דעה/כבידה ומהירות מקסימלית- השאיפה האולטימטיבית בטיסות חלל מאוישות ארוכות

בטיסות מאוישות ארוכות, התנאים של חוסר משקל הקיימים בחלל אינם התנאים האידיאלים הנחוצים לנוסעי החלל למיניהם * שאיפת הנוסעים תהיה בדרך כלל, לטוס ברוב זמן הטיסה, עם הרגשת הכבידה לה הם רגילים בכדור הארץ,

הקדמה

טיסות החלל העתידיות תתחלקנה לשני קטגוריות עיקריות: טיסות מאוישות וטיסות לא מאוישות. לגבי הטיסות הלא מאוישות לא תהיה חשיבות לחוסר המשקל הקיים במשך רוב הטיסה. קרוב לוודאי שהדבר לא יפריע ולרוב אף יואיל. לעומת זאת בטיסות מאוישות ארוכות, התנאים של חוסר משקל הקיימים בחלל אינם התנאים האידיאלים הנחוצים לנוסעי החלל למיניהם. ידועה תופעת איבוד חומר העצם לנוסעים בחוסר כבידה ותתכנה תופעות נוספות פסיכולוגיות הנובעות מחוסר המשקל. שאיפת הנוסעים תהיה בדרך כלל, לטוס ברוב זמן הטיסה, עם הרגשת הכבידה לה הם רגילים בכדור הארץ, ועל מתכנני טיסות עתידיות לתת את ה”מצרך” החשוב הזה. דרישה נוספת של נוסעי החלל היא לעשות זאת במהירות המקסימלית האפשרית.

כיצד תושג הכבידה?

ידוע לנו מתורת היחסות שתאוצה היא שוות ערך לכבידה. אדם הנמצא בתא סגור, לא יוכל להבחין אם תחושת הכבידה שהוא מרגיש נובעת מזה שהוא נמצא ליד מסה גדולה הפועלת עליו, או שהוא נימצא בתאוצה.

לכן בכדי לקיים את הדרישה לכבידה אצל נוסעי העתיד בחלל, יהיה נוח לספק להם טיסה בתאוצה של אחד ג'י (9.8 מטר לשניה בריבוע) כדי להגיע לתחושה של כבידה הזהה לזו שעל פני כדור הארץ.

האפשרות להשגת התאוצה ג'י יכולה להיעשות בשתי דרכים:

א. בעזרת תאוצה רדיאלית הנוצרת מסיבוב.
ב. תאוצה קווית בכיוון תנועת החללית.

השיטה הרדיאלית תעשה ע”י סבוב החללית סביב ציר דמיוני הנמצא במרכז הכובד שלה כאשר הכבידה עצמה תושג ע”י הכוח הצנטרפוגלי, הדוחף את הגופים מן המרכז , החוצה. חישוב גודל הכבידה יעשה על פי הנוסחה: ג'י שווה V בריבוע חלקי R. כאשר V היא המהירות ההיקפית של אזור הנוסע במטרים לשניה ו-R הוא מרחקו במטרים מציר הסיבוב וג'י היא תאוצת הכובד (9.8 מ' לשניה בריבוע).
נוכל לומר גם שמכיוון ש- V ניתן לחישוב כהיקף הסיבוב חלקי זמן סיבוב אחד T, אזי אם נציב זאת בנוסחה נקבל ש T שווה לשני שורש R. (לכל מי שרוצה, פיתוח הנוסחה ממש פשוט וניתן לעשות זאת לבד).

נביא דוגמאות מספריות:
נניח R הוא 100 מ', אזי זמן מחזור סיבוב של אזור הנוסע סביב הציר לצורך השגת תאוצה של אחד ג'י תהיה 20 שניות. ואם נניח R יהיה רק 10 מטר, אזי זמן המחזור לצורך השגת אחד ג'י יהיה 6.3 שניות.

מרגע שהושג הסיבוב הנ”ל אין צורך בתוספת אנרגיה והסיבוב ימלא את תפקיד הכבידה שלו בהצלחה. זאת הסיבה שזאת השיטה הנבחרת לביצוע הכבידה ברוב המאמרים המדעים. אבל אסור להתעלם ממספר חסרונות הטמונים בשיטה זו:

א. אי אפשר יהיה לפעול לפי שיטה זו בחלליות קטנות בגלל תופעה מטרידה של סחרחורות הנובעת מהסיבוב התמידי.
ב. רדיוס סבוב קטן יגרום גם לאי נוחות בגלל ההבדלים שיהיו בין הכבידה שתפעל בראשו של הנוסע, לכבידה הגדולה יותר שתפעל ברגליו.
ג. הצורך בחללית גדולה לצורך השגת אפקט גרביטציה נוח.
ד. חללית גדולה יותר תיצור אפשרות גדולה יותר להיתקלות עם חומר בין כוכבי.

נבדוק כעת את האפשרות להשגת הכבידה על פי שיטה ב'- תאוצה קווית בכיוון תנועת החללית.

לפני שאנו מתחילים לדון בשיטה זו, כותב המאמר מצהיר מראש שהשיטה דורשת אמצעי הנעה שאינם קיימים עדיין כיום והם, במקרה הטוב, נמצאים בשלבי ניסוי ראשוניים., אבל המצב מבטיח. אנו נדון בשיטה, נפתח אותה ולאחר נזכיר גם את אמצעי ההנעה.

ובכן, בשיטה זו נשיג את הכבידה, ע”י נתינת תאוצה ג'י לחללית במסלול תנועתה. (לא חשוב כרגע כיצד).
עם הגעת החללית לחצי הדרך למטרתה, היא תסתובב חצי סיבוב סביב צירה, ותעבור למצב של תאוטה. השפעת התאוטה מהבחינה הזאת תהיה זהה לתאוצה לצורך קבלת הכבידה.
למה הדבר דומה, נניח אנו במעלית, בתחילת הטיפוס אנו נדחפים אל קרקעית המעלית ולקראת הסיום , כשהמעלית מאיטה , אנו שואפים ל”הדבק” לתקרה.

בעזרת שיטת התאוצה הקוית נשיג את הפתרונות הבאים:

א. כבידה
ב. השיטה אפשרית גם בחלליות קטנות.
ג. אין תופעות לוואי.
ד. רכב החלל יוכל להיות בשימוש חוזר.
ה. זמן טיסה מינימלי.

לגבי סעיפים א', ב', ג', הדברים ברורים. התאוצה יוצרת כבידה , אפשר להפעיל אותה גם בגופים קטנים ואין תופעות לוואי של סחרחורות וכדומה.

לגבי סעיף ד' היציאה אל החלל ובעיקר החזרה לכדור הארץ יעשו במהירות איטית שלא יגרמו לחימום דפנות החללית עם כל מה שנובע מכך, כך שהחללית, ממש כמו מטוס תוכל להיות בשימוש חוזר.

פועל יוצא משמוש בשיטה זו הוא מהירותה הגדולה של החללית. מכיוון שהתנאים הנוחים ביותר הם של תאוצה ג'י, הרי זו המהירות הנוחה והגדולה ביותר להגיע אל המטרה.
נדון כעת לגבי זמן הטיסה המושג ע”י שיטה זו (סעיף ה').
אנו נשתמש בנוסחה המקשרת את הדרך עם התאוצה כפי שהיא מופיעה בכל ספר מכניקה (S שווה ל- ג'י כפול T ברבוע חלקי שניים). אם לא נשכח שאנו מתחילים להאט בחצי הדרך, נקבל לגבי T זמן הטיסה בשניות ו S מרחק הטיסה הכללי עד הנחיתה במטרים, את הנוסחה:

T שווה 0.64 כפול שורש S. (כולם מוזמנים לעשות זאת בעצמם)

נבדוק מספר זמנים לטיסות:

א. הטיסה לירח כארבע מאות אלף ק”מ- פחות מ- 4 שעות!
ב. הטיסה למאדים כשבעים מיליון ק”מ- פחות מיומיים!
ג. הטיסה לשבתאי כמיליארד ק”מ- כשבוע בלבד!
ד. הטיסה לנפטון, חמישה מיליארד ק”מ- כשבועיים וחצי!
ו. הטיסה למרכז חגורת קוויפר, כולל
נחיתה על אחד השביטים שם, כ- 500
יח' אסטרונומיות מכדור הארץ,
שהן כ- 75 מיליארד ק”מ- כחודשיים!
(1 יח' אסטרונומית שווה ל- 150 מיליון ק”מ.)

אנו רואים שמשך הטיסה יהיה קצר ונוח!

הערה: הדוגמאות לטיסה שהובאו במאמר זה הן עד מרכז חגורת קוויפר המשתרעת ממרחק של שלושים יח' אסטרונומיות, עד למרחק של אלף יח' אסטרונומיות. בטיסה אליו, מהירות החללית תתקרב ל- 10% ממהירות האור (באמצע דרכה) ואנו מתקרבים לחישובים יחסותיים, שאינם מעניינו של מאמר זה.

אמצעי ההנעה המתוכננים.

ישנם כמה אמצעי הנעה המתוכננים כיום, שמסוגלים לתת לנו את התאוצות הגבוהות והממושכות.

א. מנוע הפועל באנרגיה אטומית.
ב. מנוע יונים.
ג. תנועה ע”י רוח השמש.
ד. תנועה ע”י קרן לייזר.
ה. ניצול האיזוטופ הליום שלוש לצורך ייצור האנרגיה לטיסה.

על כל השיטות האלה כבר נחקר ונכתב וכל אחד יוכל להשיג על כך חומר באינטרנט.

נוסיף רק את הפרטים הבאים:
רוח השמש מגיעה עד למיליון ק”מ לשעה.
ניצול האיזוטופ הליום 3 ידרוש להפעיל אמצעי כריה ואיסוף בירח, שם הוא נמצא בכמות רבה.
תנועה על קרן לייזר תדרוש את יצורה מאנרגיית השמש ע”י לווין הנמצא בחלל, או באמצעים אחרים על פני כדור הארץ. הקרן, על אף היותה קרן לייזר מרוכזת, תדרוש שוב, ושוב את ריכוזה בדרכה.

לסיכום

בעיית חוסר הכבידה בטיסות חלל ארוכות מסכנת את בריאותם של הטסים. ניסיונות לעצור את התדרדרות חומר העצם ע”י תרגול מסיבי לאורך כל הטיסה מועיל רק בחלקו. רק גרביטציה מלאה בהתאם לאחת משתי השיטות שהזכרנו (תאוצה רדיאלית או תאוצה קווית) תיתן פתרון לבעיה.
התאוצה הקווית, עם כל היותה בזבזנית באנרגיה יכולה להיות הפתרון כשהאנרגיה ניתנת כמעט חינם, כגון- רוח השמש, קרן לייזר, מנוע אטומי ועוד שיטות עתידיות.
שיטה זו, ברגע שתושג, תוכל להפוך את הטיסה לחלל נוחה, מהירה, כשרכב החלל
ניתן לשימוש חוזר.
שיטת התאוצה הקווית, תהיה השיטה האופטימלית בתנועה במערכת השמש (לפחות) ועל כל צורת תנועה אחרת לשאוף להגיע לתנועה זו במידת האפשר.

ביבליוגרפיה

המדריך לקוסמוס מאת ג'ון גריבין, הוצאת דביר, שנת 2002.

פיזיקה תיכונית- מכניקה, סירס-זימנסקי, הוצאת יבנה.

אסטרונומיה- מדריך להכרת השמיים / יגאל פת-אל.

היקום – יסודות האסטרופיסיקה, מאיר מידב, נח ברוש, חגי נצר,
הוצאת האוניברסיטה הפתוחה, מהדורת 2000.
.
לריכוז מאמריו של יהודה סבדרמיש באתר הידען

https://www.hayadan.org.il/BuildaGate4/general2/data_card.php?Cat=~~~961508397~~~129&SiteName=hayadan