Prostor

Zadejte Sandman: Hibernation Technologies pro mise v hlubokém vesmíru

Zadejte Sandman: Hibernation Technologies pro mise v hlubokém vesmíru


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

V příštích několika desetiletích je plánována řada skutečně ambiciózních misí pro průzkum vesmíru. Do 30. let 20. století plánují NASA a ESA prozkoumat některé z největších měsíců Jupitera kvůli možným známkám života s jejich Europa Clipper aJUpiter ICy moon Explorer (JUICE) mise.

Podobná mise, NASA VážkaKvadrokoptéra má být poslána k největšímu Saturnovu měsíci, Titanu. Tento koncept vertikálního vzletu a přistání (VTOL) prozkoumá atmosféru Titanu a jezera metanu, také kvůli možným náznakům života.

Existuje také několik navrhovaných misí, které budou zahrnovat vysílání astronautů do vesmíru na delší dobu. V letech 2024 až 2028 má NASA v úmyslu poslat astronauty zpět na Měsíc poprvé od doby Apolla (v rámci projektu Artemis).

Ve 30. letech 20. století doufají Čína, Rusko a Evropská kosmická agentura (ESA), že vyšlou své první mise s posádkou na Měsíc. Indie pravděpodobně nebude pozadu, protože doufá, že do roku 2022 pošlou své první astronauty na oběžnou dráhu. A do 30. let 20. století NASA také doufá, že vysílá první astronauty na Mars.

Bude to poprvé, co astronauti cestují do nebeského tělesa v hlubokém vesmíru - tj. Za soustavou Země-Měsíc. Zatímco robotické mise byly vysílány do všech hlavních těles sluneční soustavy - od Merkura po Pluto - posílání astronautů do hlubokého vesmíru je úplně jiná míčová hra!

Nejenže se profily misí a architektura zcela liší, ale také představuje řadu nebezpečí, která vyžadují kreativní řešení.

Jak dlouho trvá cesta na Mars?

Dostat se jen k nejbližším tělesům v hlubokém vesmíru je extrémně časově náročné. Přestože je Mars druhým nejbližším objektem k Zemi (Venuše je nejblíže), je stále neuvěřitelně daleko. Každé dva roky budou Mars a Země v nejbližších bodech své oběžné dráhy, které se říká „opozice“.

Během těchto časů se Mars může dostat až na vzdálenost 57,6 milionů km (35,8 milionů mi) od Země. Jindy, kterému se říká „konjunkce“, může být Mars od Země vzdálený až 400 milionů km (248,5 milionů mi). Z tohoto důvodu vesmírné agentury zahajují mise na Mars, pouze když je v opozici.

Doposud nejrychlejší robotická mise, kterou kdy vyslali na Mars, byla New Horizons misí, která se otočila Červenou planetou jen 39 dní po jejím spuštění. Mise New Horizon však byla nakonec cílem Pluta, což znamenalo, že nepotřebuje zpomalit ani sestoupit na povrch.

U misí směřujících na Mars se celková doba cesty pohybovala mezi 150–300 dny, v závislosti na rychlosti vypuštění a vyrovnání Země a Marsu. Nejrychlejší čas na to, aby mise dorazila kolem a přistála na povrchu Marsu, byla 212 dní, což se podařilo Mars Pathfinder.

Opět však platí, že mise s posádkou jsou další věcí. Aby bylo možné vyslat tým astronautů do vesmíru se vším, co budou potřebovat, aby splnili svou misi a dostali se znovu domů, musí být kosmická loď větší, těžší a mít vlastní pohonnou látku a trysky.

V tomto ohledu k nám nejrychlejší zaznamenaná mise přichází z doby Apolla. Ze šesti měsíčních misí, které se dostaly na Měsíc a zpět (Apollo 13 se dostalo zpět, ale nikdy nepřistálo na Měsíci), Apollo 10 vytvořil rekord v nejrychlejším lidském vesmírném letu - 39 897 km / h (24 791 mph).

Tohoto rychlostního rekordu však bylo dosaženo během zpáteční cesty na Zemi, nikoli počátečního startu. A i kdyby kosmická loď mohla cestovat stejnou rychlostí po celou dobu, mise na Mars by stále strávila tranzitem čtyři měsíce (bez ohledu na povrchové operace).

Realističtější odhady však naznačují, že kosmické lodi by trvalo solidních devět měsíců (270 dní), než by se dostala na Mars, což by fungovalo asi dva roky, pokud se podíváte na povrchové operace. To znamená, že astronauti budou vystaveni zvýšenému záření a mikrogravitaci po dobu až 24 měsíců.

O jaké nebezpečí jde?

Trávení dlouhých časových období ve vesmíru představuje mnoho výzev pro život, jak jej známe. Ty vznikají z radiačního prostředí, které existuje ve vesmíru, a z účinků mikrogravitace na fyziologii živých věcí.

Průběžný výzkum na palubě Mezinárodní vesmírné stanice (ISS) ukázal, že posádky jsou v průměru vystaveny 12 až 28,8 miliradům denně. Na Zemi jsou lidé ve vyspělých zemích vystaveni průměrně asi 620 miliremům (0,62 radům) ročně - což je až 1,7 miliradu denně.

To je sedm až sedmnáctkrát více záření, než jsme zvyklí. Vystavení tomuto velkému množství záření s sebou nese zvýšené riziko rakoviny, poškození buněčných tkání a dokonce i genetické poškození. Je však známo, že existují zmírňující strategie, které fungují.

Kromě ochrany před zářením astronauti na palubě ISS pravidelně kontrolují své úrovně záření pomocí „dozimetrů“. NASA a další kosmické agentury také zavedly pokyny, kolik radiačních astronautů může být vystaveno v průběhu svého života.

Mikrogravitace je další věc. Bylo prokázáno, že dlouhodobé vystavení tomu způsobuje ztrátu svalové a kostní hustoty, stejně jako snížený zrak, funkci orgánů a také změny na genetické úrovni. Abychom to vyřešili, astronauti na palubě ISS dodržují přísný cvičební režim, aby minimalizovali účinky.

Patří sem kombinovaný běžecký trenažér s externím odporem nesoucím zatížení (COLBERT), cyklický ergometr se systémem izolace a stabilizace vibrací (CEVIS) a zařízení Advanced Resistive Exercise Device (ARED), které simuluje vzpírání.

Čím déle však člověk zůstane ve vesmíru, tím obtížnější bude vydržet fyzické změny. Kromě toho je přizpůsobení normální gravitaci po dlouhých obdobích strávených ve vesmíru poměrně obtížné (a bolestivé).

Poté, co strávil téměř rok na palubě ISS, zažil astronaut Scott Kelly po návratu na Zemi řadu zdravotních problémů. Po měsících poté, co se vrátil na Zemi, pociťoval výrazné bolesti kloubů a svalů, nevolnost, vertigo, horečku, silné otoky a další komplikace.

Strategie zmírňování tedy sice existují, ale jsou jen tak účinné. Některé z těchto strategií zároveň jednoduše nejsou praktické, pokud jde o mise v hlubokém vesmíru.

Hibernace v přírodě

V živočišné říši mnoho druhů savců prochází hibernací během zvláště chladných úseků. To zahrnuje přechod do stavu hlubokého spánku a snížení metabolismu těla, což vede ke snížení tělesné teploty, pomalejšímu dýchání a pomalejšímu srdečnímu rytmu.

Ostatní druhy, jako jsou určité druhy ptáků, ryb, plazů a obojživelníků, procházejí podobným procesem. I když to není technicky hibernace, je známo, že tato zvířata vstupují do období strnulosti nebo „brumace“, která je velmi podobná. Období snížené teploty v zásadě vedou ke zpomalení metabolismu a nečinnosti.

Výhody tohoto procesu jsou zřejmé. V podnebí, které zažívá delší chladná období, je jídlo vzácnější a je zapotřebí více energie k udržení tělesné teploty a aktivity. Ve výsledku se mnoho tvorů rozhodlo vstoupit do komatózního stavu a jednoduše „počkat“.

Stejná myšlenka by mohla pomoci při průzkumu vesmíru, kde budou muset astronauti trávit delší dobu na cestě. Vstupem do hibernačního stavu by také oni mohli čekat na dlouhou cestu a potřebovali by mnohem méně v cestě jídla a zásob.

Hibernace ve vesmíru

Tento přístup má kromě úspory na spotřebním materiálu další výhody. U misí v hlubokém vesmíru budou astronauti nejen vystaveni mikrogravitaci po dlouhou dobu, ale nebudou mít ani výhodu cvičebního vybavení. Vesmírné kapsle prostě nejsou dost velké na to, aby pojaly těžké stroje.

Možným způsobem, jak to obejít, je generování umělé gravitace, což NASA v současné době zkoumá kvůli misím v hlubokém vesmíru a dlouhodobým pobytům ve vesmíru. To by spočívalo ve vybavení vesmírných lodí rotujícím torusem, který by generoval odstředivou sílu pro simulaci gravitace.

To však znamená stavět větší a těžší lodě, což znamená, že k tomu, aby se dostali na místo určení, bude zapotřebí více pohonných hmot. Jak jde řešení, není to nákladově efektivní nápad. Zde vstupuje do hry koncept lidské hibernace.

Výhodou nutnosti přinést méně způsobů zásobování také znamená, že kosmická loď mise může být menší a lehčí. Posádky, které na cestě spí, by také vyžadovaly mnohem menší prostor. Žádné jídelny, žádné cvičebny, žádný společný prostor a menší obytné prostory.

Menší a lehčí kosmická loď by vyžadovala méně pohonných látek, aby je mohla vypustit do vesmíru nebo nastavit na kurz směrem k Měsíci, Marsu nebo jiným cílům. To vše by vedlo k dramaticky nižším nákladům.

U zvláště dlouhých misí může být hibernace také způsobem, jak řešit nebezpečí, která přicházejí s spojením uvnitř kapsle po celé měsíce. Za takových podmínek by astronauti mohli trpět, mohli by podlehnout extrémní nudě a klaustrofobii - aka. „kabinová horečka“.

Tímto způsobem by posádky dorazily na místo určení odpočaté a zdravé, spíše než křehké, nemocné nebo trpící duševním zhroucením. Existuje také soubor nedávného lékařského výzkumu, který ukazuje, jak může hibernace zmírnit nebezpečí, které představuje kosmické záření.

Stručně řečeno, ionizující záření uvolňuje volné radikály v těle, což způsobuje poškození a smrt buněk. Protože potlačení metabolismu a spotřeby kyslíku snižuje šíření volných radikálů, sníží také rychlost poškození buněk. Tento ochranný účinek je ještě výraznější při nižších teplotách.

Možné metody

Existuje několik způsobů, jak uvést lidské bytosti do stavu hlubokého spánku, z nichž některé jsou již dobře prozkoumány. Například v medicíně lékaři vyvolají u pacientů kómu podáváním kontrolované dávky barbiturátů. Toto by byl příklad „chemicky vyvolané“ pozastavené animace.

Existuje také „teplotní“ hibernace, kdy se kryogenní procesy používají k uchování osoby v pozastaveném stavu. V tomto případě je teplota těla pomalu snížena do bodu, kdy se zpomalí metabolismus, srdeční frekvence a dýchání a subjekt vstoupí do pozastaveného stavu.

V posledních letech NASA oznámila, že ve spolupráci s atlantskou leteckou společností SpaceWorks vyšetřuje technologii hibernace. Na rozdíl od konvenční kryogeniky zahrnuje metoda SpaceWorks zařízení známé jako RhinoChill.

Toto zařízení se spoléhá na invazivní trubice, které střílejí chladicí kapalinu do nosu a do mozku, což vyvolává stav podobný hibernaci. RhinoChill je součástí designu společnosti pro torpédoborec Mars Transfer Habitat (MTH).

Ve srovnání s konvenčními kosmickými loděmi by MTH nesl posádky astronautů držené v hibernaci po celou dobu letu. Zatímco spí, mohli roboti podávat výživu intravenózně a elektricky stimulovat svaly astronautů, aby je udrželi silné a jejich kosti.

Za svůj design společnost SpaceWorks v roce 2013 vydala ocenění Fáze I programu NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC). V roce 2015 společnost představila finální verzi MTH na Mezinárodní astronautické konferenci (IAC) 2015 v izraelském Jeruzalémě.

Podle specifikací, které předložili, by toto stanoviště vážilo přibližně 181 tun (200 amerických tun), vyžadovalo by výkon 300 kilowattů (kWe) a bylo by schopno pojmout 100 obyvatel.

Jak uváděli v té době, představovalo to významné snížení, pokud jde o hmotnostní a energetické potřeby, ve srovnání s tehdy platnými architekturami pro průzkum Marsu. V roce 2016 byla společnosti SpaceWorks udělena cena Phase II NIAC za jejich práci, která jim umožnila tento koncept dále rozvíjet.

Generální ředitel SpaceWorks John Bradford sdílel tento nový vývoj se společností Interesting Engineering prostřednictvím e-mailu. Jak řekl:

„Systém RhinoChill byl vznikajícím komerčním medicínským produktem, který jsme založili na zajištění účinného chladicího systému. Během našeho grantu Fáze 2 jsme z tohoto systému udělali zálohu / alternativu ve prospěch ochlazení okolního vzduchu v prostředí pro posádku. To bylo [možné], jakmile jsme aktualizovali vnitřní design na víceúrovňové stanoviště a použili jsme „horní palubu“ jako tepelně chlazenou oblast pro torporní posádku. Věříme, že se jedná o jednodušší a bezpečnější přístup ve srovnání s trans - nosní chladicí zařízení, použití gelových polštářků a / nebo injekce studeného solného roztoku.

„Nejvýznamnějšími změnami v našem plánu bylo zavedení nové základní linie mise s maximálním dvoutýdenním obdobím torpéda pro posádku při opakovaných cyklech. Mezi cykly budou členové posádky aktivní po krátkou dobu 2–3 dnů. mít vysokou míru důvěry v to, že bude toto trvání konzistentně / bezpečně dosahováno pro první mise v hlubokém vesmíru. Očekáváme, že budeme tyto doby v průběhu času prodlužovat a nakonec dosáhneme prodloužených stavů strnulosti během celé tranzitní fáze. “

Společnost SpaceWorks provedla od roku 2015 několik dalších analýz a zjistila, že jejich aktualizovaný koncept stále umožní menší a levnější kosmické lodě, než vyžadují konvenční profily misí. Patří sem dlouhodobé mise na Mars, Ceres v hlavním pásu asteroidů a další cíle v hlubokém vesmíru.

„Naše analýza důsledně naznačuje významné úspory, pokud jde o hmotnost stanoviště, hmotnost vypuštění a náklady na misi,“ uvedl. „Obecně dosahujeme 50% snížení hmotnosti stanoviště posádky. Kromě technických výhod, jako je snížená hmotnost a náklady, jsme také identifikovali řadu lékařských výhod spojených s ochlazením těla.“

V posledních letech také Evropská kosmická agentura (ESA) začala zkoumat možnosti hibernace a technologií indukovaného torporu pro průzkum vesmíru. Začalo to, když je Future Technology Advisory Panel (FTAP) označil za zásadní pro dlouhodobé mise do vesmíru.

Výsledkem bylo vytvoření specializovaného „Tematického týmu“ týkajícího se hibernace, který začal provádět počáteční hodnocení pomocí týmu ESA SciSpacE - jehož úkolem je zkoumat, jak těla astronautů reagují na život ve vesmíru.

Jennifer Ngo-Anh je vedoucí týmu týmu SciSpacE. V nedávné tiskové zprávě ESA vysvětlila, jak tyto studie prospěly jak ze studie hibernace v přírodě, tak z lékařského výzkumu:

"Již nějakou dobu je hibernace navržena jako nástroj měnící hru pro lidské vesmírné cestování." Pokud bychom dokázali snížit základní metabolickou rychlost astronauta o 75% - podobně jako to můžeme pozorovat v přírodě u velkých hibernačních zvířat, jako jsou někteří medvědi -, mohli bychom skončit s podstatnými úsporami hmotnosti a nákladů, díky čemuž budou průzkumné mise s dlouhou dobou více realizovatelný."

"A základní myšlenka uvést astronauty do dlouhodobého hibernace není ve skutečnosti tak šílená: široce srovnatelná metoda byla testována a používána jako terapie u pacientů s traumatem kritické péče a u pacientů, kteří mají podstoupit větší chirurgický zákrok po více než dvě desetiletí." Většina hlavních lékařských středisek má protokoly pro vyvolání hypotermie u pacientů, aby snížili svůj metabolismus, aby získali v podstatě čas, a udržovali tak pacienty v lepší kondici, než by tomu bylo jinak. “

Studie se také opírala o týmy z Concurrent Design Facility (CDF) a výzkumníky z Univerzity Ludwiga Maximiliána v Mnichově a University of Goethe.

Společně začali s využitím stávající studie mise, která zahrnovala vyslání šesti astronautů na pětiletou zpáteční misi na Mars. Poté upravili architekturu, logistiku, stínění záření, spotřebu energie a celkový design mise, aby zohledňovaly technologii hibernace.

Zjistili, že hmotnost kosmické lodi mohla být snížena o třetinu díky odstranění čtvrtí posádky a snížení množství potřebných zásob. Hibernace by probíhala v malých luscích, které by se zdvojnásobily jako kabiny posádky, zatímco posádka byla vzhůru.

Robin Biesbroek z CDF popsal proces hodnocení a jeho výsledky:

"Podívali jsme se na to, jak by mohl být astronautský tým nejlépe uveden do režimu hibernace, co dělat v případě nouze, jak zacházet s bezpečností lidí a dokonce jaký dopad by měl hibernace na psychologii týmu." Nakonec jsme vytvořili počáteční náčrt architektury stanoviště a vytvořili plán pro dosažení ověřeného přístupu k přezimování lidí na Mars do 20 let. “

Fáze hibernace by skončila s 21denním obdobím zotavení, než posádka dorazila na místo určení. SpaceWorks i ESA zjistily, že podávání léků vyvolávajících strnulost může být také účinné.

Podle Johna Bradforda to zahrnuje léky, jako jsou agonisté a antagonisté adenosinových receptorů, které mají výhodu spočívající ve snížení metabolismu při minimalizaci úrovně sedace. Ty by se používaly především při obnově, jak vysvětlil.

„Primárním důvodem sedace je potlačení třesu (tj. [Pokusu] těla o opětovné zahřátí) a pohodlí posádky / pacienta během indukce hypotermie,“ uvedl. „Tato nová léčiva mohou bezpečně potlačit třes a zároveň stabilizovat bradykardii.“

Uprostřed všech návrhů, koncepcí a studií proveditelnosti na toto téma je jedna věc jasná: mise do hlubokého vesmíru jsou na dosah. Až přijde čas vyslat lidi za Zemi a Měsíc, bude třeba zavést opatření, která zajistí, aby astronauti zůstali na cestě zdraví.

V tomto okamžiku se zdá, že hibernace je dobře umístěna mezi dalšími různými možnostmi (jako je umělá gravitace nebo přenosné cvičební zařízení). A vzhledem k důležitosti nákladové efektivity v kosmickém cestování je pravděpodobné, že v blízké budoucnosti bude součástí jakýchkoli misí v hlubokém vesmíru.

  • NASA - Radiace
  • John Bradford - Space Torpor Blog
  • ESA - Advanced Concepts Team (bioengineering): Hibernace
  • ESA - Hibernující astronauti by potřebovali menší kosmickou loď
  • LIVE - Hibernace a strnulost: Perspektivy lidského vesmírného letu
  • NASA - Torpor indukující přenos stanovišť z lidské stagnace na Mars
  • IAF - transportní vozidlo pro 100 osob na Marsu využívající stanoviště vyvolávající torpory
  • Dnešní vesmír - je možná lidská hibernace? Přechod na dlouhý vesmírný let
  • SpaceWorks - proveditelný, krátkodobý přístup k lidské stagnaci pro dlouhodobé vesmírné mise
  • NASA - Torpor indukující přenos stanovišť z lidské stagnace na Mars (John E. Bradford / Dr. Douglas Talk)


Podívejte se na video: Struktura vesmíru Mnohovesmír CZ. Dokument CELÝ DÍL (Leden 2023).