Possiamo creare o simulare la gravità sulla ISS?

Il problema fondamentale che sono costretti a subire gli astronauti sulla Stazione Spaziale Internazionale (ISS) dopo una lunga permanenza in un ambiente con microgravità (meglio specificarlo e ricordarlo: la gravità zero non esiste) è quello dell’indebolimento muscolare e scheletrico.
Dopo circa sei mesi di permanenza nello spazio, infatti, per i primi giorni non sono in grado di reggersi in piedi e devono essere seguiti ed accuditi da personale specializzato.
Per limitare questi effetti, sulla ISS, gli astronauti più volte al giorno devono effettuare appositi esercizi fisici.

Ora torniamo alla nostra curiosità iniziale: Possiamo in qualche modo creare o simulare la gravità sulla ISS?

Beh, potremmo simulare la gravità mediante la rotazione, di tutta o parti, dell’astronave o della stazione spaziale.
Questo concetto non è nuovo, è stato sfruttato in molti film e romanzi di fantascienza: ricordate la stazione spaziale rotante di 2001 Odissea nello spazio? Oppure sempre nello stesso film l’ambiente rotante all’interno dell’astronave diretta verso Giove? O anche l’immensa stazione spaziale cilindrica al termine del film Interstellar? O anche l’astronave del film The Martian, il sopravvissuto?
In tutti questi casi la gravità era simulata mediante la rotazione dell’intera struttura o di alcune sue parti.

Facendo ruotare il veicolo intorno al proprio asse, la forza centrifuga “spingerà” gli astronauti verso l’esterno, consentendogli così di poter camminare sulla faccia interna delle paratie esterne e vivere simulando la gravità.

Ma se è così facile perché non è stato ancora fatto?

Un motivo è che tutte le strutture dovrebbero essere costruite in modo più “robusto”, cioè in grado di resistere alle sollecitazioni strutturali cui sarebbero sottoposte con la rotazione, quindi complicazioni tecniche e costruttive e, conseguentemente, un aumento dei costi (che sono già abbastanza consistenti); un altro problema è che le strutture in rotazione dovrebbero essere di dimensioni molto grandi.
Prendiamo la stazione di 2001 Odissea nello spazio, questa aveva un diametro di 300 metri e compiva una rotazione intorno al proprio asse in 60 secondi. Ora, dato che la gravità simulata è direttamente proporzionale al raggio della stazione e alla velocità di rotazione, la gravità sul ponte più esterno sarebbe stata pari a quella lunare, cioè circa un sesto di quella terrestre.
Per ottenere una gravità simile alla Terra la stazione avrebbe dovuto effettuare una rotazione ogni 25 secondi.
Se parliamo della ISS, dato che non ha una forma a ruota o ciambella, a ruotare dovrebbero essere uno o più dei suoi componenti, e, visto che le loro dimensioni sono limitate dai mezzi che li hanno portati o messi in orbita, il diametro di questi componenti può essere al massimo circa 4.5 metri.
Un modulo di 4.5 metri di diametro per simulare una gravità come la Terra dovrebbe ruotare quasi 20 volte al minuto, e questo come mostrato nel film Gravity sarebbe alquanto disorientante, una piccola centrifuga.
Ma il problema più grave sarebbe un altro, il gradiente gravitazionale, ovvero la differenza di gravità fra la testa ed i piedi degli astronauti.
Essendo così piccola la struttura in rotazione, la differenza di gravità fra i due estremi del corpo umano, maggiore nei piedi e minore nella testa sarebbe molto grande, provocando gravi problemi al sistema circolatorio, che si troverebbe a portare una scarsità di sangue al cervello.

ESEMPIO PRATICO

Nell’esempio precedente, modulo di 4.5 metri di diametro (2.25 metri di raggio) e 20 rotazioni al minuto, la gravità cui sarebbero sottoposte testa e piedi di un essere umano alto 170 cm sarebbe:
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piedi = 9.87 m/s^2
testa = 2.41 m/s^2
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ovvero i piedi, che disterebbero 2.25 metri dall’asse di rotazione (il centro del modulo) subirebbero una gravità più di 4 volte superiore alla testa che disterebbe solo 0.55 metri (2.25 – 1.70) dall’asse di rotazione.
Per ovviare a questo bisognerebbe costruire strutture enormi, infatti più la struttura è grande e minore sarà la differenza di gravità, infatti se le dimensioni fossero quelle della stazione di 2001 Odissea nello spazio, 300 metri di diametro e 2.45 giri al minuto, i dati sopra esposti diverrebbero:
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piedi = 9.87 m/sec^2
testa = 9.76 m/sec^2
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Cioè una differenza di poco più dell’1 per cento, tutta un’altra cosa.
Inoltre un altro problema sarebbe che, più la struttura rotante è piccola, più la rotazione sarebbe sensibile alla posizione ed allo spostamento delle masse al suo interno, ovvero, per evitare oscillazioni, rotazione eccentrica e variazioni di rotta, sarebbe necessario adottare sistemi che permettono di bilanciare dinamicamente lo squilibrio prodotto dai movimenti interni alla stazione. Quindi, per ripetere, più la struttura è piccola, più questo problema sarebbe presente e da risolvere.
Per cui, sino a quando le strutture nello spazio non avranno dimensioni molto maggiori di quelle attuali, questa soluzione non sembra attuabile. Come sempre, più che un problema tecnologico, è un problema di costi.
Tenete presente che per la ISS originalmente era previsto un modulo, “Centrifuge Accommodations Module (CAM)” dove avrebbero dovuto essere effettuati esperimenti con piante e piccoli animali, appunto in un ambiente di gravità simulata, ma il modulo fu cancellato per contenere i costi.

Credits: Si ringrazia l’articolo del Dott. Elia Magrinelli