G-kracht: de onzichtbare kracht die piloten en astronauten voelen
Sta je in een lift die plotseling optrekt, dan voel je jezelf even zwaarder worden: je voeten drukken harder tegen de vloer. Dat gevoel is een g-kracht. Trek een auto hard op vanaf een stoplicht, dan word je in je stoel gedrukt om dezelfde reden. Het is een alledaags verschijnsel, maar het wordt pas echt interessant wanneer de versnelling extreem wordt: bij de lancering van een raket, tijdens een scherpe bocht in een gevechtsvliegtuig, of in een achtbaan die met hoge snelheid een lus induikt.
Bij die extreme versnellingen kan g-kracht niet alleen ongemakkelijk aanvoelen, maar ook gevaarlijk worden. Boven een bepaalde grens duwt de versnelling bloed weg uit je hersenen, waardoor je gezichtsvermogen vervaagt en je uiteindelijk buiten bewustzijn kunt raken. Om die reden is g-kracht al decennialang een serieus onderwerp van studie in de luchtvaart en ruimtevaart, met speciale pakken, trainingsapparatuur en veiligheidsnormen als resultaat.
Wat is het precies?
G-kracht is, ondanks de naam, strikt genomen geen kracht maar een maat voor versnelling. Eén g staat gelijk aan de versnelling die de zwaartekracht op aarde veroorzaakt: 9,81 meter per seconde per seconde. Als je op de bank zit, ondervind je al 1 g, simpelweg je eigen gewicht. Versnel je sneller dan de zwaartekracht dat zou doen, dan spreken we van meer dan 1 g.
Er zijn verschillende richtingen waarin g-kracht optreedt. Positieve g duwt je bijvoorbeeld tijdens het optrekken van een raket in je stoel; negatieve g doet het tegenovergestelde, zoals bovenaan een achtbaanlus waar je even gewichtsloos lijkt of zelfs omhoog wordt gedrukt. Laterale g ontstaat bij scherpe bochten, zoals in een Formule 1-auto of gevechtsvliegtuig, en duwt je zijwaarts.
Het menselijk lichaam kan kortdurend behoorlijk wat g-kracht verdragen, maar er zijn grenzen. Bij hoge positieve g stroomt bloed weg uit het hoofd naar de benen, wat eerst leidt tot wazig zicht ("grey-out"), dan verlies van kleurenzicht en uiteindelijk volledige black-out. Bij negatieve g gebeurt het omgekeerde: bloed stroomt naar het hoofd, wat een "red-out" kan veroorzaken doordat het netvlies overbelast raakt. In extreme gevallen raakt iemand kortstondig buiten bewustzijn, een verschijnsel dat bekendstaat als G-LOC (G-force induced Loss Of Consciousness).
Om G-LOC te voorkomen, dragen gevechtspiloten zogeheten G-suits: pakken met opblaasbare kussens rond buik en benen die, aangestuurd door de versnelling van het vliegtuig, samenknijpen om te voorkomen dat bloed wegzakt naar de onderste ledematen. Piloten leren daarnaast speciale ademhalings- en spanningstechnieken om bloed actief richting het hoofd te houden.
Wat wil men ermee bereiken?
De studie van g-kracht bestaat vooral om mensen veilig te houden in situaties met extreme versnelling. Voor de luchtvaart en ruimtevaart betekent dit: begrijpen waar de fysiologische grenzen van het lichaam liggen, zodat vliegtuigen, raketten en ruimtecapsules zo ontworpen kunnen worden dat bemanningen bewust en gezond blijven tijdens kritieke fases zoals lancering, manoeuvres en terugkeer in de atmosfeer.
Daarnaast speelt g-kracht een rol in productveiligheid buiten de lucht- en ruimtevaart. Achtbanen en andere attracties worden ontworpen en getest binnen vastgestelde g-krachtlimieten om bezoekers niet in gevaar te brengen. Ook in de autosport en bij crashtests van voertuigen wordt g-kracht gemeten om zowel prestaties als veiligheid te beoordelen.
Met de opkomst van commerciële ruimtevaart is er een nieuw doel bijgekomen: niet alleen getrainde piloten en astronauten, maar ook ongetrainde burgers moeten een vlucht met aanzienlijke g-krachten kunnen doorstaan. Dat vraagt om nieuwe inzichten in hoe mensen zonder specifieke training reageren op versnellingen die vroeger uitsluitend door professionals werden ervaren.
Voorbeelden uit de praktijk
Een aantal concrete voorbeelden laat zien hoe g-kracht in de praktijk wordt gemeten, getraind en beheerst.
- NASA's humane centrifuge bij het Ames Research Center in Californië werd decennialang gebruikt om astronauten en onderzoekers bloot te stellen aan gecontroleerde g-krachten, om zowel fysiologische reacties te bestuderen als training te bieden voor lanceringen.
- Star City (TsPK) in Rusland beschikt over een van de grootste centrifuges ter wereld, waarmee kosmonauten al sinds de jaren zestig worden voorbereid op de g-krachten van een Sojoez-lancering en -terugkeer.
- SpaceX Crew Dragon-bemanningen ervaren tijdens de terugkeer in de atmosfeer g-krachten van ongeveer 4 tot 4,5 g, terwijl een Sojoez-capsule bij een normale terugkeer vergelijkbare waarden haalt, maar bij een noodgeval met een steilere, ballistische terugkeer kan oplopen tot 8 à 9 g.
- Gevechtspiloten in toestellen als de F-16 of F-22 kunnen tijdens scherpe manoeuvres tot ongeveer 9 g ervaren, wat alleen vol te houden is dankzij training, spanningstechnieken en G-suits.
- Formule 1-coureurs ondervinden bij hard remmen voor een bocht g-krachten van naar schatting 5 tot 6 g, kortstondig maar herhaaldelijk gedurende een race.
Hoe ver is de techniek?
G-suits bestaan al sinds de Tweede Wereldoorlog en zijn sindsdien geleidelijk verfijnd, met betere pasvorm, snellere drukregeling en combinaties met ademhalingsondersteuning. Dit is inmiddels een volwassen, breed toegepaste technologie in de militaire luchtvaart.
Humane centrifuges worden nog steeds actief gebruikt voor training en onderzoek, maar de opkomst van commerciële ruimtevaartbedrijven zoals Virgin Galactic en Blue Origin heeft een nieuw vraagstuk op tafel gelegd: hoe bereid je gewone burgers, met uiteenlopende leeftijd en gezondheid, voor op g-krachten tijdens een suborbitale vlucht? Beide bedrijven laten deelnemers daarom voorafgaand aan de vlucht kortdurende centrifugetraining ondergaan, al is dit veld in ontwikkeling en zijn de langetermijneffecten op een divers publiek nog niet uitgebreid onderzocht.
Een belangrijk obstakel blijft de individuele variatie in g-tolerantie: fitheid, lichaamsbouw, leeftijd en zelfs dagvorm bepalen hoeveel g iemand aankan voordat black-out optreedt, en dit is nog altijd lastig precies te voorspellen per persoon. Ook de effecten van langdurige, lage g-blootstelling of herhaalde belasting over lange missies, zoals een toekomstige reis naar Mars, zijn nog onderwerp van lopend onderzoek en dus met onzekerheid omgeven.
Wie werken eraan?
Ruimtevaartorganisaties als NASA, de Europese ESA en het Russische Roscosmos onderzoeken al decennialang de effecten van g-kracht op astronauten en kosmonauten. Militaire luchtmachten, waaronder de Amerikaanse US Air Force, financieren onderzoek naar g-tolerantie en trainen piloten in centrifuges.
Vliegtuigbouwers zoals Lockheed Martin en Boeing integreren G-suit-systemen en cockpitontwerp die piloten helpen hoge g-krachten te doorstaan. Gespecialiseerde bedrijven zoals Environmental Tectonics Corporation bouwen de centrifuges die wereldwijd voor training en onderzoek worden gebruikt.
Op het gebied van commerciële ruimtevaart werken Virgin Galactic, Blue Origin en SpaceX aan het veilig blootstellen van zowel professionele bemanningen als betalende passagiers aan g-krachten tijdens lancering en terugkeer. Universitaire centra voor luchtvaart- en ruimtevaartgeneeskunde dragen bij met fundamenteel onderzoek naar de fysiologische grenzen van het lichaam.