جاذبه در فضا و ایستگاه فضایی؛ چرا فضانوردان با وجود گرانش معلق می‌مانند؟

بسیاری از ما با شنیدن نام ایستگاه فضایی بین‌المللی (ISS)، تصاویری از فضانوردانی را به یاد می‌آوریم که آزادانه در هوا شناورند و اجسام نیز در کنارشان معلق هستند. این تصور عمومی باعث شده است که عبارت «جاذبه صفر» به بخشی جدایی‌ناپذیر از توصیف زندگی در فضا تبدیل شود. اما آیا جاذبه در فضا، به خصوص در مداری که ایستگاه فضایی قرار دارد، واقعاً صفر است؟

پاسخ کوتاه و قاطع به این سؤال «خیر» است. حقیقت بسیار جذاب‌تر و پیچیده‌تر از یک خلأ گرانشی ساده است. در واقع، گرانش زمین در ارتفاع حدود 400 کیلومتری که ایستگاه فضایی در آن گردش می‌کند، همچنان نیرویی قدرتمند و تعیین کننده است. این نیرو تقریباً 90 درصد نیروی گرانشی است که ما روی سطح زمین تجربه می‌کنیم. پس اگر گرانش تقریباً به همان قدرت پابرجاست، چرا فضانوردان و هرآنچه در ایستگاه وجود دارد، در حالت بی‌وزنی به سر می‌برند؟

پاسخ در درک یک مفهوم کلیدی نهفته است: ایستگاه فضایی و تمام محتویاتش در یک حالت «سقوط آزاد دائمی» به دور زمین قرار دارند. برای توصیف دقیق‌تر این وضعیت، دانشمندان از اصطلاح «ریزشبکه‌گرانشی» (Microgravity) به جای «جاذبه صفر» استفاده می‌کنند. استفاده از عبارت «جاذبه صفر» این تصور غلط را ایجاد می‌کند که گرانش به کلی ناپدید شده است، اتفاقی که اگر رخ می‌داد، پیامدهای بسیار عجیبی در پی داشت. در مقابل، ریزشبکه‌گرانشی به وضعیتی اشاره دارد که در آن تأثیر شتاب گرانشی به شدت کاهش یافته است.

در این حالت، اجسام به همراه محیط اطرافشان با سرعتی یکسان در حال سقوط هستند و به همین دلیل نسبت به یکدیگر شناور به نظر می‌رسند. درک این تفاوت نه تنها به ما کمک می‌کند تا نحوه کار فضاپیماها را بهتر بفهمیم، بلکه دریچه‌ای به سوی شناخت جهانی کاملاً جدید از علم می‌گشاید. مطالعه ریزشبکه‌گرانشی نشان می‌دهد که حیات و ماده در غیاب کشش دائمی گرانش چگونه رفتار می‌کنند. از نحوه سوختن شعله آتش گرفته تا سازگاری بدن انسان، این محیط منحصر به فرد، بینشی را فراهم می‌کند که مهندسی، پزشکی و درک ما از فیزیک را متحول می‌سازد؛ دانشی که برای مأموریت‌های آینده در اعماق فضا حیاتی خواهد بود.

ریزشبکه‌گرانشی و مفهوم جاذبه در فضا چگونه کار می‌کند؟

برای درک بهتر مفهوم ریزشبکه‌گرانشی، یک مثال ساده را تصور کنید: فرض کنید بر فراز بلندترین برج ساختمانی ایستاده‌اید و یک توپ بیسبال را با تمام قدرت به صورت افقی پرتاب می‌کنید. توپ بلافاصله تحت تأثیر گرانش زمین شروع به سقوط می‌کند، اما به دلیل سرعت اولیه‌ای که به آن داده‌اید، همزمان به سمت جلو نیز حرکت می‌کند و مسیری منحنی را طی کرده و در نهایت به زمین برخورد می‌کند. حال تصور کنید که می‌توانید این توپ را با سرعتی بسیار بسیار بیشتر پرتاب کنید. در این صورت، با اینکه توپ همچنان در حال سقوط به سمت زمین است، اما به دلیل سرعت افقی فوق‌العاده بالایش، انحنای مسیر سقوط آن با انحنای کره زمین تطبیق پیدا می‌کند. در نتیجه، توپ پیوسته در حال سقوط باقی می‌ماند، اما هرگز به سطح زمین برخورد نمی‌کند و در مداری به دور آن شروع به گردش می‌کند.

این دقیقاً همان اصلی است که برای ایستگاه فضایی بین‌المللی صدق می‌کند. ایستگاه با سرعتی حدود 28000 کیلومتر بر ساعت در حال حرکت است! در این سرعت سرسام‌آور، نیروی گرانش زمین دائماً ایستگاه را به سمت خود می‌کشد، اما سرعت افقی عظیم آن مانع از سقوط مستقیم شده و باعث می‌شود که ایستگاه «به دور زمین» بچرخد. این یک سقوط بی‌پایان و زیباست.

حالا نکته کلیدی اینجاست: نه تنها خود ایستگاه، بلکه فضانوردان، تجهیزات، هوا و تک‌تک ذرات درون آن نیز دقیقاً با همین سرعت در حال سقوط آزاد هستند. از آنجایی که همه چیز با هم و با شتابی تقریباً یکسان در حال سقوط است، اجسام نسبت به فضای داخلی ایستگاه شناور به نظر می‌رسند. این وضعیت شباهت زیادی به اتفاقی دارد که در یک آسانسور در حال سقوط رخ می‌دهد. اگر کابل آسانسوری پاره شود، برای لحظاتی کوتاه تا پیش از برخورد، افراد و اشیای داخل آن نسبت به کابین آسانسور بی‌وزن خواهند بود، زیرا همه با هم در حال سقوط هستند. در ایستگاه فضایی، این «لحظه» هرگز به پایان نمی‌رسد.

پس چرا ایستگاه فضایی در اعماق فضا سرگردان نمی‌شود؟ پاسخ همان جاذبه در فضا است. این نیروی گرانش زمین است که مانند یک ریسمان نامرئی، ایستگاه را در مدار خود نگه می‌دارد و از فرار آن جلوگیری می‌کند. همین اصل در مورد ماه نیز صادق است. ماه نیز در یک سقوط آزاد دائمی به دور زمین قرار دارد و به همین دلیل است که سیاره ما را دور می‌زند.

اصطلاح «ریزشبکه‌گرانشی» به این واقعیت اشاره دارد که گرانش ظاهری بسیار ناچیز است (در حدود یک میلیونیوم گرانش سطح زمین)، هرچند که میدان گرانشی اصلی همچنان قدرتمند است. به طور خلاصه، در ایستگاه فضایی، گرانش وجود دارد و آن را به سمت زمین می‌کشد، اما چون کل مجموعه در حال سقوط به دور زمین است، محیط داخلی احساس بی‌وزنی می‌کند. این احساس بی‌وزنی است که به دانشمندان اجازه می‌دهد پدیده‌های علمی، مهندسی و فیزیولوژیکی منحصربه فردی را مطالعه کنند که بررسی آن‌ها روی زمین غیرممکن است.

چرا مطالعه جاذبه در فضا و محیط ریزشبکه‌گرانشی اهمیت دارد؟

ناسا و شرکای بین‌المللی آن، ایستگاه فضایی را دقیقاً به عنوان یک آزمایشگاه ریزشبکه‌گرانشی نگهداری می‌کنند، زیرا این محیط بی‌وزن فرصت‌های علمی و فناوری بی‌نظیری را فراهم می‌آورد که در شرایط گرانش عادی زمین دست‌نیافتنی هستند. روی زمین، بسیاری از فرآیندهای فیزیکی تحت سلطه اثرات گرانش قرار دارند.

پدیده‌هایی مانند ته‌نشین شدن مواد در یک مایع (Sedimentation)، شناوری (Buoyancy) و همرفت (Convection) همگی به دلیل وجود گرانش رخ می‌دهند. این نیروی دائمی می‌تواند رفتارهای ظریف‌تر و پنهان مواد را بپوشاند. جالب است بدانید که گرانش حتی می‌تواند بر گذر زمان نیز تأثیر بگذارد. در محیط ریزشبکه‌گرانشی، این تأثیرات به شدت سرکوب یا حذف می‌شوند و به محققان این امکان را می‌دهند که سیالات، مواد، سیستم‌های بیولوژیکی و پدیده‌های بنیادین فیزیک را در شرایطی کاملاً جدید بررسی کنند.

به عنوان مثال، در غیاب گرانش، شعله آتش به جای شکل قطره‌ای معمولی خود، به صورت یک کره کامل می‌سوزد. این مشاهدات به دانشمندان کمک می‌کند تا فرآیند احتراق را بهتر درک کرده و روش‌های کارآمدتر و ایمن‌تری برای مهار آتش در فضا و حتی روی زمین طراحی کنند. در علم مواد، محققان می‌توانند آلیاژهای جدیدی بسازند یا بلورهایی با ساختار تقریباً بی‌نقص رشد دهند که تولید آن‌ها در حضور گرانش غیرممکن است، زیرا گرانش باعث ایجاد نقص در ساختار بلوری می‌شود. این مواد پیشرفته می‌توانند کاربردهای گسترده‌ای در صنایع الکترونیک، پزشکی و تولید انرژی داشته باشند.

از منظر سلامت انسان و سیستم‌های مورد نیاز برای پروازهای فضایی طولانی مدت، درک جاذبه در فضا و اثرات آن امری حیاتی است. فضانوردانی که در مدار زندگی و کار می‌کنند، پدیده‌هایی مانند کاهش تراکم استخوان، تحلیل عضلانی، تغییر در گردش خون و سایر سازگاری‌های فیزیولوژیک را تجربه می‌کنند. بدن انسان برای مقابله با کشش دائمی گرانش تکامل یافته است و در غیاب آن، به سرعت شروع به تغییر می‌کند. مطالعه دقیق این تغییرات به ناسا کمک می‌کند تا اقدامات متقابل مؤثری مانند برنامه‌های ورزشی ویژه، پروتکل‌های تغذیه‌ای و طراحی‌های جدید برای فضاپیماها را توسعه دهد. این اقدامات برای موفقیت مأموریت‌های طولانی مدت آینده به ماه و مریخ ضروری هستند.

علاوه بر این، تجهیزات و مواد نیز در محیط ریزشبکه‌گرانشی آزمایش می‌شوند تا از استحکام و کارایی آن‌ها برای سفرهای طولانی در اعماق فضا اطمینان حاصل شود. به این ترتیب، ایستگاه فضایی بین‌المللی به عنوان پله‌ای برای تحقق جاه‌طلبی‌های بشریت فراتر از مدار پایین زمین عمل می‌کند. با نگاهی که آژانس‌های فضایی به مأموریت‌های سرنشین‌دار به ماه و مریخ دوخته‌اند، درک رفتار انسان و سخت‌افزار در محیط ریزشبکه‌گرانشی یک گام ضروری و اجتناب‌ناپذیر است. دانش به دست آمده از دهه‌ها تحقیق در ایستگاه فضایی، بر طراحی فضاپیماها، سیستم‌های پشتیبانی حیات، برنامه‌ریزی مأموریت‌ها و تدابیر ایمنی و بهداشتی تأثیر مستقیم می‌گذارد و همگی در خدمت اکتشافات آینده در اعماق فضا هستند.

در نهایت، ایستگاه فضایی بین‌المللی چیزی فراتر از یک سازه مهندسی شگفت‌انگیز است؛ این قمر مصنوعی پنجره منحصر به فرد به سوی درک قوانین بنیادین جهان است. با حذف متغیر گرانش، دانشمندان می‌توانند به ماهیت واقعی پدیده‌ها پی ببرند و مرزهای دانش را جابجا کنند. بنابراین، دفعه بعد که ویدیویی از یک فضانورد شناور در ایستگاه فضایی دیدید، به یاد داشته باشید که شما در حال تماشای یک محیط با «جاذبه صفر» نیستید، بلکه شاهد یک رقص زیبا و هماهنگ از سقوط آزاد دائمی هستید؛ پدیده‌ای که درک ما از جاذبه در فضا را شکل داده و راه را برای آینده بشر در کیهان هموار می‌سازد.