Trôi lơ lửng trong môi trường vi trọng lực của trạm vũ trụ, phi hành gia không thể phân biệt trên dưới nhờ trọng lực như ở mặt đất nên phải áp dụng nhiều biện pháp định hướng.
Với con người, khả năng định hướng rất quan trọng. Bị lạc trên mặt phẳng đã rắc rối, nhưng không thể phân biệt trên dưới còn tệ hơn. Thông thường, lực hấp dẫn giúp đảm bảo con người trên Trái đất không gặp vấn đề như vậy. Nhưng điều gì sẽ xảy ra với các phi hành gia trong không gian?
Phi hành gia Peggy Whitson trôi lơ lửng trong Trạm Vũ trụ Quốc tế (ISS). (Ảnh: NASA)
Trạm Vũ trụ Quốc tế (ISS) và trạm Thiên Cung hoạt động ở độ cao khoảng 400km. Với khoảng cách nhỏ như vậy so với bán kính Trái đất, lực hấp dẫn mạnh gần bằng 90% so với ở mực nước biển. Tuy nhiên, phi hành gia trên các trạm vũ trụ không cảm nhận được lực hấp dẫn này vì các trạm đang rơi tự do. Chúng không đâm xuống mặt đất nhờ di chuyển cực nhanh. Nếu lực hấp dẫn của Trái đất đột nhiên biến mất, chúng sẽ văng ra không gian.
Trong quá trình đào tạo, phi hành gia được trải nghiệm trạng thái không trọng lượng khi rơi tự do trên máy bay KC-135 0-G. Khi lên tới không gian, trạng thái này được duy trì. Vì toàn bộ trạm vũ trụ cùng rơi tự do, phi hành gia không có cảm giác rơi mà trôi nổi cùng những vật thể khác trong trạm.
Tuy nhiên, con người đã trải qua hàng triệu năm tiến hóa trong trường hấp dẫn, nên việc sống thiếu trường hấp dẫn có thể gây khó chịu. Với nhiều người, điều này dẫn đến mất phương hướng và nôn.
Môi trường trên quỹ đạo trước đây được gọi là "không trọng lực". Nhưng ngày nay, giới chuyên gia sử dụng thuật ngữ chính xác hơn là "vi trọng lực" vì kể cả khi ảnh hưởng hấp dẫn của Trái đất bị triệt tiêu, mọi thứ có khối lượng đều có lực hấp dẫn. Do đó, các phi hành gia vẫn chịu lực hấp dẫn rất nhỏ từ trạm vũ trụ và từ nhau.
Những lực này rất yếu nên cơ thể người không thực sự ghi nhận chúng. Hơn nữa, trạm vũ trụ bao bọc xung quanh phi hành gia và kéo họ theo mọi hướng, thậm chí kéo mạnh hơn về phía có khối lượng lớn nhất. Vì vậy, trên quỹ đạo, họ không thể phân biệt trên dưới dựa vào lực hấp dẫn như ở dưới mặt đất.
Phi hành gia Josh Cassada nhìn qua một trong 7 cửa sổ của Vòm Cupola. (Ảnh: NASA).
Điều thú vị là cơ thể người sử dụng cả khả năng cảm nhận trọng lực và gia tốc của tai trong lẫn khả năng ghi nhận vị trí tương đối so với các vật khác của mắt để định hướng. Do đó, phi hành gia dù không cảm nhận được trên dưới nhưng có thể quan sát bằng mắt.
Một biện pháp để phân biệt trên dưới trong trạm vũ trụ là sắp xếp mọi thứ theo cùng một kiểu định hướng. Ví dụ, ISS được thiết kế sao cho hầu hết nguồn sáng đều đến từ một hướng. Hướng này sẽ là trần nhà còn hướng ngược lại là sàn. Các bảng thông báo sẽ gây nhầm lẫn nếu được định hướng ngẫu nhiên trên tường, do đó, chúng thường đặt theo cùng một kiểu. Điều này giúp khuyến khích phi hành gia thường xuyên giữ được khả năng định hướng với đầu hướng lên trần nhà.
Biện pháp thứ hai để phân biệt trên dưới là dựa vào bên ngoài. Sử dụng Mặt trời hay các ngôi sao để định hướng sẽ khá rắc rối, nhưng sử dụng Trái đất thì thuận tiện hơn nhiều. Giống như Mặt trăng, ISS luôn giữ một mặt cố định hướng về Trái đất, nhưng không đồng nghĩa nó không quay. Thay vào đó, trạm tự quay với cùng chu kỳ quay quanh quỹ đạo Trái đất - khoảng 90 phút một vòng.
Việc duy trì một mặt cố định này mang đến nhiều lợi ích ngoài việc cung cấp khả năng định hướng nhất quán cho phi hành gia. Ví dụ, các thiết bị truyền phát vô tuyến không cần di chuyển nhiều trong trạm. Thêm vào đó, các lực hấp dẫn khiến Mặt trăng giữ nguyên một mặt hướng về hành tinh xanh cũng tác động lên vệ tinh nhân tạo. Mọi việc sẽ dễ dàng hơn nếu không cố gắng chống lại những lực đó.
Năm 2010, trạm ISS trang bị thêm Vòm Cupola - module gồm 7 cửa sổ cung cấp tầm nhìn toàn cảnh về hành tinh xanh. Trước đó, phi hành gia phải dựa vào những ô cửa nhỏ để quan sát. Việc các ô cửa này xuất hiện rải rác ở nhiều nơi trên trạm cũng giúp phi hành gia nắm được hướng Trái đất, hay hướng "ở dưới".