Gravité artificielle

La gravité artificielle est la création d'une force d'inertie qui imite les effets d'une force gravitationnelle , généralement par rotation . La gravité artificielle, ou gravité rotationnelle , est donc l'apparition d'une force centrifuge dans un référentiel rotatif (la transmission de l'accélération centripète via la force normale dans le référentiel non rotatif), par opposition à la force subie dans l'accélération linéaire , qui, par le principe d'équivalence, est indiscernable de la gravité. Dans un sens plus général, la « gravité artificielle » peut également faire référence à l'effet d'une accélération linéaire, par exemple au moyen d'un moteur-fusée .

La gravité artificielle rotationnelle a été utilisée dans des simulations pour aider les astronautes à s'entraîner à des conditions extrêmes. La gravité artificielle rotationnelle a été proposée comme solution aux effets néfastes sur la santé causés par l'apesanteur prolongée dans les vols spatiaux habités . Cependant, il n'existe actuellement aucune application pratique de la gravité artificielle dans l'espace pour les humains en raison des préoccupations concernant la taille et le coût d'un vaisseau spatial nécessaire pour produire une force centripète utile comparable à l'intensité du champ gravitationnel sur Terre ( 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 provoque des troubles de l'oreille interne entraînant des nausées et une désorientation. Les effets indésirables peuvent s'avérer intolérables pour les occupants.

Dans le contexte d'une station spatiale en rotation, c'est la force radiale fournie par la coque du vaisseau spatial qui agit comme force centripète. Ainsi, la force de « gravité » ressentie par un objet est la force centrifuge perçue dans le référentiel rotatif comme pointant « vers le bas » en direction de la coque.

Selon la troisième loi de Newton , la valeur de la petite g (l'accélération « vers le bas » perçue) est égale en amplitude et opposée en direction à l'accélération centripète. Elle a été testée avec des satellites comme Bion 3 (1975) et Bion 4 (1977) ; ils avaient tous deux des centrifugeuses à bord pour placer certains spécimens dans un environnement de gravité artificielle.

Du point de vue des personnes tournant 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 en fonction de la distance : contrairement à la gravité réelle, la force apparente ressentie par les observateurs dans l'habitat pousse radialement vers l'extérieur à partir de l'axe, et la force centrifuge est directement proportionnelle à la distance par rapport à l'axe de l'habitat. Avec un petit rayon de rotation, la tête d'une personne debout ressentirait beaucoup moins de gravité que ses pieds. De même, les passagers qui se déplacent dans une station spatiale ressentent des changements de poids apparent dans différentes parties du corps.
• L' effet Coriolis produit une force apparente qui agit sur les objets en mouvement par rapport à un référentiel rotatif. Cette force apparente agit perpendiculairement au mouvement et à l'axe de rotation et tend à courber le mouvement dans le sens opposé à la rotation de l'habitat. Si un astronaute à l'intérieur d'un environnement de gravité artificielle en rotation se rapproche ou s'éloigne de l'axe de rotation, il ressentira une force le poussant dans ou contre la direction de la rotation. Ces forces agissent sur les canaux semi-circulaires de l'oreille interne et peuvent provoquer des étourdissements . L'allongement de la période de rotation (vitesse de rotation plus faible) réduit la force de Coriolis et ses effets. On pense généralement qu'à 2 tr/min ou moins, aucun effet indésirable des forces de Coriolis ne se produit, bien qu'il ait été démontré que les humains s'adaptent à des vitesses aussi élevées que 23 tr/min .
• Les changements dans l'axe de rotation ou la vitesse d'une rotation provoqueraient une perturbation du champ de gravité artificiel et stimuleraient les canaux semi-circulaires (voir ci-dessus). Tout mouvement de masse à l'intérieur de la station, y compris un mouvement de personnes, déplacerait l'axe et pourrait potentiellement provoquer une oscillation dangereuse. Ainsi, la rotation d'une station spatiale devrait être correctement stabilisée, et toute opération visant à modifier délibérément la rotation devrait être effectuée suffisamment lentement pour être imperceptible. Une solution possible pour empêcher la station de vaciller serait d'utiliser son approvisionnement en eau liquide comme ballast qui pourrait être pompé entre différentes sections de la station selon les besoins.

En 1966, la mission Gemini 11 a tenté de produire une gravité artificielle en faisant tourner la capsule autour du véhicule cible Agena auquel elle était attachée par une longe de 36 mètres. Ils ont pu générer une petite quantité de gravité artificielle, environ 0,00015 g , en allumant leurs propulseurs latéraux pour faire tourner lentement l'engin combiné comme une paire de bolas au ralenti . La force résultante était trop faible pour être ressentie par l'un ou l'autre des astronautes, mais des objets ont été observés se déplaçant vers le « sol » de la capsule.

La gravité artificielle a été proposée comme solution aux divers risques sanitaires associés aux vols spatiaux. En 1964, le programme spatial soviétique pensait qu'un être humain ne pourrait pas survivre plus de 14 jours dans l'espace de peur que le cœur et les vaisseaux sanguins ne soient pas capables de s'adapter aux conditions d'apesanteur. Cette crainte s'est finalement avérée infondée, car les vols spatiaux ont duré jusqu'à 437 jours consécutifs, avec des missions à bord de la Station spatiale internationale durant généralement 6 mois. Cependant, la question de la sécurité humaine dans l'espace a lancé une enquête sur les effets physiques d'une exposition prolongée à l'apesanteur. En juin 1991, un vol Spacelab Life Sciences 1 a effectué 18 expériences sur deux hommes et deux femmes pendant neuf jours. Dans un environnement sans gravité, il a été conclu que la réponse des globules blancs et de la masse musculaire diminuait. De plus, au cours des 24 premières heures passées dans un environnement d'apesanteur, le volume sanguin a diminué de 10 %. De longues périodes d'apesanteur peuvent provoquer un gonflement du cerveau et des problèmes de vue. Au retour sur Terre, les effets de l'apesanteur prolongée continuent d'affecter le corps humain : les fluides s'accumulent dans la partie inférieure du corps, le rythme cardiaque augmente, la pression artérielle chute et la tolérance à l'exercice diminue .

La gravité artificielle, pour sa capacité à imiter le comportement de la gravité sur le corps humain, a été suggérée comme l'une des manières les plus complètes de combattre les effets physiques inhérents aux environnements en apesanteur. D'autres mesures qui ont été suggérées comme traitements symptomatiques comprennent l'exercice, le régime alimentaire et les combinaisons Pingvin . Cependant, la critique de ces méthodes réside dans le fait qu'elles n'éliminent pas complètement les problèmes de santé et nécessitent une variété de solutions pour traiter tous les problèmes. La gravité artificielle, en revanche, supprimerait l'apesanteur inhérente aux voyages dans l'espace. En mettant en œuvre la gravité artificielle, les voyageurs spatiaux n'auraient jamais à ressentir l'apesanteur ou les effets secondaires associés. En particulier dans un voyage moderne de six mois vers Mars , l'exposition à la gravité artificielle est suggérée sous une forme continue ou intermittente pour éviter un affaiblissement extrême des astronautes pendant le voyage.

Plusieurs propositions ont intégré la gravité artificielle dans leur conception :

• Discovery II : un projet de véhicule de 2005 capable de transporter un équipage de 172 tonnes sur l'orbite de Jupiter en 118 jours. Une très petite partie du vaisseau de 1 690 tonnes intégrerait un poste d'équipage centrifuge.
• Véhicule d'exploration spatiale multimission (MMSEV) : proposition de la NASA de 2011 pour un véhicule de transport spatial habité de longue durée ; il comprenait un habitat spatial rotatif à gravité artificielle destiné à favoriser la santé d'un équipage de six personnes maximum lors de missions d'une durée maximale de deux ans. La centrifugeuse à anneau torique utiliserait à la fois des structures de vaisseau spatial à ossature métallique standard et gonflables et fournirait de 0,11 à 0,69 g si elle était construite avec l'option de diamètre de 40 pieds (12 m).
• ISS Centrifuge Demo : une proposition de la NASA de 2011 pour un projet de démonstration préparatoire à la conception finale de l'habitat spatial de la centrifugeuse torique plus grande pour le véhicule d'exploration spatiale multi-missions. La structure aurait un diamètre extérieur de 30 pieds (9,1 m) avec un diamètre de section intérieure de l'anneau de 30 pouces (760 mm). Elle fournirait une gravité partielle de 0,08 à 0,51 g . Cette centrifugeuse de test et d'évaluation aurait la capacité de devenir un module de sommeil pour l'équipage de l'ISS.

• Mars Direct : Un plan pour une mission habitée vers Mars créé par les ingénieurs de la NASA Robert Zubrin et David Baker en 1990, développé plus tard dans le livre de Zubrin de 1996 The Case for Mars . La « Mars Habitat Unit », qui transporterait les astronautes vers Mars pour rejoindre le « Earth Return Vehicle » précédemment lancé, aurait eu une gravité artificielle générée pendant le vol en reliant l'étage supérieur usé du propulseur à l'Habitat Unit, et en les faisant tourner tous les deux autour d'un axe commun.
• La mission Tempo3 proposée fait tourner deux moitiés d'un vaisseau spatial reliées par une attache pour tester la faisabilité de la simulation de la gravité lors d'une mission habitée vers Mars.
• Le biosatellite Mars Gravity était une mission proposée pour étudier l'effet de la gravité artificielle sur les mammifères. Un champ de gravité artificiel de 0,38 g (équivalent à la gravité de 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 ( orbite terrestre basse ) pendant cinq semaines, puis auraient atterri vivantes. Cependant, le programme a été annulé le 24 juin 2009, en raison d'un manque de financement et de priorités changeantes 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.
• Un simulateur de gravité martienne pourrait être construit sur la Lune pour préparer les missions sur Mars. La gravité à la surface de Mars est un peu plus de deux fois celle de la Lune. Il a été proposé de construire une grande bulle à basse pression, et à l'intérieur de celle-ci jusqu'à vingt tores rotatifs à haute pression, le tout dans une grotte ou un tube de lave . Un système analogue pourrait être construit sur Mars pour préparer les gens à retourner sur Terre, dont la gravité à la surface est plus de deux fois celle de Mars.

Certaines des raisons pour lesquelles la gravité artificielle n'est pas utilisée aujourd'hui dans les vols spatiaux sont liées aux problèmes inhérents à sa mise en œuvre . L'une des méthodes réalistes de création de gravité artificielle est l'effet centrifuge causé par la force centripète du sol d'une structure rotative poussant vers le haut la personne. Dans ce modèle, cependant, des problèmes se posent en raison de la taille du vaisseau spatial. Comme l'ont exprimé John Page et Matthew Francis, plus un vaisseau spatial est petit (plus le rayon de rotation est court), plus la rotation requise est rapide. Ainsi, pour simuler la gravité, il serait préférable d'utiliser un vaisseau spatial plus grand qui tourne lentement.

Les exigences de taille concernant la rotation sont dues aux forces différentes exercées sur les parties du corps situées à différentes distances de l'axe de rotation. Si les parties du corps les plus proches de l'axe de rotation subissent une force sensiblement différente de celles des parties les plus éloignées de l'axe, cela pourrait avoir des effets négatifs. De plus, des questions subsistent quant à la meilleure façon de mettre en place initialement le mouvement de rotation sans perturber la stabilité de l'orbite de l'ensemble du vaisseau spatial. À l'heure actuelle, il n'existe pas de vaisseau suffisamment massif pour répondre aux exigences de rotation, et les coûts associés à la construction, à l'entretien et au lancement d'un tel vaisseau sont considérables.

En général, compte tenu du petit nombre d'effets négatifs sur la santé présents dans les vols spatiaux actuels, généralement plus courts, ainsi que du coût très élevé de la recherche sur une technologie qui n'est pas encore vraiment nécessaire, le développement actuel de la technologie de gravité artificielle a nécessairement été retardé et sporadique.

À mesure que la durée des vols spatiaux classiques augmente, le besoin de gravité artificielle pour les passagers de ces vols de longue durée augmentera très certainement aussi, tout comme les connaissances et les ressources disponibles pour créer une telle gravité artificielle. En résumé, ce n'est probablement qu'une question de temps pour savoir combien de temps il faudra avant que les conditions soient propices à l'achèvement du développement de la technologie de gravité artificielle, ce qui sera presque certainement nécessaire à un moment donné, parallèlement au développement éventuel et inévitable d'une augmentation de la durée moyenne d'un vol spatial.

Plusieurs romans, films et séries de science-fiction ont fait appel à la production de gravité artificielle.

• Dans le film 2001 : L'Odyssée de l'espace , une centrifugeuse rotative à bord du vaisseau spatial Discovery fournit une gravité artificielle.
• Dans la série télévisée Cowboy Bebop de 1999 , un anneau rotatif dans le vaisseau spatial Bebop crée une gravité artificielle dans tout le vaisseau spatial.
• Dans le roman Seul sur Mars , le vaisseau spatial Hermès atteint une gravité artificielle par conception ; il utilise une structure annelée, à la périphérie de laquelle des forces d'environ 40 % de la gravité terrestre sont subies, similaires à la gravité de Mars.
  • Dans le roman Projet Hail Mary du même auteur, le poids du vaisseau titulaire Hail Mary est fourni initialement par la poussée du moteur, car le vaisseau est capable d'une accélération constante jusqu'à 2 ɡ et est également capable de se séparer, de tourner le compartiment de l'équipage vers l'intérieur et de tourner pour produire 1 ɡ en orbite.
• Le film Interstellar met en scène un vaisseau spatial appelé Endurance qui peut tourner sur son axe central pour créer une gravité artificielle, contrôlée par des rétropropulseurs sur le vaisseau.
• Le film Stowaway de 2021 présente l'étage supérieur d'un lanceur relié par des câbles de 450 mètres de long à la coque principale du navire, agissant comme contrepoids à la gravité artificielle basée sur l'inertie .
• 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 sa 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 une station d'accueil.

L'accélération linéaire est une autre méthode de génération de gravité artificielle, qui consiste à utiliser la poussée des moteurs d'un vaisseau spatial pour créer l'illusion d'être soumis à une attraction gravitationnelle. Un vaisseau spatial soumis à une accélération constante en ligne droite aurait l'apparence d'une attraction gravitationnelle dans la direction opposée à celle de l'accélération, car la poussée des moteurs pousserait le vaisseau spatial vers le haut, vers les objets et les personnes à l'intérieur du vaisseau, créant ainsi une sensation de poids. Cela est dû à la troisième loi de Newton : le poids que l'on ressentirait debout dans un vaisseau spatial en accélération linéaire ne serait pas une véritable attraction gravitationnelle, mais simplement la réaction de soi-même poussant contre la coque du vaisseau lorsqu'il repousse. De même, les objets qui flotteraient librement dans le vaisseau spatial s'il n'accélérait pas « tomberaient » vers les moteurs lorsqu'il commencerait à accélérer, en conséquence de la première loi de Newton : l'objet flottant resterait au repos, tandis que le vaisseau spatial accélérerait vers lui, et un observateur à l'intérieur aurait l'impression que l'objet « tombe ».

Pour imiter la gravité artificielle sur Terre, un vaisseau spatial utilisant la gravité à accélération linéaire pourrait être construit de manière à ressembler à un gratte-ciel, avec ses moteurs comme « étage inférieur ». Si le vaisseau spatial devait accélérer à un taux de 1 g (l'attraction gravitationnelle de la Terre), les individus à l'intérieur seraient pressés contre la coque avec la même force, et pourraient ainsi marcher et se comporter comme s'ils étaient sur Terre.

Cette forme de gravité artificielle est souhaitable car elle pourrait fonctionnellement créer l'illusion d'un champ de gravité uniforme et unidirectionnel dans tout un vaisseau spatial, sans avoir besoin de grands anneaux rotatifs, dont les champs peuvent ne pas être uniformes, ni unidirectionnels par rapport au vaisseau spatial, et nécessiter une rotation constante. Cela aurait également l'avantage d'une vitesse relativement élevée : un vaisseau spatial accélérant à 1 g , 9,8 m/s ² , pendant la première moitié du voyage, puis décélérant pendant l'autre moitié, pourrait atteindre Mars en quelques jours. voyage spatial hypothétique utilisant une accélération constante de 1 g pendant un an atteindrait des vitesses relativistes et permettrait un aller-retour vers l'étoile la plus proche, Proxima du Centaure . Ainsi, une accélération linéaire à faible impulsion mais à long terme a été proposée pour diverses missions interplanétaires. Par exemple, même des charges utiles lourdes (100 tonnes ) vers Mars pourraient être transportées vers Mars en 27 mois et conserver environ 55 pour cent de la masse du véhicule LEO à l'arrivée sur une orbite martienne, offrant un gradient de faible gravité au vaisseau spatial pendant tout le voyage.

Cette forme de gravité n'est cependant pas sans défis. À l'heure actuelle, les seuls moteurs pratiques qui pourraient propulser un vaisseau suffisamment vite pour atteindre des vitesses comparables à l'attraction gravitationnelle de la Terre nécessitent des fusées à réaction chimique , qui expulsent la masse de réaction pour obtenir la poussée, et donc l'accélération ne pourrait durer qu'aussi longtemps qu'un vaisseau aurait du carburant. Le vaisseau devrait également accélérer constamment et à une vitesse constante pour maintenir l'effet gravitationnel, et n'aurait donc pas de gravité à l'arrêt, et pourrait subir des variations importantes de la force g si le vaisseau devait accélérer au-dessus ou en dessous de 1 g . De plus, pour les voyages point à point, tels que les transits Terre-Mars, les vaisseaux devraient accélérer constamment pendant la moitié du trajet, éteindre leurs moteurs, effectuer un retournement à 180°, réactiver leurs moteurs, puis commencer à décélérer vers la destination cible, ce qui nécessiterait que tout à l'intérieur du vaisseau soit en apesanteur et éventuellement soit fixé au sol pendant la durée du retournement.

Un système de propulsion avec une impulsion spécifique très élevée (c'est-à-dire une bonne efficacité dans l'utilisation de la masse de réaction qui doit être transportée et utilisée pour la propulsion pendant le voyage) pourrait accélérer plus lentement en produisant des niveaux utiles de gravité artificielle pendant de longues périodes de temps. Une variété de systèmes de propulsion électrique en fournissent des exemples. Deux exemples de cette propulsion longue durée, faible poussée et impulsion élevée qui ont été utilisés pratiquement sur des engins spatiaux ou sont prévus pour une utilisation à court terme dans l'espace sont les propulseurs à effet Hall et les fusées magnétoplasmiques à impulsion spécifique variable (VASIMR). Tous deux fournissent une impulsion spécifique très élevée mais une poussée relativement faible, par rapport aux fusées à réaction chimique plus typiques. Ils sont donc idéalement adaptés aux tirs de longue durée qui fourniraient des quantités limitées, mais à long terme, des niveaux de gravité artificielle en milligrammes dans les engins spatiaux.

Dans de nombreuses intrigues de science-fiction, l’accélération est utilisée pour produire une gravité artificielle pour les vaisseaux spatiaux interstellaires , propulsés par des moyens encore théoriques ou hypothétiques .

Cet effet d'accélération linéaire est bien compris et est couramment utilisé pour la gestion des fluides cryogéniques à 0 g pour les tirs post-lancement (ultérieurs) dans l'espace des fusées à étage supérieur .

Les montagnes russes , en particulier celles lancées ou celles qui reposent sur une propulsion électromagnétique , peuvent fournir une accélération linéaire « gravitationnelle », tout comme les véhicules à accélération relativement élevée, comme les voitures de sport . L'accélération linéaire peut être utilisée pour fournir du temps d'antenne sur les montagnes russes et autres attractions à sensations fortes.

En janvier 2022, le South China Morning Post a rapporté que la Chine avait construit une petite installation de recherche (60 centimètres (24 pouces ) de diamètre ) pour simuler la faible gravité lunaire à l'aide d' aimants . L'installation aurait été en partie inspirée par les travaux d' André Geim (qui a ensuite partagé le prix Nobel de physique 2010 pour ses recherches sur le graphène ) et de Michael Berry , qui ont tous deux partagé le prix Ig Nobel de physique en 2000 pour la lévitation magnétique d'une grenouille.

Dans la science-fiction, la gravité artificielle (ou annulation de la gravité) ou « paragravité » est parfois présente dans des engins spatiaux qui ne tournent ni n'accélèrent. À l'heure actuelle, il n'existe aucune technique confirmée en tant que telle qui puisse simuler la gravité autrement qu'une rotation ou une accélération réelle. De nombreuses revendications ont été formulées au fil des ans au sujet d'un tel dispositif. Eugène Podkletnov , un ingénieur russe, prétend depuis le début des années 1990 avoir fabriqué un tel dispositif constitué d'un supraconducteur rotatif produisant un puissant « champ gravitomagnétique », mais il n'y a eu aucune vérification ni même de résultats négatifs de la part de tiers. En 2006, un groupe de recherche financé par l'ESA a affirmé avoir créé un dispositif similaire qui a démontré des résultats positifs pour la production de gravitomagnétisme, bien qu'il n'ait produit que 0,0001 g . Ce résultat n'a pas été reproduit.