Come si può creare la gravità artificiale?

Uno dei problemi maggiori che incontriamo durante i viaggi nello spazio è l’atrofia che avviene nei corpi degli astronauti a causa della microgravità. Gli astronauti della stazione spaziale internazionale (ISS) devono esercitarsi più volte al giorno per mantenere la loro forza muscolare e ridurre l’osteoporosi, ma potrebbe esserci un’alternativa. Possiamo creare gravità artificiale? Questo video di Real Engineering cerca di rispondere a questa domanda.

Quest’idea è già nota a molti, in quanto è stata portata al grande schermo da film come “2001: Odissea nello spazio”, dove l’intera stazione spaziale è in rotazione continua al fine di creare gravità artificiale. Nel film, le persone nella stazione spaziale sono in grado di camminare normalmente, come se fossero sulla terra grazie all’utilizzo della forza centrifuga. A questo riguardo c’è un po’ di confusione sul fatto che questa forza esista o meno: cerchiamo di chiarire questo dubbio. La NASA, negli anni ’60 ha costruito un’enorme centrifuga per testare la forza centrifuga. Nella prima parte del video osserviamo questa centrifuga in azione da un sistema di riferimento inerziale, ovvero da una prospettiva esterna, dalla quale vediamo che non vi è alcuna forza che spinge all’esterno l’uomo al suo interno, semplicemente la sua inerzia lo spinge a continuare la rotazione ed il pavimento gli fornisce una forza centripeta che gli impedisce di uscire dalla rotazione. Cosa succede se invece osserviamo l’uomo nella centrifuga con una prospettiva che ruota assieme a lui?

Con questa prospettiva è il mondo a ruotare mentre lui resta fermo. In questa sistema di riferimento la forza centrifuga è assolutamente reale e misurabile: è la forza che lo tiene attaccato al pavimento, come la normale gravità, ma la sua idea di cosa stia causando questa forza è erronea. In fisica ed ingegneria le forza devono sempre essere bilanciate, come dice la terza legge di Newton “Per ogni azione esiste una reazione uguale e contraria”. La forza che applica il pavimento per bloccare l’uomo nella centrifuga dal volare all’esterno è bilanciata dalla forza centrifuga, che esiste solo durante la rotazione e smette di esistere una volta che la rotazione si ferma.

Se questo principio funziona così bene, perchè non abbiamo già delle stazioni spaziali in rotazione? Un primo problema è la dimensione: per avere una stazione che funzioni propriamente dovrebbe avere dimensioni enormi, con altrettanto enormi costi per portarla in orbita. La forza centrifuga generata è infatti direttamente proporzionale alla velocità ed al raggio di rotazione. Possiamo calcolare la forza di gravità che produrrebbe la stazione spaziale V del film “2001: Odissea nello spazio”: questa aveva un diametro di 300 metri ed effettuava una rotazione ogni 60 secondi. La gravità che questa genererebbe sarebbe quindi simile a quella presenta sulla Luna, circa 1.65 ms^2 (a=ω^2*r dove a-accellerazione, ω-velocità angolare e r- raggio). Per arrivare ad una gravità simile a quella della terra (9.807 ms^2), dovrebbe effettuare una completa rotazione ogni 25 secondi. Se invece prendessimo le dimensioni della attuale ISS, che ha un raggio di 25 metri, allora dovrebbe effettuare una rotazione ogni 10 secondi, il che sarebbe alquanto disorientante, come mostrato anche nel film “Gravity”.

Un ulteriore problema nel generare gravità in stazioni di piccole dimensioni è il gradiente di accelerazione che gli astronauti sentirebbero. La forza centrifuga è direttamente proporzionale al raggio, pertanto con piccoli raggi la differenza della distanza dal centro tra i piedi e la testa sarebbe relativamente rilevante e la testa sentirebbe meno forza di gravità rispetto ai piedi. Questo avrebbe l’effetti di influenzare l’apparato circolatorio, spingendo il sangue verso i piedi con più forza. Quest’effetto diminuisce se le dimensioni del raggio aumentassero considerevolmente e quindi non sarebbe un problema con stazioni di enormi dimensioni, i conti così aumenterebbero enormemente. Al momento l’ISS ha un grande valore per lo studio degli effetti della microgravità sul nostro organismo.  

Se invece quello del costo non fosse un limite, quanti soldi e materiali servirebbero per costruire e portare in orbita una stazione come Elysium, dall’omonimo film. Questa stazione aveva lo scopo di fornire una nuova casa a un piccola élite di uomini al fine di scappare dai disordini che perseveravano sulla Terra. Le dimensioni di Elysium sono gigantesche rispetto alla stazione spaziale V, con un diametro di ben 16 km ed un peso stimato di un milioni di ti tonnellate. Space X può inviare in orbita un kg di materiale al costo di circa 2700€ l’uno, con il razzo Falcon 9, costo che sarebbe ridotto a 1650€ con la variante pesante dello stesso. Sarebbero però necessari ben 18382 lanci per inviare in orbita il materiale necessario, per un costo totale di 1.65 trilioni di € solo per inviare in orbita il materiale necessario, al quale si deve aggiungere il costo per costruire la struttura. Questo costo è molto più difficile da calcolare, ma possiamo prendere come riferimento dall’ISS. Si stima che sia costata in totale 150 miliardi di €. Per inviare in orbita le sue componenti ci sono voluti 36 lanci di shuttle, per un costo di  50.4 miliardi di €. Il costo dei lanci ha quindi costituito solo il 33% del costo totale. Traslando questo calcolo per Elysium, il costo totale si aggirerebbe a 5 trilioni di € (62.3 volte il patrimonio di Bill Gates). A bordo dell’Elysium erano ospitati circa 500 milioni di persone, pertanto il costo pro-capite si aggirerebbe attorno ai 10 milioni di €. Considerando il numero di persone con un capitale simile oggi non si tratterebbe di un costo impossibile ed il costo dei viaggi nello spazio è destinato a ridursi in futuro.

I materiali esistenti oggi sono inoltre in grado di sostenere una struttura come quella di Elysium. Le forze in atto in questa stazione sono simile a quelle che sopporta l’ISS, ad eccezione dello stress aggiuntivo creato dalla forza centripeta e centrifuga. Gli ideatori di Elysium hanno tenuto conto di questi fattori quando hanno ideato la stazione per il film. Lo stress da rotazione è massimo in prossimità dell’asse di rotazione e diminuisce con la distanza; sarebbe pertanto necessaria una struttura più resistente in prossimità del centro di rotazione. Si nota, infatti, che la struttura di Elysium da loro ideata possiede delle colonne più affusolate a maggiore distanza dal centro. Un problema non indifferente che oggi impedirebbe la costruzione di questa stazione è il fatto che non esiste sulla terra una quantità sufficiente di alluminio per costruire questa struttura; ci impiegheremmo più di 10 anni a raccogliere il materiale necessario deviando verso questo scopo l’intera produzione mondiale di alluminio, con ulteriori aumenti di costo.

Esiste però un’alternativa al lancio di materiali in orbita per l’ipotetica costruzione di Elysium, o di qualsiasi altra struttura orbitante. Esistono sulla Luna e negli asteroidi in prossimità della Terra, molte fonti di metalli, che potremmo imparare a sfruttare. La tecnologia ed il materiale per costruire simile strutture non è quindi oltre le nostre possibilità ed una stazione spaziale come la stazione V è decisamente nel raggio delle nostre attuali possibilità. 

7 Comments on "Come si può creare la gravità artificiale?"

  1. Ho visto il film VALERIAN l’altro giorno sul 2 …e praticamente parla dell’ISS che diventa aggiungendo pezzi su pezzi una vera citta’….così grande che poi la devono “spedire” nello spazio profondo.
    C’e’ il prologo del FILM che e’ molto bello…che fa vedere proprio la stazione come si trasforma diventando ALPHA. Trovate i video su YouTube. Basta scrivere “valerian scena inziale” e lo potrete vedete. A parte l’incongruenza della data 2020 con una stazione molto piu’ grande di quanto non sia adesso (sto film sara’ di qualche anno fa credo) con i Cinesi che fanno il docked con l’ISS mentre nella realta’ nel 2020 i cinesi saranno ricordati ahime’ per altro…è veramente un bel prologo. Poi la musica di Bowie rende tutto molto piu’ avvincente. Beh c’e’ una scena in questo prologo (che viene datata per il 2032…se non ricordo male) dove viene aggiunto alla stazione spaziale un pezzo rotante….senza che la stazione giri….e di colpo hanno la Gravita’ nell’ISS. Qualcosa del genere sarebbe possibile? Far girare astronavi o stazioni spaziali per creare la gravita’ non credo possa essere l’unico metodo…

  2. Secondo me L molte tecnologie non sono state ancora costruite a causa dei soldi,ma se ci pensiamo bene senza quel problema,potremmo riuscire a trovare nuove macchine che vediamo solo nei film di fantascienza. Pensiamo a quando eravamo nel medioevo, nessuno pensava che potessimo andare sulla luna eppure nel secolo scorso ci siamo arrivati . L unico modo per riuscire ad andare avanti è l aiuto di tutti perché anche una persona può fare la differenza

  3. Elia Magrinelli | 15 Maggio 2017 at 23:59 |

    Gentile Carman,
    In quanto dottore in neurobiologia non mi occupo personalmente di fisica, lascio quindi il compito di giudicare la validità a chi ha più competenza di me. La invito pertanto a rivolgere i suoi studi a riviste specializzate e soggette a peer review così che altri laboratori abbiano modo di poter studiare e replicare i suoi esperimenti. Questa pagina è rivolta ad un pubblico non specializzato e non esperto di tematiche scientifiche con il solo scopo di divulgare nozioni di scienza chiaramente verificabili in fonti soggette a peer review.

  4. Cara Elia Magrinelli
    La cancellazione del mio scritto dimostra la vostra piena incompetenza
    della materia di fisica studiato fino ad oggi da voi. Spendete milioni denaro ma per cosa.Basterebbe eseguire gli esperimenti fatti nel mio laboratorio e la scienza ripartirebbe.Il link che tu cerchi lo trovi solo nel mio laboratorio con le mie scoperte che i vostri cervelli essendo fermi agli studi di Eintein non potrete progredire.
    Attendo risposta Cordiali saluti Cortesi Carman

  5. Elia Magrinelli | 24 Novembre 2016 at 17:31 |

    Gentile signor Cortesi, il suo commento è stato precedentemente cancellato in quanto contenente un link. Non potendo verificare da noi il contenuto dei link presentati dai commenti è nostra cura non approvare tali commenti. [EM]

  6. Vergognatevi non è leale cancellare chi non pensa erroneamente come voi la fisica .Nel mio laboratorio ho ottenuto prove reali ,quindi sono più che certo del mio scritto , grazie alle prove reali ,ma purtroppo da quattro cento anni ad oggi si insiste nella pura ignoranza.Signori destatevi .Leggete il mio sito le pag. 23 – 24 – 25 con mente aperta e non preconcetta Scusatemi Cortesi

  7. Luca Bandini | 2 Novembre 2016 at 16:41 |

    E se si riuscisse a costruire i famosi ascensori orbitali? Pare che ci siano compagnie giapponesi che sostengo no di poterlo fare entro il 2050 con la tecnologia dei nanotubi di carbonio……..bello sarebbe, no??

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