A gravidade artificial é um conceito antigo, tendo começado no final do século XIX, quando Konstantin Tsiolkovsky, considerado por muitos o pai do programa espacial russo, percebeu que o corpo humano pode não responder bem à queda livre de orbitais, ou seja, um voo espacial. Para resolver esse problema, ele propôs que as estações espaciais fossem giradas para criar acelerações centrípetas que pudessem fornecer carga inercial semelhante à carga gravitacional terrestre. Einstein, mais tarde, mostrou em seu princípio de equivalência que a aceleração é realmente indistinguível da gravidade. Posteriormente, outros indivíduos notáveis, incluindo cientistas como Werner von Braun, bem como artistas como Arthur C. Clarke e Stanley Kubrick, conceberam soluções elaboradas para girar veículos para fornecer "gravidade artificial" que compensaria as consequências fisiológicas desfavoráveis ​​do voo espacial.

Em 1959, as preocupações sobre as respostas humanas, até então, desconhecidas aos voos espaciais levaram a NASA a considerar a necessidade de incorporar a gravidade artificial em seus primeiros veículos espaciais humanos. De antemão, devido em parte às durações relativamente curtas das missões planejadas, a gravidade artificial não foi usada nos primeiros programas da NASA. É possível aprender com essas primeiras missões que os humanos podem tolerar curtos períodos de zero gravidade, mas permaneceu o medo e as incertezas de que exposições mais longas levariam a efeitos mais profundos e que, eventualmente, um limite de exposição seria alcançado, além do qual a saúde, a segurança e o desempenho da tripulação pode ser comprometido a ponto de colocar tripulantes individuais ou missões inteiras em risco inaceitável. Portanto, ao longo da década de 1960, a NASA patrocinou muitos fóruns para debater a necessidade da gravidade artificial em missões de voos espaciais tripulados de longa duração.

Durante a década de 1970, aprendemos com o programa Skylab que os humanos podiam tolerar muitas semanas de exposição a gravidade zero sem atingir nenhum limite desfavorável. Durante as últimas duas décadas, aprendemos com os programas da Mir e da ISS que contramedidas específicas do sistema (por exemplo, exercícios resistidos e acrobáticos surgiram) podem fornecer proteção fisiológica moderadamente bem-sucedida para missões de seis meses em órbita baixa da Terra (LEO). recentemente, as pesquisas da NASA se voltaram para destinos mais distantes, concentrando-se primeiro em estadias de longa duração na Lua e passando para missões de 1000 dias a Marte ou outros locais bem além do LEO.

Histórico A noção de criar um substituto para a gravidade através da centrifugação foi introduzida cedo na concepção da viagem espacial humana. Konstantin Tsiolkovski, o influente visionário espacial russo, discutiu a ideia em 1911, e seus conceitos foram retomado 50 anos depois por Sergei Koroliov, que projetou um sistema de amarração flexível para o Missões tripuladas Voskhod. No entanto, nunca foi construído. Uma proposta detalhada de engenharia para uma estação de gravidade artificial foi apresentada em 1927, um total de 50 anos antes do lançamento do primeiro satélite. Quando Von Braun descreveu sua visão da exploração espacial em 1953, ele incluiu um grande toro rotativo para lidar com ausência de peso. A popularização da gravidade artificial, no entanto, é atribuível à comunidade de ficção científica. O grande filme 2001: Um Espaço de Clarke e Kubrick Odyssey apresentou uma versão idealizada da vida no espaço, livre de problemas de saúde e os efeitos negativos geralmente associados à passagem da rotação para o as partes estacionárias da estação. Em 1965, testes preliminares em um raio curto centrífuga mostrou pela primeira vez que os indivíduos que foram descondicionados pelo repouso no leito poderiam ser protegido contra descondicionamento cardiovascular por centrifugação periódica. A experiência com gravidade artificial no espaço tem sido bastante limitada. As primeiras tentativas de testar a gravidade artificial foi amarrando uma espaçonave Gemini a um foguete Agena foram inconclusivos e quase levou ao desastre quando o bico do propulsor ficou preso no Gemini 8, enviando o par de veículos espaciais em uma rotação incontrolável. A centrífuga de 2,5 metros de raio em a Estação Espacial Internacional deve dar a oportunidade de examinar a adequação de vários níveis da gravidade artificial na proteção durante o voo espacial.

Fornecimento de gravidade artificial Em princípio, a gravidade artificial pode ser fornecida por vários meios. Um impulso contínuo em um foguete que acelera uma espaçonave a meio caminho de Marte geraria uma gravidade artificial igual a o nível de aceleração. A gravidade artificial impulsiva intermitente seria imposto a um astronauta que salta para frente e para trás entre dois trampolins opostos ou mesmo entre duas paredes estacionárias em uma espaçonave. No entanto, o termo gravidade artificial é geralmente reservado para uma espaçonave rotativa ou uma centrífuga dentro da espaçonave. Todo objeto estacionário dentro da centrífuga é forçado a se afastar do eixo de rotação em direção ao ‘‘piso’’ externo por uma força proporcional à massa do objeto, sua distância do centro de rotação e o quadrado do ângulo velocidade do aparelho.

Força centrífuga

miniatura|Estação espacial com gravidade artificial; conceito da NASA de 1969. Uma desvantagem é que os astronautas transitariam entre uma gravidade maior nas extremidades e uma gravidade menor perto do centro. No contexto de uma estação espacial em rotação, é a força radial exercida pelo casco da espaçonave que atua como força centrípeta. Assim, a força de "gravidade" sentida por um objeto é a força centrífuga percebida no referencial em rotação como apontando "para baixo", em direção ao casco.

Pela terceira lei de Newton, o valor de g (a aceleração percebida "para baixo") é igual em magnitude e oposto em direção à aceleração centrípeta. Esse princípio foi testado com satélites biológicos como o Bion 3 (1975) e o Bion 4 (1977), ambos equipados com centrífugas a bordo para submeter espécimes a um ambiente de gravidade artificial.

Diferenças em relação à gravidade convencional direita|miniatura|Bolas em movimento no interior de uma espaçonave em rotação

Da perspectiva de ocupantes que giram juntamente com o habitat, a gravidade artificial por rotação comporta-se de forma semelhante à gravidade convencional, mas com as seguintes distinções físicas, que podem ser mitigadas aumentando-se o raio da estação espacial:

A força centrífuga varia com a distância: Ao contrário da gravidade real, a força aparente sentida por observadores no habitat atua radialmente para fora a partir do eixo de rotação, e a força centrífuga é diretamente proporcional à distância em relação a esse eixo. Em um raio de rotação reduzido, a cabeça de uma pessoa em pé experimentaria significativamente menos gravidade do que seus pés. Do mesmo modo, tripulantes que se movimentam pela estação espacial experimentam alterações no peso aparente em diferentes partes do corpo. O efeito Coriolis gera uma força aparente que atua sobre objetos em movimento relativo dentro de um referencial em rotação. Essa força aparente age em ângulos retos em relação ao deslocamento e ao eixo de rotação, tendendo a desviar a trajetória no sentido oposto ao do giro do habitat. Se um astronauta dentro de um ambiente rotativo com gravidade artificial mover-se em direção ao eixo de rotação ou afastar-se dele, sentirá uma força empurrando-o no sentido do giro ou contra ele. Essas acelerações agem sobre os canais semicirculares do labirinto vestibular (ouvido interno), podendo provocar vertigens, ilusões sensoriais e tontura. A extensão do período de rotação (reduzindo a velocidade angular de giro) atenua a força de Coriolis e seus efeitos nocivos. Estima-se geralmente que a 2 rpm ou menos nenhum sintoma adverso decorrente da aceleração de Coriolis se manifeste, embora estudos indiquem que seres humanos conseguem adaptar-se gradualmente a taxas de até 23 rpm. Oscilações dinâmicas no eixo ou na taxa de rotação gerariam perturbações no vetor de gravidade artificial aparente e estimulariam os canais semicirculares. Qualquer deslocamento interno de massa, incluindo a circulação de tripulantes, desloca o centro de gravidade e pode introduzir precessões ou oscilações indesejadas (bamboleio). Portanto, a rotação de uma estação espacial requer sistemas de estabilização de atitude muito precisos, e quaisquer manobras para alterar a rotação precisam ocorrer de forma suave para serem imperceptíveis. Uma das soluções propostas para compensar variações na distribuição de massa consiste no uso do estoque de água da estação como lastro, transferindo-o por bombeamento entre tanques situados em diferentes módulos conforme a demanda.

miniatura|Velocidade em rpm necessária para que uma centrífuga de determinado raio gere um nível de aceleração centrífuga (força g) específico

Voos espaciais tripulados A missão Gemini 11 realizou, em 1966, um experimento prático para gerar gravidade artificial fazendo a cápsula tripulada girar em torno do estágio acoplado Agena, conectados por um cabo flexível de 36 metros. Os astronautas conseguiram induzir uma gravidade artificial modesta, de cerca de 0,00015 g, acionando os propulsores laterais para girar o conjunto como um par de boleadeiras em câmera lenta. A força aparente resultante era tênue demais para ser sentida fisicamente pela tripulação, mas foi suficiente para fazer com que objetos soltos se deslocassem lentamente em direção ao fundo da cabine.

Benefícios para a saúde miniatura|Módulos de gravidade artificial têm sido propostos para espaçonaves em missões interplanetárias tripuladas a Marte A gravidade artificial tem sido proposta como a principal solução de engenharia para mitigar os múltiplos riscos fisiológicos decorrentes da permanência prolongada no espaço. Em 1964, especialistas do programa espacial soviético temiam que o corpo humano não suportasse mais de 14 dias em microgravidade, sob o receio de que o sistema cardiovascular não conseguisse se readaptar à ausência de peso. Essa apreensão provou-se superestimada, uma vez que missões individuais já ultrapassaram 437 dias consecutivos em órbita, com estadias de seis meses tornando-se rotina na Estação Espacial Internacional.

Contudo, a constatação da sobrevivência a curto prazo deu lugar à identificação de severas patologias induzidas pela imponderabilidade prolongada. Em junho de 1991, o laboratório Spacelab Life Sciences 1 conduziu 18 experimentos biológicos com quatro tripulantes durante a missão STS-40 do ônibus espacial. Os testes demonstraram que a resposta imunológica dos leucócitos foi deprimida e a massa muscular sofreu atrofia mensurável; ademais, nas primeiras 24 horas de imponderabilidade, o volume de plasma sanguíneo caiu cerca de 10%. Longos períodos em microgravidade provocam desmineralização óssea, remodelamento ventricular cardíaco, edema intracraniano e distúrbios neuro-oculares que prejudicam a visão (síndrome SANS). Ao retornarem à superfície terrestre, os astronautas sofrem com intolerância ortostática severa — causada pela retenção súbita de sangue nos membros inferiores —, aumento da frequência cardíaca, hipotensão postural e acentuada perda de capacidade para esforços físicos.