Worldlex Wiki 
La gravité artificielle consiste à créer une force d'inertie qui imite les effets de la force gravitationnelle , généralement par rotation . La gravité artificielle, ou gravité rotationnelle , correspond ainsi à l'apparition d'une force centrifuge dans un référentiel en rotation (la transmission de l'accélération centripète par la force normale dans le référentiel non rotatif), par opposition à la force ressentie lors d' une accélération linéaire , qui, par principe d'équivalence, est indiscernable de la gravité. Plus généralement, le terme « gravité artificielle » peut également désigner l'effet d'une accélération linéaire, par exemple au moyen d'un moteur-fusée .
La gravité simulée rotationnelle a été utilisée dans des simulations pour aider les astronautes à s'entraîner aux conditions extrêmes. Elle a également été proposée comme solution aux effets néfastes sur la santé causés par une apesanteur prolongée lors des vols spatiaux habités . Cependant, il n'existe actuellement aucune application pratique de la gravité artificielle pour les humains dans l'espace, en raison des contraintes liées à la taille et au coût d'un vaisseau spatial nécessaire pour produire une force centripète efficace , comparable à l'intensité du champ gravitationnel terrestre ( g ). Les scientifiques s'inquiètent de l'effet d'un tel système sur l'oreille interne des occupants. Ils craignent que l'utilisation de la force centripète pour créer une gravité artificielle ne provoque des perturbations de l'oreille interne, entraînant nausées et désorientation. Ces effets indésirables pourraient s'avérer intolérables pour les occupants.
Dans le contexte d'une station spatiale en rotation, c'est la force radiale exercée par la coque du vaisseau qui agit comme force centripète. Ainsi, la force de « gravité » ressentie par un objet est la force centrifuge perçue dans le référentiel en rotation comme étant dirigée vers le bas, en direction de la coque.
D'après la troisième loi de Newton , la valeur de la petite accélération (l'accélération « vers le bas » perçue) est égale en magnitude et opposée en direction à l'accélération centripète. Ce principe a été testé avec des satellites comme Bion 3 (1975) et Bion 4 (1977) ; tous deux étaient équipés de centrifugeuses permettant de placer certains échantillons dans un environnement de gravité artificielle.
Différences par rapport à la gravité normale
Du point de vue des personnes en rotation avec l'habitat, la gravité artificielle par rotation se comporte de manière similaire à la gravité normale, mais avec les différences suivantes, qui peuvent être atténuées en augmentant le rayon d'une station spatiale.
- La force centrifuge varie avec la distance : contrairement à la gravité réelle, la force apparente ressentie par les observateurs dans l’habitat s’exerce radialement vers l’extérieur à partir de l’axe, et cette force est directement proportionnelle à la distance par rapport à l’axe de l’habitat. Avec un faible rayon de rotation, la tête d’une personne debout ressentirait une gravité nettement inférieure à celle de ses pieds. De même, les passagers qui se déplacent dans une station spatiale subissent des variations de poids apparent dans différentes parties du corps.
- L' effet Coriolis génère une force apparente qui s'exerce sur les objets en mouvement par rapport à un référentiel en rotation. Cette force apparente agit perpendiculairement au mouvement et à l'axe de rotation, et tend à courber le mouvement dans le sens inverse de la rotation de l'habitat. Si un astronaute, dans un environnement de gravité artificielle en rotation, se déplace vers ou s'éloigne de l'axe de rotation, il ressentira une force le poussant dans le sens de la rotation ou à l'opposé. Ces forces agissent sur les canaux semi-circulaires de l'oreille interne et peuvent provoquer des vertiges . Allonger la période de rotation (diminuer la vitesse de rotation) réduit la force de Coriolis et ses effets. On considère généralement qu'à 2 tours par minute ou moins, aucun effet néfaste des forces de Coriolis ne se produit, bien que l'organisme humain puisse s'adapter à des vitesses allant jusqu'à 23 tours par minute .
- Toute modification de l'axe de rotation ou de la vitesse de rotation perturberait le champ de gravité artificielle et stimulerait les canaux semi-circulaires (voir ci-dessus). Tout mouvement de masse à l'intérieur de la station, y compris celui du personnel, modifierait l'axe et pourrait potentiellement provoquer une oscillation dangereuse. Par conséquent, la rotation d'une station spatiale doit être correctement stabilisée, et toute opération visant à la modifier délibérément doit être effectuée suffisamment lentement pour être imperceptible. Une solution possible pour empêcher l'oscillation de la station consisterait à utiliser sa réserve d'eau liquide comme ballast, qui pourrait être pompée entre les différentes sections de la station selon les besoins.
vols spatiaux habités
La mission Gemini 11, lancée en 1966, tenta de créer une gravité artificielle en faisant tourner la capsule autour du véhicule cible Agena auquel elle était reliée par un câble de 36 mètres. Les astronautes parvinrent à générer une faible gravité artificielle, d'environ 0,00015 g , en actionnant leurs propulseurs latéraux pour faire tourner lentement l'ensemble, à la manière de deux bolas au ralenti . La force résultante était trop faible pour être ressentie par les astronautes, mais des objets furent observés se déplacer vers le « plancher » de la capsule.
Avantages sociaux
La gravité artificielle a été proposée comme solution aux divers risques sanitaires liés aux vols spatiaux. En 1964, le programme spatial soviétique estimait qu'un être humain ne pouvait survivre plus de 14 jours dans l'espace, craignant que son cœur et ses vaisseaux sanguins ne soient pas capables de s'adapter à l'apesanteur. Cette crainte s'est avérée infondée, les vols spatiaux ayant depuis duré jusqu'à 437 jours consécutifs, les missions à bord de la Station spatiale internationale durant généralement six mois. Cependant, la question de la sécurité humaine dans l'espace a suscité des recherches sur les effets physiques d'une exposition prolongée à l'apesanteur. En juin 1991, à bord de la navette spatiale lors de la mission STS-40, le Spacelab Life Sciences 1 a mené 18 expériences sur deux hommes et deux femmes pendant neuf jours. En l'absence de gravité, il a été constaté une diminution de la réponse des globules blancs et de la masse musculaire . De plus, au cours des premières 24 heures passées en apesanteur, le volume sanguin a diminué de 10 %. De longues périodes d'apesanteur peuvent provoquer un œdème cérébral et des troubles de la vision. Au retour sur Terre, les effets d'une apesanteur prolongée continuent d'affecter le corps humain : les fluides s'accumulent dans le bas du corps, le rythme cardiaque s'accélère, la pression artérielle chute et la tolérance à l'effort diminue .
La gravité artificielle, de par sa capacité à imiter l'action de la gravité sur le corps humain, est considérée comme l'une des solutions les plus complètes pour lutter contre les effets physiques inhérents à l'apesanteur. D'autres mesures, telles que l'exercice physique, l'alimentation et les combinaisons de Pingvin , ont été proposées comme traitements symptomatiques . Cependant, ces méthodes sont critiquées car elles n'éliminent pas totalement les problèmes de santé et nécessitent une approche globale. La gravité artificielle, en revanche, permettrait de supprimer l'apesanteur inhérente aux voyages spatiaux. Grâce à elle, les astronautes n'auraient plus à subir l'apesanteur ni ses effets secondaires. Dans le cadre d'un voyage moderne de six mois vers Mars , une exposition à la gravité artificielle, continue ou intermittente, est notamment envisagée afin de prévenir une grave dégradation de l'état des astronautes durant le voyage.
Propositions
Plusieurs projets ont intégré la gravité artificielle dans leur conception :
- Kosmos 936 : Satellite de recherche médicale collaborative lancé en 1977 par l’Union soviétique, il a notamment mené des expériences sur les effets de la gravité artificielle centrifuge sur des rats. Les rats placés dans les centrifugeuses présentaient une densité osseuse supérieure à leur retour à la surface par rapport à ceux qui n’y avaient pas été exposés, mais inférieure à celle des rats restés sur Terre.
- Discovery II : un projet de véhicule de 2005 capable de transporter un équipage de 172 tonnes en orbite autour de Jupiter en 118 jours. Une très petite partie de l’engin de 1 690 tonnes serait constituée d’une station spatiale centrifuge.
- Véhicule d'exploration spatiale multi-missions (MMSEV) : proposition de la NASA de 2011 pour un véhicule de transport spatial habité de longue durée ; il comprenait un habitat spatial à gravité artificielle rotative destiné à préserver la santé d'un équipage de six personnes maximum lors de missions d'une durée maximale de deux ans. La centrifugeuse annulaire torique utiliserait des structures de vaisseau spatial à la fois métalliques standard et gonflables et générerait une accélération de 0,11 à 0,69 g si elle était construite avec l' option de diamètre Démonstration de centrifugeuse pour l'ISS : proposition de la NASA datant de 2011 pour un projet de démonstration préparatoire à la conception finale de l'habitat spatial à centrifugeuse torique de plus grande taille destiné au véhicule d'exploration spatiale multimission (MMSV). La structure aurait un diamètre extérieur de Mars Direct : Projet de mission habitée vers Mars conçu par les ingénieurs de la NASA Robert Zubrin et *The Case for Mars* . L’« Unité d’habitat martienne », qui devait transporter les astronautes sur Mars pour rejoindre le « Véhicule de retour sur Terre » lancé précédemment, aurait bénéficié d’une gravité artificielle générée en vol grâce à la liaison de l’étage supérieur usagé du lanceur à l’Unité d’habitat, les deux éléments étant mis en rotation autour d’un axe commun.
- La mission Tempo3 proposée fait tourner deux moitiés d'un vaisseau spatial reliées par un câble pour tester la faisabilité de la simulation de la gravité lors d'une mission habitée vers Mars.
- Le Mars Gravity Biosatellite était une mission proposée visant à étudier l'effet de la gravité artificielle sur les mammifères. Un champ de gravité artificiel de 0,38 g (équivalent à la gravité à la surface de Mars ) devait être produit par rotation (32 tr/min, rayon d'environ 30 cm). Quinze souris auraient orbité autour de la Terre en orbite terrestre basse (LEO ) pendant cinq semaines, puis auraient atterri vivantes. Cependant, le programme a été annulé le 24 juin 2009, faute de financement et en raison de changements de priorités à la NASA.
- Vast Space est une société privée qui propose de construire la première station spatiale à gravité artificielle au monde en utilisant le concept de vaisseau spatial rotatif.
Problèmes liés à la mise en œuvre
Si la gravité artificielle reste inutilisée aujourd'hui dans les vols spatiaux, c'est en partie à cause des problèmes inhérents à sa mise en œuvre . Une méthode réaliste pour créer une gravité artificielle repose sur l'effet centrifuge provoqué par la force centripète exercée par le plancher d'une structure en rotation sur la personne. Cependant, ce modèle se heurte à des difficultés liées à la taille du vaisseau spatial. Comme l'ont souligné John Page et Matthew Francis, plus un vaisseau est petit (et donc plus son rayon de rotation est court), plus la rotation requise est rapide. Par conséquent, pour simuler la gravité, il serait préférable d'utiliser un vaisseau spatial plus grand, tournant lentement.
Les exigences dimensionnelles liées à la rotation sont dues aux forces différentes exercées sur les parties du corps à différentes distances de l'axe de rotation. Si les parties du corps proches de l'axe de rotation subissent une force sensiblement différente de celle des parties plus éloignées, cela pourrait avoir des conséquences néfastes. De plus, la question de la meilleure façon d'amorcer le mouvement de rotation sans perturber la stabilité de l'orbite de l'ensemble du vaisseau spatial reste posée. À l'heure actuelle, aucun vaisseau n'est suffisamment massif pour répondre aux exigences de rotation, et les coûts associés à la construction, à la maintenance et au lancement d'un tel engin sont considérables.
En général, compte tenu du faible nombre d'effets négatifs sur la santé présents lors des vols spatiaux actuels, généralement plus courts, ainsi que du coût très élevé de la recherche pour une technologie qui n'est pas encore réellement nécessaire, le développement actuel de la technologie de la gravité artificielle a nécessairement été freiné et sporadique.
À mesure que la durée des vols spatiaux s'allonge, le besoin de gravité artificielle pour les passagers lors de ces longs séjours augmentera certainement, de même que les connaissances et les ressources disponibles pour la créer. En résumé, il ne s'agit probablement que d'une question de temps avant que les conditions ne soient réunies pour achever le développement de la technologie de gravité artificielle, qui sera presque certainement nécessaire à terme, parallèlement à l'augmentation inévitable de la durée moyenne des vols spatiaux.
En science-fiction
Plusieurs romans, films et séries de science-fiction ont mis en scène la production de gravité artificielle.
- Dans le film 2001 : L’Odyssée de l’espace , une centrifugeuse rotative à bord du vaisseau Discovery recrée la gravité artificielle pour les astronautes. La totalité de la Station spatiale internationale (SST5) pivote pour générer une force d’appui de 1 g dans l’environnement apesanteur de ses anneaux extérieurs ; le module d’amarrage central reste proche de l’apesanteur.
- Dans la série télévisée Cowboy Bebop de 1999 , un anneau rotatif à l'intérieur du vaisseau spatial Bebop crée une gravité artificielle dans tout le vaisseau.
- Dans le roman Seul sur Mars , le vaisseau spatial Hermes parvient à créer une gravité artificielle grâce à sa conception ; il utilise une structure annulaire à la périphérie de laquelle on ressent des forces équivalant à environ 40 % de la gravité terrestre, similaires à la gravité martienne.
- Dans le roman Project Hail Mary du même auteur, le poids du vaisseau éponyme Hail Mary est initialement fourni par la poussée du biomoteur, car le vaisseau est capable d'une accélération constante jusqu'à Interstellar met en scène un vaisseau spatial appelé l' Endurance , capable de tourner sur son axe central pour créer une gravité artificielle, contrôlée par des rétropropulseurs situés à bord du vaisseau.
- Le film Stowaway de 2021 met en scène l'étage supérieur d'un lanceur relié par des câbles de 450 mètres de long à la coque principale du navire, agissant comme contrepoids pour la gravité artificielle basée sur l'inertie .
- La série The Expanse utilise à la fois la gravité rotationnelle et la gravité linéaire dans diverses stations et vaisseaux spatiaux. Notamment, la station Tycho et le vaisseau générationnel LDSS Nauvoo utilisent la gravité rotationnelle. La gravité linéaire est fournie par un « moteur Epstein » fictif, qui a coûté la vie à son créateur, Solomon Epstein, lors de son vol inaugural, des suites de blessures dues à une gravité extrême.
- Dans la série télévisée For All Mankind , l'hôtel spatial Polaris , rebaptisé plus tard Phoenix après avoir été acheté et transformé en vaisseau spatial par Helios Aerospace pour leur propre mission sur Mars, présente une structure en forme de roue contrôlée par des propulseurs pour créer une gravité artificielle, tandis qu'un moyeu axial central fonctionne en apesanteur comme station d'amarrage.
Accélération linéaire
Pour simuler la gravité terrestre, les vaisseaux spatiaux utilisant une gravité à accélération linéaire pourraient être construits à l'image d'un gratte-ciel, leurs moteurs constituant le « rez-de-chaussée ». Si le vaisseau accélérait à 1 g (l'attraction gravitationnelle terrestre), les occupants seraient plaqués contre la coque avec la même force et pourraient ainsi marcher et se comporter comme sur Terre.
Cette forme de gravité artificielle est intéressante car elle pourrait créer l'illusion d'un champ gravitationnel uniforme et unidirectionnel à bord d'un vaisseau spatial, sans nécessiter de grands anneaux rotatifs dont les champs gravitationnels pourraient être non uniformes, non unidirectionnels par rapport au vaisseau et exigeraient une rotation constante. Elle présenterait également l'avantage d'une vitesse relativement élevée : un vaisseau spatial accélérant à 1 g (9,8 m/s² ) pendant la première moitié du voyage, puis décélérant pendant la seconde moitié, pourrait atteindre Mars en quelques jours. De même, un voyage spatial hypothétique utilisant une accélération constante de 1 g pendant un an permettrait d'atteindre des vitesses relativistes et d'effectuer un aller-retour vers l'étoile la plus proche, Proxima du Centaure . Ainsi, une accélération linéaire à faible impulsion mais de longue durée a été proposée pour diverses missions interplanétaires. Par exemple, même des charges utiles lourdes (100 tonnes ) à destination de Mars pourraient être transportées sur Mars en LEO à l'arrivée sur une orbite martienne, fournissant un faible gradient de gravité au vaisseau spatial pendant tout le voyage.
Cette forme de gravité n'est toutefois pas sans défis. À l'heure actuelle, les seuls moteurs pratiques capables de propulser un vaisseau à une vitesse comparable à celle de l'attraction terrestre sont des fusées à réaction chimique . Ces dernières éjectent de la masse réactionnelle pour générer la poussée, et l'accélération ne pourrait donc durer que tant que le vaisseau dispose de carburant. De plus, le vaisseau devrait accélérer constamment à vitesse constante pour maintenir l'effet gravitationnel. Par conséquent, il serait en apesanteur à l'arrêt et pourrait subir d'importantes variations de force g s'il accélère au-dessus ou en dessous de 1 g . Enfin, pour les voyages point à point, comme les traversées Terre-Mars, les vaisseaux devraient accélérer constamment pendant la moitié du trajet, couper leurs moteurs, effectuer une rotation de 180°, réactiver leurs moteurs, puis entamer une décélération vers la destination. Ceci impliquerait que tout ce qui se trouve à bord soit en apesanteur et soit potentiellement solidement arrimé pendant la durée de la rotation.
Un système de propulsion à impulsion spécifique très élevée (c'est-à-dire une bonne efficacité d'utilisation de la masse de réaction embarquée et utilisée pour la propulsion) pourrait accélérer plus lentement, produisant ainsi des niveaux de gravité artificielle utiles pendant de longues périodes. Divers systèmes de propulsion électrique en sont des exemples. Les propulseurs à effet Hall et les fusées magnétoplasmiques à impulsion spécifique variable (VASIMR) sont deux exemples de ce type de propulsion à longue durée, faible poussée et forte impulsion, qui ont déjà été utilisés sur des engins spatiaux ou dont l'utilisation dans l'espace est prévue à court terme. Ces deux systèmes offrent une impulsion spécifique très élevée , mais une poussée relativement faible, comparée aux fusées à réaction chimique plus classiques. Ils sont donc parfaitement adaptés aux allumages de longue durée, qui permettraient de générer des niveaux de gravité artificielle de l'ordre du milligramme , certes limités, mais stables sur le long terme, à bord des engins spatiaux.interstellaires , propulsés par des moyens encore théoriques ou hypothétiques .
Cet effet d'accélération linéaire est couramment utilisé pour la gestion des fluides cryogéniques à 0 g pour les tirs spatiaux post-lancement (supplémentaires) des étages supérieurs des fusées.
Les montagnes russes , notamment celles à propulsion électromagnétique , peuvent générer une « gravité » à accélération linéaire, tout comme les véhicules à accélération relativement élevée, tels que les voitures de sport . Cette accélération linéaire peut être utilisée pour procurer des sensations d'apesanteur sur les montagnes russes et autres attractions à sensations fortes.South China Morning Post a rapporté que la Chine avait construit une petite installation de recherche ( centimètres de diamètre ) destinée à simuler la faible gravité lunaire à l'aide d' aimants . Cette installation aurait été en partie inspirée par les travaux d' André Geim (qui a partagé le prix Nobel de physique en 2010 pour ses recherches sur le graphène ) et de Michael Berry , tous deux lauréats du prix Ig Nobel de physique en 2000 pour la lévitation magnétique d'une grenouille.