Ako deti sme sa vozili na kolotočoch. V ďalekej budúcnosti budú ľudia možno na jednom bývať. Súčasťou futuristických filmov sú často obrovské rotujúce vesmírne stanice, v angličtine nazývané aj O’Neill cylinder. Tento koncept prvýkrát predstavil americký astrofyzik Gerard Kitchen O’Neill (1927 – 1992) v roku 1976 v knihe The High Frontier: Human Colonies in Space (Vysoká hranica: Ľudské kolónie vo vesmíre).
Astronauti, či už na Medzinárodnej vesmírnej stanici ISS alebo kdekoľvek inde vo vesmíre, čelia jednému základnému problému – absencii gravitácie. V beztiažovom stave pracujú niekedy aj mesiace, pričom si musia navyknúť na zmeny v mnohých bežných denných rutinách. S dlhodobým pobytom vo vesmíre sa zároveň spájajú zdravotné problémy ako ochabnutie svalov či rednutie kostí. Pre vzdialenú budúcnosť veľkých vesmírnych staníc s tisíckami dlhoročných obyvateľov je takéto fungovanie veľmi ťažko predstaviteľné. Vo filmoch sú často stvárnené akési generátory umelej gravitácie bez bližšieho vysvetlenia. Fyzika však ponúka aj iné reálne riešenie.
Napodobnenie gravitácie
Teleso zotrváva v pokoji alebo v rovnomernom priamočiarom pohybe, kým nie je nútené vonkajšími silami svoj pohybový stav zmeniť, tak znie prvý Newtonov pohybový zákon. Príkladmi z praxe sú cesta autom do zákruty alebo už spomínaná jazda na kolotoči. Cestujúci, ako teleso pohybujúce sa priamočiaro, sú nútení zmeniť smer pohybu v zákrute a pociťujú účinok dostredivej sily, ktorá ich unáša po kružnici. Reakciou na dostredivú silu je odstredivá sila, ktorú zdanlivo vnímame ako gravitáciu. O odstredivej sile je možné presvedčiť sa aj doma. Keď pohár plný vody rýchlym pohybom v ruke pretočíme dookola o 360 stupňov, voda sa nerozleje. Keby stanicu ISS roztočili okolo svojej osi, astronautov by pritlačilo o steny. Rozdiely v sile tejto zdanlivej gravitácie na rôznych miestach stanice by boli extrémne. Sila sa zväčšuje s polomerom otáčania aj so zvyšovaním rýchlosti otáčania. No platí, že čím väčšia konštrukcia, tým pomalšia rýchlosť otáčania je potrebná na dosiahnutie zdanlivej pozemskej gravitácie na okrajoch konštrukcie. Pri dostatočnom priemere stanice by obyvatelia rotáciu necítili a nerozpoznali by umelú gravitáciu od skutočnej.
Gigantický obytný valec
Ako najefektívnejší tvar takejto stanice sa uvádza obrovský dutý valec s obývanou celou vnútornou plochou. Na každom mieste odstredivá sila pôsobí smerom von od stredu valca, takže všade by umelá gravitácia smerovala k vnútornej stene. Gerard K. O’Neill ako ideálnu stanicu navrhol valec s dĺžkou 32 km a s priemerom 8 km. Konštrukciu by bolo možné bezpečne postaviť zo súčasných materiálov, ako sú oceľ a železo. Obývateľná plocha by tak bola 804 km2. Aby sa na povrchu gravitácia rovnala zemskej, bola by potrebná rotácia 2,8 stupňa za sekundu, čo predstavuje jedno otočenie približne za 2 minúty (28-krát za hodinu).
Keby sa na výstavbu použili modernejšie materiály ako titán, kevlar, zylon alebo grafén, ktoré by sa v budúcnosti mohli ťažiť z Mesiaca alebo asteroidov, veľkosť stanice by mohla byť niekoľkonásobne väčšia. V pôvodnej predstave mala stanica po stranách veľké sklené okná kvôli prieniku slnečného svetla dovnútra. V praxi by to prinieslo niekoľko problémov: menšiu ochranu proti kozmickému žiareniu a meteoritom, absenciu striedania dňa a noci, a tým narušenie biorytmu obyvateľov. Vhodnejšie by bolo preto celú stanicu obaliť do hrubého ochranného plášťa, ktorý by sa neotáčal. Tento priestor by mohol nájsť využitie aj ako skladové priestory bez nutnosti gravitácie. Pre vnútorné osvetlenie stanice by bolo možné použiť systémy zrkadiel alebo LED technológie.
Medzi Zemou a Mesiacom
V blízkosti planéty Zem je najvhodnejšie stanicu umiestniť v tzv. Lagrangeových bodoch L4 alebo L5. Sú to stabilné body v systéme dvoch kozmických telies, v tomto prípade Zeme a Mesiaca. V týchto miestach sa navzájom zrušia gravitačné pôsobenia dvoch telies a vesmírna stanica by na udržanie na obežnej dráhe spotrebovala oveľa menej paliva. Samozrejme, bolo by potrebné dodržať rôzne bezpečnostné opatrenia v prípade katastrofy. Každá väčšia budova by mohla slúžiť ako samostatný záchranný čln s dostatkom zásob a s možnosťou navigácie návratu na Zem. Jedným z fyzikálnych problémov by pre stanicu predstavoval efekt s názvom precesia. Ten pre telesá rotujúce podľa jednej osi spôsobuje náhle otočenie o 180 stupňov podľa druhej kolmej osi. To by pre stanicu malo devastačné následky, preto by bolo potrebné konštrukčne spojiť dve alebo viac takýchto staníc. Alternatívu riešenia problému precesie predstavuje aj prstenec rotujúci v opačnom smere, ktorý by bol postavený okolo stanice a mohol by byť tiež obývaný a využívaný.
V populárnej kultúre
Koncept rotujúcej stanice sa často objavuje aj vo filmoch alebo v literatúre. Stanica pri planéte Saturn v záverečnej scéne filmu Interstellar od režiséra Christophera Nolana z roku 2014 je práve typu O’Neillovho cylindra. Ide o konštrukciu s veľmi malým priemerom, keďže sa hráčom baseballu ľahko podarí rozbiť okná na dome na opačnej strane. Prstencový typ stanice bol použitý vo filme Elysium od Neilla Blomkampa z roku 2013. Žili na ňom iba tí najbohatší ľudia. Taktiež stanica v seriáli Babylon 5 z roku 1994 mala charakter O’Neillovho cylindra, aj keď to v seriáli nikdy priamo nepovedali. Extrémnejšie alternatívy rotujúcej stanice použili tvorcovia aj v počítačovej hre Halo a tiež Larry Niven vo svojej knižnej sérii Ringworld, kde sa mimoriadne rozľahlá stanica nachádzala po celej dĺžke obežnej dráhy Zeme okolo Slnka.
Planetárne prostredie
Život vnútri stanice by sa príliš neodlišoval od života na Zemi. Dostatočne veľká plocha by poskytla priestor pre všetky profesie, výskum, voľnočasové aktivity aj rodinný život. Celkové prostredie by bolo umelo vytvorené podľa potreby a požiadaviek obyvateľov: rozľahlé zelené plochy s rodinnými domami alebo husto zastavané komerčné zóny, dostatok priestoru na zábavu a relax či napodobeniny historických centier. Pohoria a zalesnené plochy by poskytovali pobyt v prírode, aj keď umelo vytvorenej. V každej stanici by sa musela nájsť tá správna rovnováha pre živočíšnu ríšu. Napríklad pre vtáky by predstavovali veľký problém neprítomnosť magnetického poľa a slabnúca gravitácia s výškou letu (presne v strede objemu stanice na osi otáčania by gravitácia nebola). Búrkové oblaky sa bežne tvoria od výšky 500 metrov. Pri priemere 8 kilometrov by každá stanica mala vlastné počasie. Coriolisove sily, ktoré sa prejavujú vnútri rotujúcich telies, by vytvorili prúdenie vzduchu a výkyvy počasia. Obyvatelia by však nezažívali silné búrky, iba občasný jemný dážď, vietor a kolísanie teploty. Umelým korigovaním teploty by prebiehalo striedanie ročných období. Prípadne by mohlo byť v jednom valci neustále leto a v druhom chladnejšie počasie na zimné dovolenky. Ďalší valec by mohol byť napríklad venovaný iba vedeckému výskumu alebo obrovskému univerzitnému kampusu. Iný by zasa mohol byť primárne pre voľne žijúce zvieratá – niečo ako obrovský národný park s možnosťou návštev s vyhliadkovými rampami vo výške nenarúšajúcej život zvierat (ideálna zoologická záhrada). V každej takejto stanici by to mohlo vyzerať úplne inak. Bol by to väčšmi malý národ ako vesmírna stanica.
Prierez systémom viacerých spojených rotujúcich staníc, každá s iným využitím
Text a foto Stanislav Griguš
Fakulta matematiky, fyziky a informatiky
Univerzita Komenského v Bratislave
Videá autora nájdete na YouTube kanáli bit.ly/ToAkoPreco.
