|
Denna artikel är en inlämningsuppgift inom kursen 2E1111, Teknikinformation med elektriska mätningar. Kursen ges av S3, KTH. Att sväva eller icke sväva?– Det är fråganAllting dras mot jordytan av en mystiskt kraft. Hur påverkar den oss och vår omgivning? Kan kraften upphöra av sig själv, eller går den stänga av på något vis? Finns det någon nytta med att kraften upphör?
Vad är tyngdlöshet?I stället för att sväva fram i tillvaron dras allting mot jordytan av en mystiskt kraft. Denna kraft kallas för gravitation och är ständigt närvarande. Om gravitationen mot förmodan skulle kunna stängas av, försvinner den mystiska kraften och saker och ting kan sväva fritt. Ett sådant tillstånd kallas för tyngdlöshet, eftersom allt förlorar sin tyngd. Rent praktiskt innebär detta att gamla tant Agda med lätthet kan välta en långtradare!Hur uppnås tyngdlöshet?Vilket antytts tidigare kan gravitationen inte stängas av. Tur är väl det, ty gamla tanter ska inte välta långtradare! Det finns dock några trix för att uppnå tyngdlöshet utan att stänga av gravitationen på riktigt.Resa långt ut i rymdenLyckas man förflytta sig sjutton gånger längre bort från jorden än sträckan mellan jorden och månen, blir inverkan från jordens och månens gravitation så svag att den kan försummas. Med andra ord upplevs tyngdlöshet. Detta kan jämföras med ljuset från en lampa. Kommer man tillräckligt långt bort från lampan är det så mörkt att den lika gärna kan vara släckt.Fritt fallEn annan metod för att uppnå tyngdlöshet är fritt fall mot jorden. Genomförs fallet i jordens atmosfär bromsas det upp och tyngdlösheten motverkas. Därför upplever en fallskärmshoppare aldrig total tyngdlöshet. Dock kommer han ganska nära under sitt fria fall innan fallskärmen vecklats ut. I rymden däremot råder i princip vakuum, som inte bromsar fria fall. Följaktligen används ofta olika former av rymdfarkoster för experiment i tyngdlöshet.Metoderna för att uppnå tyngdlöshet kan sammanfattas med att förflytta sig tillräckligt långt bort från närmsta himlakropp, eller att genomföra fria fall i dess gravitationsfält. Den förstnämnda metoden är dock betydligt krångligare och dyrare än den andra. MikrogravitationTotal tyngdlöshet är mycket svår att uppnå. Istället talar man om mikrogravitation, som är ett tillstånd där gravitationen utgör ett fåtal miljontedelar av gravitationen vid jordytan. De flesta experiment genomförs lika bra i mikrogravitation som i total tyngdlöshet, så skillnaden är ovidkommande.Nyttan av tyngdlöshetEtt flertal fenomen är svåra eller omöjliga att studera under inverkan av ett gravitationsfält. Nedan följer ett par forskningsområden där gravitationen spelar forskarna spratt.FörbränningI dagens industrialiserade värld är olika förbränningsprocesser viktiga. De används som energikällor i en mängd sammanhang, i allt från kaminer till förbränningsmotorer. Till nackdelarna hör de föroreningar vilka ofta bildas som en oönskad restprodukt.Eldslågor i tyngdlöshet Gravitationen skiktar luftlager av olika temperatur. Varm luft är lättare än kall och hamnar överst. En eldslåga värmer upp luften och förbrukar dess syre. Den varma luften och förbränningsprodukterna stiger uppåt. Kall syrerik luft strömmar till från sidorna för att ta den uppåtstigande luftens plats. På så vis förses förbränningsprocessen med syre och eldslågan får sin välkända form. På finare språk kallas dessa temperaturberoende strömningar för konvektion.
MaterialforskningEn kristall utmärks av att dess atomer sitter ordnade i ett regelbundet tredimensionellt mönster. Gravitationen kan störa kristallbildning, med en oregelbunden kristall som resultat. Vill det sig riktigt illa bryter gravitationen sönder kristallen och begränsar på så vis dess storlek. I tyngdlöshet blir kristaller rena och stora. Med andra ord är kristaller tillverkade i tyngdlöshet av högre kvalitet än motsvarande kristaller tillverkade på jorden.Enkristaller Vanligtvis består ett material av flera sammanfogade kristaller. Ett enkristallint material består dock endast av en stor kristall. Med den så kallade zonsmältningsmetoden är det i tyngdlöshet möjligt att framställa oändligt stora enkristaller av i princip alla material. Metoden går ut på att i ena änden av materialet, vilket ofta är format till en stav, skapa en smält zon. Zonen förflyttas sedan över materialet och då bildas en enkristall. Legeringar En legering är ett metalliskt material, som består av två eller flera olika metaller. Tillverkning sker genom att smälta samman de olika metallerna. I allmänhet har legeringar andra egenskaper än de metaller som ingår i dem. Mycket möda läggs därför på att framställa nya legeringar med intressanta och nyttiga egenskaper. Lätta och superstarka legeringar är av extra stort intresse.
Legeringar i tyngdlöshet
Medicinsk forskningHur människan och andra organismer påverkas av hög respektive låg gravitation är ett område för intensiv forskning. Vid Karolinska Institutet i Stockholm studeras hur gravitationen inverkar på lungornas funktion, samt dess inverkan på blodtrycket och vätskebalansen. Tyngdlöshetsexperiment har bl.a. utförts på den ryska rymdstationen Mir. Bilden nedan visar två vävnadsprover. Det vänstra provet har utvecklats ombord på Mir.
Försvagade muskler I tyngdlöshet krävs ytterst svaga muskelkrafter för förflyttning. Dessutom blir de muskler som håller kroppen upprätt i princip överflödiga. Därför får en människa som vistats länge i tyngdlöshet försvagade muskler. För att motverka detta har en forskningsgrupp vid Huddinge sjukhus utvecklat träningsutrustning för rymdbruk. Utrustningen kan även användas på jorden till rehabilitering och idrottsträning. Proteinkristaller Proteiner är livets byggstenar. Av människokroppens drygt 300000 proteiner är endast ca 1% till fullo utforskade. Proteiners struktur studeras genom att bestråla proteinkristaller med röntgenstrålar. Beroende på kristallstruktur fås olika diffraktionsmönster på en röntgenplåt. Ur mönstret kan sedan proteinets struktur bestämmas. För att få vettiga resultat krävs högkvalitativa proteinkristaller tillverkade i tyngdlöshet. Vet man hur ett protein är uppbyggt är det lättare att förstå dess funktion i människokroppen. I slutändan kan detta leda till nya metoder att bota sjukdomar.
Problem med tyngdlöshetAllting är inte frid och fröjd bara för att gravitationens inverkan på ett experiment eliminerats. En vätska påverkas av ytspänning, som kan få en helt annan roll i tyngdlöshet. Det finns experiment som misslyckats totalt p.g.a. att undersöka vätskor fastnat på fel ställe och sedan ej gått att flytta. Tänk dig själv att vattnet från din vattenslang fastnar som en lång vattenkorv på slangens yta och inte på din älskade prydnadsbuske. Ett synnerligen hemskt scenario!Att uppnå tyngdlöshetTidigare i denna text beskrevs principerna för att uppnå tyngdlöshet. En skildring av hur man gör i praktiken följer här. Alla metoder är varianter på fritt fall i gravitationsfält.FalltornFör att fria fall inte ska ta slut så snabbt, krävs långa fallsträckor. Genom att bygga höga torn och släppa föremål från dem, kan några sekunders tyngdlöshet uppnås. Vill man inte bygga torn kan gruvor nyttjas för fria fall i jordens inre. Sker fallet dessutom i ett rör där luften pumpats ut, blir fallet bättre ur tyngdlöshetssynpunkt. Ett långt och tätt rör kan vara svårt att bygga. Det är ofta enklare att låta en raketmotor skjuta på i fallet och på så sätt kompensera för luftfriktionen. Att bygga ett oändligt högt torn för att uppnå oändlig tyngdlöshet är opraktiskt. Långa tider i tyngdlöshet uppnås ombord på rymdfarkoster, vilka beskrivs längre fram i texten.
ParabolflygningarEn snöboll följer en kastbana då den lämnat kastarens hand. Under det fria fall som följer, upplevs ett nästintill tyngdlöst tillstånd i snöbollen. När så snöbollen träffar sitt tilltänkta offer tar tyngdlösheten abrupt slut. Om ett flygplan snabbt får stiga och sedan följa en kastbana, kan ca 20 sekunders tyngdlöshet uppnås ombord. Med ett ytterst svagt motorpådrag under det fria fallet, kompenseras atmosfärens bromsande inverkan. Till skillnad från snöbollen kraschar inte flygplanet efter genomförd kastbana. Istället flyger man så att ännu en kastbana kan genomföras. Under en flygning genomförs upp till 35 kastbanor med ett intervall av tre minuter mellan varje kastbana.
SondraketerFör att eliminera effekten av den bromsande atmosfären, används sondraketer istället för flygplan. En sondraket är obemannad och kallas även för höghöjdsraket. Sondraketen följer även den en kastparabel, varav merparten sker i rymden. Under tiden i rymden, efter det att raketmotorn stannat, upplevs mikrogravitation ombord. Den varar i 6-15 minuter innan sondraketen återinträder i jordens atmosfär. För att inte experimenten ska krossas mot marken landar nyttolasten med fallskärm.
Var börjar rymden? Beroende på definition sägs rymden börja mellan 1000 och 3200 km ovan jordytan. Redan vid en höjd av 160 km är dock atmosfären så tunn att aerodynamiska effekter kan försummas. Sondraketer når höjder mellan 200 och 800 km, vilket duger gott för att uppnå mikrogravitation. SatelliterSir Isaac Newton ställde upp följande tankeexperiment för att förklara hur något kan kretsa fritt runt jorden.Newtons tankeexperiment Föreställ dig en kanon placerad på ett högt berg. Efter det att kanonkulan avfyrats faller den mot marken. Ju högre utgångshastighet kanonkulan har, desto längre bort landar den. Med en tillräckligt stor utgångshastighet kommer kanonkulan att färdas ett varv runt jorden. Förutsatt att kanonkulan inte träffar kanonen bakifrån, eller bromsas upp av atmosfären, fortsätter den varv på varv runt jorden i en så kallad omloppsbana. På samma sätt beter sig en satellit. Den faller hela tiden mot jorden, men missar och faller istället runt jorden. Eftersom allting i satelliten faller lika snabbt, råder tyngdlöshet ombord. På satelliter är inte tiden i tyngdlöshet den begränsande faktorn för experiment. Istället är det experimentens tillgång till energi och andra råvaror som avgör experimentets livslängd. RymdfärjorEn rymdfärja är en återanvändbar rymdfarkost som används för rymdtransporter och olika serviceuppdrag. Rymdfärjor stannar i omloppsbana ungefär en vecka. Rymdfärjor är bemannade, så komplicerade experiment i tyngdlöshet kan utföras ombord. På bilden nedan utgör rymdfärjan den del som liknar ett flygplan. För uppfärden till rymden används en kraftig raketmotor, som ej återanvänds.
RymdstationerTill skillnad mot rymdfärjor är en rymdstation avsedd att förbli i omloppsbana och kan liknas vid en bemannad satellit. Förutom lab att experimentera i, finns boytor för besättningen. Nackdelen är att besättningens rörelser orsakar vibrationer som kan störa experimenten. På en obemannad satellit är det enklare att kontrollera eventuella vibrationskällor. Alltså uppnås en perfektare mikrogravitation ombord på obemannade satelliter.Bilden nedan visar den internationella rymdstationen ISS, som beräknas bli färdig om några år.
FramtidEtt möjligt framtidsscenario är fabriker i rymden. Dessa kan tänkas tillverka sällsynta legeringar, eller högkvalitativa optofibrer för datakommunikation. Hursomhelst kommer tyngdlöshetsexperiment med största sannolikhet att utföras även i framtiden.Källor för mer informationEuropean Space Agency – ESA http://www.esa.int/ Microgravity News and Research
Litteraturlista och referenserUppslagsverkKenneth Gatland et al, Illustrated Encyclopedia of Space Technology, New York, 1981, Salamander Books Ltd.InternetEuropean Space Agency: Parabolic Flights with The AIRBUS A300http://www.estec.esa.nl/spaceflight/map/ao/airbus.htm Januari 2000. Marshall Space Flight Center: Biophysics in Microgravity.
Marshall Space Flight Center: Combustion in Microgravity. http://www.microgravity.com/combustion.html
Swedish National Space Board: Mikrogravitation. http://nos.snsb.se/FK/microG.html
Swedish Space Corporation: What is Microgravity?
Muntliga referenserGunnar Andersson, Chef för avionikavdelningen, Rymdbolaget, Solna. Pratstunder om tyngdlöshet från juni 1997 och framåt.Professor Hasse Fredriksson, Institutionen för materialens processteknologi,
KTH. Pratstund om legeringar i januari 2000.
BilderBilderna publicerade med tillstånd av ESA, NASA och SSC.
Göran Nordahl 2000-03-09 e99_gno@e.kth.se |
;)
;)
;)
;)
;)
;)
;)
;)