thumb|Misión espacial Gemini 11 thumb|Propuesta de vehículo espacial Nautilus-X
La gravedad artificial es la alteración de la gravedad natural (fuerza G) de forma artificial, principalmente en el espacio, pero también en la Tierra. Esto puede lograrse en la práctica usando diferentes fuerzas, principalmente la fuerza centrífuga y la aceleración lineal.
Se trata de una tecnología imprescindible para la permanencia humana en el espacio, a través de estaciones espaciales o hábitats espaciales. Actualmente, la astrofísica y la ingeniería aeroespacial investigan y desarrollan nuevos métodos para la generación y manipulación de estos campos gravitacionales.
A lo largo de la historia se han propuesto numerosos métodos para generar gravedad artificial, igual que ha ocurrido también en el campo de la ciencia ficción donde, en ambos casos, se han intentado usar tanto fuerzas reales como fuerzas ficticias. Sin embargo, en la práctica, las aplicaciones en el espacio exterior de gravedad artificial para uso humano todavía no se han llegado a realizar, principalmente debido al hecho de que se requiere de naves espaciales de grandes dimensiones que pudiesen permitir la rotación suficiente para proporcionar la aceleración centrípeta necesaria.
Necesidad de gravedad Sin fuerza G se produce el denominado síndrome de adaptación espacial, tanto en humanos como en animales, que produce que a los pocos días de permanecer sin gravedad la densidad de los huesos comience a decrecer, pudiendo ser este descenso de forma permanente. Sin embargo, no se sabe la cantidad mínima de fuerza G necesaria para evitar esta pérdida ósea, ya que casi todas la pruebas se han realizado o a gravedad g=1 (en la superficie de la Tierra) o a gravedad g=0 (en órbita), y no hay suficiente experiencia sobre la Luna para determinar si esta afecta o no a la pérdida ósea.
Métodos de generación de gravedad artificial La gravedad puede ser simulada de numerosas formas:
Rotación thumb|Estación espacial de gravedad artificial. Concepto de la NASA. 1969 thumb|Estación espacial inflable en rotación. Concepto de la NASA, 1962.
Una nave en rotación producirá la sensación de gravedad dentro de su casco. La rotación desplaza cualquier objeto del interior de la nave hacia sus paredes, dando la apariencia de un empuje gravitacional dirigido hacia el exterior. El "empuje", a menudo conocido como fuerza centrífuga es en realidad una manifestación de los objetos dentro de la nave intentando viajar en línea recta debido a la inercia. Las paredes de la nave proporcionan la fuerza centrípeta requerida para que los objetos viajen en un círculo (si continuasen en línea recta abandonarían los confines de la nave). Así, la gravedad sentida por los objetos es una simple reacción de fuerza del objeto sobre las paredes reaccionando con la fuerza centrípeta de la pared sobre el objeto, de acuerdo con la tercera ley de Newton.
Desde el punto de vista de la gente que rota en el hábitat, la gravedad artificial por rotación se comporta en algunos aspectos de la misma forma que la gravedad normal pero tiene los siguientes efectos: Fuerza centrífuga: Al contrario que la gravedad real, la cual empuja hacia un centro, esta pseudo-fuerza en rotación proporciona una 'gravedad' rotacional que empuja fuera del eje de rotación. Los niveles de gravedad artificial varían proporcionalmente con la distancia desde el centro de rotación. Con un radio de rotación pequeño, la cantidad de gravedad sentida sobre la cabeza sería significativamente diferente de la cantidad sentida en los pies. Esto podría generar movimiento y cambios incómodos en la posición del cuerpo. De acuerdo con la física involucrada, las rotaciones más lentas o con un radio de rotación más grande reducirían o eliminarían este problema, por la tercera ley de Newton. El efecto Coriolis da una fuerza aparente que actúa sobre los objetos que se mueven con relación a un marco de referencia de rotación. Esta fuerza aparente actúa en ángulo recto con el movimiento y el eje de rotación y tiende a curvar el movimiento en el sentido opuesto al giro del hábitat. Si un astronauta dentro de un ambiente de gravedad artificial que gira se mueve hacia o desde el eje de rotación, sentirá una fuerza de empuje hacia o lejos de la dirección de giro. Estas fuerzas actúan sobre el oído interno y puede causar mareos, náuseas y desorientación. Alargar el periodo de rotación (velocidad de rotación más lenta) reduce la fuerza de Coriolis y sus efectos. En general, se cree que en 2 rpm o menos, no hay efectos adversos derivados de las fuerzas de Coriolis; a tasas más altas, algunas personas pueden acostumbrarse a ella y otros no; pero a tasas superiores a 7 rpm pocas personas puede acostumbrarse. Aún no se sabe si las largas exposiciones a altos niveles de fuerzas de Coriolis incrementan la predisposición a su adaptación. Los efectos de inducción de náuseas por el efecto Coriolis también pueden mitigarse limitando el movimiento de la cabeza. Esta forma de gravedad artificial da otros problemas: La energía cinética: El giro de la totalidad o parte del hábitat requiere energía. Esto requeriría un sistema de propulsión y el combustible de algún tipo para girar hacia arriba (o girar hacia abajo) o un motor y el contrapeso de algún tipo (posiblemente en la forma de otra sala habitable) para girar en la dirección opuesta. Se necesita fuerza adicional en la estructura para evitar que se separen debido a la rotación. Sin embargo, la cantidad de estructura necesaria para mantener una atmósfera respirable (fuerza de 10 toneladas por metro cuadrado a 1 atmósfera) es relativamente modesta para la mayoría de las estructuras. Si partes de la estructura no giran de manera intencionada, la fricción y torsiones similares harán que los ratios de giro converjan (además de causar que otras partes opuestas estacionarias giren), requiriendo motores y potencia para compensar las pérdidas por fricción. Las partes de la estación que giran las unas con otras requieren de un sello axial estanco al vacío.
Cálculoso
Donde: g = Fracción decimal de la gravedad de la tierraR = Radio, desde el centro de rotación, en metros 3.14159rpm = revoluciones por minuto
thumb|Velocidad de rotación en rpm para una centrifugadora de varios radios para lograr una fuerza G.
thumb|El tamaño, velocidad y periodo de diferentes radios de la estación espacial.
Los retos de ingeniería para crear una nave en rotación son comparativamente modestos a cualquier otra propuesta. Los diseños de una hipotética nave con gravedad artificial tienen un gran número de variantes con sus problemas intrínsecos y ventajas. Para reducir la fuerza de Coriolis a niveles habitables, se necesitaría un ratio de giro de 2 rpm o menos. Para producir 1g, el radio de rotación tendría que ser de 224 m o más, lo que conllevaría una nave muy grande. Para reducir su masa, el soporte a lo largo del diámetro podría consistir en nada más que un cable que conecte dos secciones de la nave. Posiblemente un módulo de habitabilidad y un contrapeso formado por otras partes de la nave. Aún no se sabe si la exposición a una alta gravedad por cortos periodos de tiempo es tan beneficioso para la salud como la exposición a la gravedad normal. Tampoco se conoce la efectividad de los niveles bajos de gravedad para hacer frente a los efectos adversos sobre la salud y la pérdida de peso. La gravedad artificial a 0.1g requeriría un radio de solo 22 m. Con un radio de 10 m, se necesitarían 10 rpm para producir la gravedad de la Tierra (la gravedad sería un 11% mayor en los pies), o 14 rpm para producir 2g. Si una pequeña exposición a la alta gravedad puede invertir los efectos sobre la salud y pérdida de peso, se podría utilizar un pequeño centrifugador como área de ejercicio.
Aceleración lineal La aceleración lineal, incluso a un bajo nivel puede proporcionar suficiente fuerza G para resultar beneficiosa. Cualquier nave podría acelerar constantemente en línea recta, forzando a los objetos en el interior de la nave en la dirección opuesta a la dirección de la aceleración.
La mayoría de los cohetes de reacción química ya aceleran a suficiente ratio para producir varias veces la fuerza G de la Tierra pero solo pueden mantener estas aceleraciones durante varios minutos, debido a su limitado abastecimiento de combustible.
Un sistema de propulsión con un impulso específico muy alto (esto es, buena eficiencia en el uso de la reacción en masa que debe utilizarse para la propulsión en el viaje) podría acelerar lentamente, produciendo niveles útiles de gravedad artificial durante largos periodos de tiempo.
Dos ejemplos de esta larga duración, relación empuje a peso, propulsión de alto impulso que se han usado en la práctica en una nave o está planificado utilizar son el Propulsor a efecto Hall y el Motor de Magnetoplasma de Impulso Específico Variable (VASIMR). Ambos proporcionan un impulso específico muy alto pero con relativamente poca relación empuje a peso, comparado con los más típicos cohetes de reacción química. Por ello, son ideales para su uso de larga duración y proporcionarían cantidades limitadas de niveles mili-g de gravedad artificial en la nave.
Se ha propuesto aceleración lineal de bajo impulso pero de largo plazo para varias misiones interplanetarias. Por ejemplo, podría transportarse a Marte incluso una pesada carga útil (100 toneladas) en 27 meses y retener aproximadamente el 55 por ciento de la masa del vehículo LEO a su llegada a la órbita de Marte, proporcionando un gradiente de baja gravedad de la nave durante la totalidad viaje.VASIMR VX-200 Performance and Near-term SEP Capability for Unmanned Mars Flight , Tim Glover, Future in Space Operations (FISO) Colloquium, pages 22 and 25, 2011-01-19. Retrieved 2011-02-01.
La aceleración lineal constante podría proporcionar, en teoría, tiempos de vuelo relativamente cortos en el sistema solar. Si estuviera disponible una técnica de propulsión que soportara una aceleración continua de 1g, una nave acelerando (y después desacelerando durante la segunda mitad del viaje) a 1g alcanzaría Marte en unos pocos días., Extract of page 35
En una serie de películas de ciencia ficción, la aceleración se utiliza para producir la gravedad artificial de la nave interestelar, impulsada por medios aún teóricos o hipotéticos.
Este efecto de aceleración lineal se entiende muy bien, y se usa de forma rutinaria para el control de fluidos criogénicos en gravedad cero para posteriores lanzamientos en misiones espaciales de cohetes de etapas superiores.
Magnetismo thumb|Una rana viva levita en un solenoide Bitter en un campo magnético de unos 16 teslas A través del diamagnetismo, se ha creado un efecto similar a la gravedad. Requiere imanes con campos magnéticos extremadamente poderosos. Tales dispositivos se han creado para que puedan levitar al menos un pequeño ratón y por ello se ha producido un campo de 1g para cancelar la gravedad de la Tierra. Los imanes con suficiente potencia necesitan técnicas caras de criogenia para mantenerlos superconductivos, o requieren muchos mega-vatios de energía.
Con unos campos magnéticos de tan extremada fuerza, no está claro que sea seguro para usarlo con humanos. Además, involucraría la restricción de utilizar cualquier material ferromagnético o paramagnético cerca del fuerte campo magnético requerido para que el diamagnetismo sea evidente.
Las instalaciones que usan diamagnetismo pueden ser útiles para laboratorios que simulan condiciones de baja gravedad en la Tierra. El ratón levitó contra la gravedad de la Tierra, creando una condición similar a la microgravedad. También se pueden generar fuerzas más bajas para simular una condición similar a la luna o a la gravedad de Marte con pequeños organismos modelo.
Generador hipotético de gravedad / gravitomagnetismo