחות ששומרים עליו בפעולה. פיצוץ גרעיני מחליש חלק של עולם הטבעת וכוחות צנטרפוגליים קורעים את הטבעת לחלקים.

מחוללי שדה

בסיפורי מדע בדיוני רבים, קיימים מחוללי שדה כבידה, שיוצרים שדה גרביטציה המבוסס על מסה שלא קיימת. ההתייחסות לשדה גרביטציה עוזרת לסיפור ביצירת סביבה דמוית כדור הארץ בתוך חללית, ובמקרה של סרט קולנוע או סדרת טלוויזיה, עוזרת להפקה בכך שזה מקטין את העלויות של אפקטים מיוחדים. מבקר המדע הבדיוני ג'אסטין בי ריי (אורכב 02.10.2007 בארכיון Wayback Machine) הציע את המונח "שטיח גרביטציה" כדי לתאר את הטכנולוגיה הזאת, אך מונח זה לא נכנס לשימוש נרחב.

ביקום של מסע בין כוכבים, כבידה מלאכותית מושגת באמצעות "ציפוי גרביטציה" המשובץ בסיפון הספינה.

• במסע בין כוכבים: אנטרפרייז בפרק "In a Mirror, Darkly" ציפוי הגרביטציה של USS Defiant (NCC-1764) משמש לעבוד התקפה של גורן, באמצעות הגדלת הכבידה בחלק אחד של הספינה. תוקף הגורן מאולץ ליפול לרצפה ולא מסוגל לזוז, בזמן שג'ונתו ארצ'ר הרג אותו בקלות.
• בנג'מין סיסקו בנה העתק של חללית מדגם שייטת-שמש באג'וראנית. מאחר שחלליות אלה בדרך כלל לא היו מצוידות בכבידה מלאכותית, סיסקו הוסיף ציפוי גרביטציה כדי להקל עליו ועל ג'ייק סיסקו להטיס את הספינה (מסע בין כוכבים: חלל עמוק 9, הפרק Explorers")

בסדרת הטלוויזיה אנדרומדה, המתרחשת אלפי שנים בעתיד, מחוללי כבידה לא רק מספקים כבידה לאנשים בתוך החללית, אלא גם מפחיתים ממסת החללית עצמה לפחות מק"ג. דבר זה מגדיל מאוד את יעילות ההנעה המגנטו-פלזמית שלהם, ומאפשרת להם להריץ ממנוחה למהירויות קרובות למהירות האור בזמן קצר.

קישורים חיצוניים

מדיה וקבצים בנושא כבידה מלאכותית בוויקישיתוף

• אשלין נוטסן וסוכנות החלל הישראלית, מלגאי סוכנות החלל הישראלית זכה בפרס מנאס"א עבור תכנון חללית למאדים, 28.08.2018
• רשימת מאמרים על כבידה מלאכותית (באנגלית)
• עמוד הבית של ניסוי בכבידת מאדים (באנגלית)
• מחשבון כבידה מלאכותית על ידי סיבוב (באנגלית)
• סקירה של כבידה מלאכותית במדע בדיוני ומדעי החלל (באנגלית)
• תיאור של כבידה מלאכותית (באנגלית)
• סימולטור ג'אווה של כבידה מלאכותית, ג'אווה באתר נאס"א (באנגלית)
• אתר האינטרנט הרשמי של המכון לכבידה מלאכותית (באנגלית)
• הליכה על מאדים, הרצאה בערוץ "TEDx Talks", באתר יוטיוב (אורך: 13:51), 26 באפריל 2016 (באנגלית)
• כבידה מלאכותית, סרטון בערוץ "Cool Worlds", באתר יוטיוב (אורך: 31:47), 10 בינואר 2019 (באנגלית)