Sandman: Hibernation Technologies vir Deep-Space Missions betree - Ruimte - 2022
In die volgende paar dekades word 'n aantal werklike ambisieuse missies vir ruimtelike verkenning beplan. Teen die 2030's beplan NASA en die ESA om van Jupiter se grootste mane te ondersoek vir moontlike tekens van lewe met hul Europa Clipper enJUpiter ICy moon Explorer (JUICE) missies.
'N Soortgelyke missie, NASA's Naaldekokerquadcopter, is geskeduleer om na Saturnus se grootste maan, Titan, gestuur te word. Hierdie vertikale opstyg- en landingskonsep (VTOL) sal Titan se atmosfeer en metaan mere verken, ook vir moontlike lewensaanwysings.
Daar is ook verskeie missies wat voorgestel word om ruimtevaarders vir lang tydperke na die ruimte te stuur. Tussen 2024 en 2028 beoog NASA om ruimtevaarders vir die eerste keer sedert die Apollo-era (as deel van Project Artemis) na die Maan terug te stuur.
Gedurende die 2030's hoop China, Rusland en die Europese Ruimteagentskap (ESA) om hul eerste bemanningstogte na die Maan te stuur. Indië sal waarskynlik nie ver agter wees nie omdat hulle hoop om hul eerste ruimtevaarders om 2022 om die baan te stuur. En voordat die 2030's uit is, hoop NASA ook om die eerste ruimtevaarders na Mars te stuur.
Dit sal die eerste keer wees dat ruimtevaarders na 'n hemelliggaam in die diep ruimte reis - dus buite die Aarde-Maan-stelsel. Terwyl robotmissies na elke groot liggaam in die sonnestelsel gestuur is - van Mercurius tot Pluto - is die stuur van ruimtevaarders na die diepe ruimte 'n heel ander balspel!
Die missieprofiele en die argitektuur verskil nie net heeltemal nie, maar dit hou ook talle gevare in wat kreatiewe oplossings vereis.
Hoe lank neem dit om by Mars uit te kom?
Dit is baie tydrowend om net na die naaste liggame in die diep ruimte te kom. Alhoewel hy die naaste voorwerp aan die aarde is (Venus is die naaste), is Mars steeds verbysterend ver. Elke twee jaar sal Mars en die Aarde op die naaste punte in hul baan na mekaar staan, wat 'opposisie' genoem word.
Gedurende hierdie tye kan Mars so naby as 57,6 miljoen km van die aarde af kom. Op ander tye, wat 'voegwoord' genoem word, kan Mars so ver as 400 miljoen km (248,5 miljoen myl) van die aarde af wees. Om hierdie rede loods ruimte-agentskappe slegs missies na Mars as dit teen opposisie is.
Tot op hede was die vinnigste robotmissie wat ooit na Mars gestuur is Nuwe horisonse missie, wat net 39 dae nadat dit van stapel gestuur is, deur die Rooi Planeet geswaai het. Die missie van die New Horizon was egter uiteindelik die bestemming vir Pluto, wat beteken het dat dit nie nodig was om stadiger te ry of na die oppervlak te daal nie.
Vir missies wat na Mars gereis het, was die totale reistyd tussen 150-300 dae, afhangende van die snelheid wat van stapel gestuur is en die belyning van die aarde en Mars. Die vinnigste tyd vir 'n missie om op die oppervlak van Mars aan te kom en te land, was 212 dae, wat deur die Mars Pathfinder.
Weereens is bemanningsmissies egter 'n ander saak. Om 'n span ruimtevaarders die ruimte in te stuur met alles wat hulle nodig het om hul missie te bereik en dit weer tuis te maak, moet 'n ruimtetuig groter, swaarder wees en sy eie dryfmiddel en drywers hê.
In hierdie opsig kom die vinnigste missie op die rekord vanaf die Apollo-era. Van die ses maansendings wat na die Maan en terug gekom het (Apollo 13 het teruggekeer, maar nooit op die Maan geland nie), het Apollo 10 die rekord opgestel vir die vinnigste menslike ruimtevaart - 39 897 km / h (24 791 mph).
Hierdie spoedrekord is egter behaal tydens die terugreis na die aarde, nie die eerste lansering nie. En selfs as 'n ruimtetuig gedurende dieselfde tyd met dieselfde snelheid sou kon reis, sou 'n sending na Mars nog steeds vier maande in vervoer deurgebring het.
Meer realistiese ramings dui egter daarop dat 'n ruimtetuig nege maande (270 dae) duur om net na Mars te kom, wat ongeveer twee jaar sal uitwerk as u 'n oppervlakbewerking in ag neem. Dit beteken dat ruimtevaarders tot 24 maande aan verhoogde bestraling en mikrogravitasie blootgestel sal word.
Watter gevare is betrokke?
Om lang tydperke in die ruimte deur te bring, bied baie uitdagings vir die lewe soos ons dit ken. Dit kom voort uit die bestralingsomgewing wat in die ruimte bestaan, en die uitwerking van mikrogravitasie op die fisiologie van lewende dinge.
Voortgesette navorsing aan boord van die Internasionale Ruimtestasie (ISS) het getoon dat die bemanning gemiddeld 12 tot 28,8 millirad per dag blootgestel word. Op aarde, in ontwikkelde lande, word mense jaarliks ​​blootgestel aan ongeveer 620 millirem (0,62 rad) - wat 1,7 millirad per dag uitmaak.
Dit is sewe tot sewentien keer soveel bestraling as waaraan ons gewoond is. Blootstelling aan soveel bestraling hou 'n verhoogde risiko van kanker, skade aan sellulêre weefsels en selfs genetiese skade in. Daar is egter versagtingstrategieë waarvan bekend is dat hulle werk.
Benewens die afskerming van die bestraling, kyk ruimtevaarders aan boord van die ISS gereeld hul stralingsvlakke met "dosimeters". NASA en ander ruimteagentskappe het ook riglyne opgestel oor hoeveel bestraling ruimtevaarders gedurende die loop van hul leeftyd kan blootstel.
Mikrogravitasie is 'n ander saak. Daar is getoon dat langdurige blootstelling daaraan verlies aan spiere en beendigtheid veroorsaak, sowel as verminderde sig, orgaanfunksie en veranderinge op genetiese vlak. Om dit aan te spreek, hou ruimtevaarders aan boord van die ISS by 'n streng oefenprogram om die gevolge te verminder.
Dit sluit in die Gecombineerde Loopdraende Loopband externe weerstand (COLBERT), die Cycle Ergometer met vibrasie-isolasie- en stabilisasiestelsel (CEVIS) en die Advanced Resistive Exercise Device (ARED), wat gewigoptel simuleer.
Hoe langer iemand egter in die ruimte bly, hoe moeiliker sal dit wees om die fisieke veranderinge te verduur. Daarbenewens is die aanpassing na normale swaartekrag nogal moeilik (en pynlik) na lang tydperke in die ruimte.
Na 'n jaar aan boord van die ISS, het ruimtevaarder Scott Kelly talle gesondheidsprobleme ondervind toe hy na die aarde teruggekeer het. Nadat hy na die aarde teruggekeer het, het hy maande gelede ernstige gewrigs- en spierpyn, naarheid, duiseligheid, koors, ernstige swelling en ander komplikasies ervaar.
Hoewel versagtingstrategieë wel bestaan, is dit net so effektief. Terselfdertyd is sommige van hierdie strategieë eenvoudig nie prakties wat diep ruimtelike missies betref nie.
Winterslaap in die natuur
In die diereryk ondergaan baie soorte soogdiere winterslaap tydens besonder koue strek. Dit behels dat u in 'n toestand van diepe slaap gaan en die metabolisme van die liggaam onderdruk, wat lei tot 'n verlaagde liggaamstemperatuur, stadiger asemhaling en 'n stadiger hartklop.
Ander spesies, soos sekere soorte voëls, visse, reptiele en amfibieë, ondergaan 'n soortgelyke proses. Alhoewel dit tegnies nie slaap nie, is dit bekend dat hierdie diere tydperke van lelike of "brumasie" betree, wat baie dieselfde is. Basies lei periodes van verlaagde temperatuur tot stadige metabolisme en onaktiwiteit.
Die voordele van hierdie proses is duidelik. In klimaatstye waarin koue periodes langer is, is voedsel skaars en is meer energie nodig om liggaamstemperatuur en aktiwiteit te handhaaf. As gevolg hiervan kies baie wesens om 'n toestand soos 'n comatose te betree en "wag dit uit".
Dieselfde idee kan help met die verkenning van die ruimte, waar ruimtevaarders lang tydperke in vervoer sal moet spandeer. Deur in 'n winterslaapstaat te gaan, sou hulle ook die lang reis kon afwag, en hulle sou baie minder kos en voorrade benodig.
Slaapkamer in die ruimte
Daar is nog voordele aan hierdie benadering behalwe besparing op voorrade. Vir ruimtelike missies sal ruimtevaarders nie net vir lang tye blootgestel word aan mikrogravitasie nie, maar ook nie die voordeel van oefentoerusting nie. Ruimtekapsules is eenvoudig nie groot genoeg vir swaar masjinerie nie.
'N Moontlike manier hieromheen is om kunsmatige swaartekrag te genereer, iets wat NASA tans ondersoek ter wille van diep-ruimtelike missies en langtermynverblyf in die ruimte. Dit sou bestaan ​​uit die toerusting van ruimteskepe met 'n draaiende torus, wat sentrifugale krag sou genereer om swaartekrag te simuleer.
Dit beteken egter dat groter en swaarder skepe gebou moet word, wat beteken dat meer dryfmiddel nodig sal wees om hulle na hul bestemmings te bring. Soos oplossings gaan, is dit nie 'n baie koste-effektiewe idee nie. Dit is hier waar die konsep van menslike winterslaap ter sprake kom.
Die voordeel dat u minder voorraad benodig, beteken ook dat die missie-ruimtetuig kleiner en ligter kan wees. Bemanningslede wat vir die reis slaap, verg baie minder ruimte. Geen gemorslokale, geen oefenkamers, geen gemeenskaplike area en kleiner woonkamers nie.
Kleiner en ligter ruimtetuie benodig minder dryfmiddel om hulle die ruimte in te stuur of hulle op koers na die Maan, Mars of ander bestemmings te rig. Dit alles sou dramaties laer koste tot gevolg hê.
Vir veral lang missies kan winterslaap ook 'n manier wees om die gevare wat daaraan verbonde is om vir maande aaneen in 'n kapsule opgesluit te word, aan te spreek. In sulke omstandighede kan ruimtevaarders ly, kan hulle onder ernstige verveling en klaustrofobie swig - ook al. "kajuit koors".
Op hierdie manier sou die bemanning goed uitgerus en gesond by hul bestemming aankom, eerder as verswak, sieklik of as gevolg van 'n verstandelike ineenstorting. Daar is ook onlangse mediese navorsing wat aantoon hoe winterslaap die gevaar van kosmiese bestraling kan verminder.
Kortom, ioniserende bestraling stel vrye radikale in die liggaam vry, wat selskade en dood veroorsaak. Aangesien die metabolisme en suurstofverbruik die verspreiding van vrye radikale verminder, sal dit ook die tempo van beskadiging van die sel verminder. Hierdie beskermende effek is selfs meer uitgespreek by laer temperature.
Daar is verskillende maniere om mense in 'n diep slaap toestand te plaas, waarvan sommige reeds goed ondersoek is. In die geneeskunde sal dokters byvoorbeeld koma veroorsaak by pasiënte deur 'n beheerde dosis barbiturate toe te dien. Dit is 'n voorbeeld van 'chemies-geïnduseerde' opgeskorte animasie.
Daar is ook 'temperatuur-geïnduseerde' winterslaap, waar krioogene prosesse gebruik word om 'n persoon in 'n opgeskorte toestand te bewaar. In hierdie geval word die liggaamstemperatuur stadig verlaag tot op die punt waar metabolisme, hartklop en asemhaling stadig is en die persoon in 'n opgeskorte toestand gaan.
Die afgelope paar jaar het NASA aangekondig dat hulle die winterslaaptegnologie ondersoek in samewerking met die Atlanta-gebaseerde lugvaartmaatskappy SpaceWorks. In teenstelling met konvensionele kriogenie, behels die SpaceWorks-metode 'n toestel wat bekend staan ​​as die RhinoChill.
Hierdie toestel is afhanklik van indringende buise om koel vloeistof in die neus en in die basis van die brein af te skiet, wat 'n winterslaapagtige toestand veroorsaak. RhinoChill maak deel uit van die maatskappy se ontwerp vir 'n torp-inducerende Mars Transfer Habitat (MTH).
In vergelyking met konvensionele ruimtetuie, sou die MTH ruimtevaarderspanne dra wat in die winterslaap gehou is vir die duur van die vlug. Terwyl hulle slaap, kan robots voedingsmiddels binneaars toedien en die ruimtevaarders se spiere elektries stimuleer om hulle en hul bene sterk te hou.
Vir hul ontwerp het SpaceWorks in 2013 'n Fase I-toekenning deur die NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC) -program uitgereik. In 2015 het die maatskappy 'n finale weergawe van die MTH aangebied tydens die 2015 International Astronautical Conference (IAC) in Jerusalem, Israel.
Volgens die spesifikasies wat hulle aangebied het, sou hierdie habitat ongeveer 181 ton (200 Amerikaanse ton) weeg, 300 kilowatt-elektriese (kWe) krag benodig en 100 inwoners huisves.
Soos hulle destyds gerapporteer het, was dit 'n beduidende afname in die massa- en kragbehoefte in vergelyking met die destydse huidige argitekture om Mars te verken. In 2016 is SpaceWorks 'n Fase II NIAC-toekenning vir hul werk toegeken, wat hulle in staat gestel het om die konsep verder te ontwikkel.
John Bradford, uitvoerende hoof van SpaceWorks, het hierdie nuwe ontwikkelings per e-pos met Interesting Engineering gedeel. Soos hy gesê het:
"Die RhinoChill-stelsel was 'n opkomende kommersiële mediese produk wat ons as basis gestel het om 'n effektiewe verkoelingstelsel te bied. Tydens ons Fase 2-toekenning het ons hierdie stelsel die rugsteun / alternatief gemaak om die lug in die habitat vir die bemanning te verkoel. Dit was [moontlik] sodra ons die interne ontwerp na 'n multivlak-habitat opgedateer het deur die 'boonste dek' te gebruik as die termiese verkoelde area vir die bemanningslede. Ons glo dit is 'n eenvoudiger en veiliger benadering om te implementeer, vergeleke met -naalverkoelingstoestel, gebruik van gelkussings, en / of koue soutinspuiting.
"Die belangrikste veranderinge aan ons plan is om 'n nuwe missie-basislyn op te stel met 'n maksimum periode van twee weke vir die bemanning terwyl hulle herhaal word. Tussen siklusse sal die bemanningslede vir kort tydperke van 2-3 dae aktief wees. Ons het 'n hoë mate van vertroue met die bereiking van hierdie duur konsekwent / veilig vir die eerste diepte-ruimtelike missies. Ons verwag om hierdie tydsduur mettertyd te verleng en uiteindelik gedurende die hele transito-fase verlengde vestigingsstate te bereik. "
SpaceWorks het sedert 2015 verskeie bykomende ontledings gedoen en bevind dat hul opgedateerde konsep steeds kleiner en goedkoper ruimtetuie moontlik sal maak as wat konvensionele missieprofiele vereis. Dit sluit langdurige missies na Mars, Ceres in die hoofsteroïedgordel en ander diepruimtelike bestemmings in.
"Ons ontleding dui deurgaans aan op aansienlike besparings in terme van habitatmassa, lanseringsmassa en missiekoste," het hy gesê. "Ons kry gewoonlik 'n vermindering van die massa van die bemanninghabitat met 50%. Benewens die ingenieursvoordele soos verminderde massa en koste, het ons ook 'n aantal mediese voordele geïdentifiseer wat verband hou met die liggaam in 'n afgekoelde toestand."
In onlangse jare het die Europese Ruimteagentskap (ESA) ook begin om die moontlikheid van winterslaap en geïnduseerde tegnologieë vir verkenning van die ruimte te ondersoek. Dit het begin toe die Future Technology Advisory Panel (FTAP) hulle as noodsaaklik geïdentifiseer het vir langtermynmissies na die ruimte.
Dit het gelei tot die skepping van 'n toegewyde 'Topical Team' oor winterslaap, wat begin het met die uitvoering van aanvanklike assesserings met behulp van die ESA se SciSpacE-span - wat die taak het om te ondersoek hoe ruimtevaarders se liggame reageer op die lewe in die ruimte.
Jennifer Ngo-Anh is die spanleier van die SciSpacE-span. In 'n onlangse persverklaring van ESA het sy verduidelik hoe hierdie studies voordeel getrek het uit die studie van winterslaap in die natuur en mediese navorsing:
'' 'N Ruk lank is winterslaap voorgestel as 'n instrument wat die spel verander vir menslike ruimtereise. As ons die basiese metaboliese tempo van 'n ruimtevaarder met 75% kon verlaag - soortgelyk aan wat ons in die natuur kan waarneem met groot winterslaapdiere, soos sekere bere, kan ons 'n aansienlike massa- en kostebesparing hê, wat langdurige verkenningstogte meer sal maak haalbaar. '
'En die basiese idee om ruimtevaarders in 'n lang winterslaap te plaas, is eintlik nie so gek nie: 'n breë vergelykbare metode is al meer as twee dekades lank getoets en toegepas as terapie by traumatiese pasiënte met kritieke sorg en diegene wat groot operasies ondergaan. Die meeste belangrike mediese sentrums het protokolle om hipotermie by pasiënte te veroorsaak om hul metabolisme te verminder om basies tyd te wen, en pasiënte in 'n beter vorm te hou as wat hulle andersins sou wees. '
Die studie het ook steun op spanne van die Concurrent Design Facility (CDF) en navorsers van die Ludwig Maximilian Universiteit van München en die Universiteit van Goethe.
Saam het hulle begin met die gebruik van 'n bestaande sendingstudie waarin ses ruimtevaarders op 'n vyf-jaar-terugmissie na Mars gestuur is. Daarna het hulle die argitektuur, logistiek, stralingsbeskerming, kragverbruik en algehele missie-ontwerp aangepas om rekening te hou met die winterslaap-tegnologie.
Wat hulle gevind het, was dat die massa van die ruimtetuig met 'n derde verminder kon word danksy die verwydering van die bemanningskwartiere en die vermindering van die hoeveelheid benodigdhede. Die winterslaap sou plaasvind in klein peule wat sou dien as bemanningshutte terwyl die bemanning wakker was.
Robin Biesbroek van die CDF het die evalueringsproses en die resultate daarvan beskryf:
'Ons het gekyk hoe 'n ruimtevaarderspan die beste in winterslaap geplaas kan word, wat om te doen in noodgevalle, hoe om die veiligheid van mense te hanteer en selfs watter impak winterslaap op die sielkunde van die span sal hê. Uiteindelik het ons 'n aanvanklike skets van die habitatargitektuur gemaak en 'n padkaart geskep om binne 20 jaar 'n gevalideerde benadering te bereik om mense na Mars te win. '
Die winterslaapfase sou eindig met 'n herstelperiode van 21 dae voordat die bemanning by hul bestemming aankom. Beide SpaceWorks en die ESA het bevind dat die toediening van dwelm-induserende middels ook effektief kan wees.
Volgens John Bradford sluit dit dwelms in soos adenosienreseptoragoniste en antagoniste, wat die voordeel het dat die metabolisme verlaag word, terwyl die sedasievlakke tot die minimum beperk word. Dit sal hoofsaaklik gebruik word vir herstel, soos hy verduidelik het.
"Die primêre rede vir verdowing is om bewing te onderdruk (dit wil sê [die] liggaam se poging om te herwarm) en die bemanning / pasiënt gemaklik te maak tydens induksie van hipotermie," het hy gesê. "Hierdie nuwe farmaseutiese middels kan die bewing veilig onderdruk, terwyl dit ook bradikardie stabiliseer."
Te midde van al die voorstelle, konsepte en uitvoerbaarheidstudies oor die onderwerp is een ding duidelik: missies na die diepruim is binne bereik. As dit tyd word om mense verder as die aarde en die maan te stuur, moet daar maatreëls getref word om te verseker dat ruimtevaarders gesond kan bly vir die reis.
Op hierdie stadium blyk dit dat winterslaap goed geplaas is onder die verskillende opsies (soos kunsmatige swaartekrag of draagbare oefentoerusting). En in ag genome die belangrikheid van koste-effektiwiteit in ruimtereise, sal dit waarskynlik in die nabye toekoms deel uitmaak van enige diep-ruimtelike missies.
NASA - Bestraling
John Bradford - Space Torpor-blog
ESA - Advanced Concepts Team (bio-ingenieurswese): Hibernation
ESA - Astronaute in winterslaap sal kleiner ruimtetuie benodig
LIVE - Hibernation and Torpor: Prospects for Human Ruimtevlieg
NASA - Torpor wat oordraghabitatte van menslike stasis na Mars instel
IAF - Mars-oordragvoertuig vir 100 persone deur gebruik te maak van Torpor-induksie-habitats
Heelal vandag - Is menslike winterslaap moontlik? Gaan slaap vir lang duur ruimtevlug
SpaceWorks - 'n uitvoerbare, nabye benadering tot menslike stase vir langtermyn-ruimtelike missies
NASA - Torpor wat oordraghabitatte van menslike stasis na Mars induseer (deur John E. Bradford / Dr Douglas Talk)