В ближайшие несколько десятилетий запланирован ряд действительно амбициозных миссий по исследованию космоса. К 2030-м годам НАСА и ЕКА планируют исследовать некоторые из самых больших спутников Юпитера на предмет возможных признаков жизни с помощью своих миссий Europa Clipper и Jupiter ICy moon Explorer (JUICE)..
Аналогичную миссию, квадрокоптер NASA Dragonfly, планируется отправить на крупнейший спутник Сатурна, Титан. Эта концепция вертикального взлета и посадки (VTOL) исследует атмосферу Титана и метановые озера, а также возможные признаки жизни.
Есть также несколько предлагаемых миссий, которые будут включать отправку астронавтов в космос на продолжительные периоды времени. Между 2024 и 2028 годами НАСА намерено отправить астронавтов обратно на Луну впервые со времен эры Аполлона (в рамках проекта «Артемида»).
В 2030-х годах Китай, Россия и Европейское космическое агентство (ЕКА) надеются отправить на Луну свои первые пилотируемые миссии. Индия, вероятно, не сильно отстает, так как они надеются отправить своих первых астронавтов на орбиту к 2022 году. А до конца 2030-х годов НАСА также надеется отправить первых астронавтов на Марс.
Это будет первый раз, когда астронавты отправятся к небесному телу в дальнем космосе, то есть за пределами системы Земля-Луна. В то время как роботизированные миссии были отправлены к каждому крупному телу в Солнечной системе - от Меркурия до Плутона - отправка астронавтов в дальний космос - это совсем другое дело!
Мало того, что профили и архитектура миссии полностью отличаются, но также она представляет множество опасностей, требующих творческих решений.
Сколько времени нужно, чтобы добраться до Марса?
Добраться до ближайших тел в глубоком космосе очень сложно. Несмотря на то, что Марс является вторым ближайшим объектом к Земле (ближайшим является Венера), он все еще находится на ошеломляюще далеком расстоянии. Каждые два года Марс и Земля будут находиться в ближайших друг к другу точках своей орбиты, что называется «оппозицией».
В это время Марс может приблизиться к Земле на 57,6 млн км (35,8 млн миль). В другое время, которое называется «соединением», Марс может находиться на расстоянии до 400 миллионов км (248,5 миллиона миль) от Земли. По этой причине космические агентства запускают миссии к Марсу только тогда, когда он находится в оппозиции.
На сегодняшний день самой быстрой роботизированной миссией, когда-либо отправленной на Марс, была миссия New Horizon, которая пролетела мимо Красной планеты всего через 39 дней после запуска. Тем не менее, миссия New Horizons в конечном итоге была направлена на Плутон, а это означало, что ему не нужно было замедляться или спускаться на поверхность.
Для миссий, направлявшихся на Марс, общее время в пути составляло от 150 до 300 дней, в зависимости от скорости запуска и расположения Земли и Марса. Самое быстрое время прибытия миссии и приземления на поверхность Марса составило 212 дней, что и было достигнуто Mars Pathfinder.
Еще раз, миссии с экипажем - это совсем другое дело. Чтобы отправить команду астронавтов в космос со всем необходимым для выполнения своей миссии и возвращения домой, космический корабль должен быть больше, тяжелее и иметь собственное топливо и двигатели.
В этом отношении самая быстрая миссия в истории относится к эпохе Аполлона. Из шести лунных миссий, которые достигли Луны и обратно (Аполлон-13 вернулся, но так и не приземлился на Луну), Аполлон-10 установил рекорд самого быстрого полета человека в космос - 39 897 км/ч (24 791 миль в час)..
Однако этот рекорд скорости был достигнут во время обратного полета на Землю, а не при первоначальном запуске. И даже если бы космический корабль мог двигаться с такой же скоростью все время, миссия на Марс все равно провела бы в пути четыре месяца (не говоря уже о наземных операциях).
Тем не менее, более реалистичные оценки показывают, что космическому кораблю потребуется целых девять месяцев (270 дней), чтобы добраться до Марса, что составляет около двух лет, если учесть операции на поверхности. Это означает, что астронавты будут подвергаться воздействию повышенной радиации и микрогравитации на срок до 24 месяцев.
Какие опасности связаны с этим?
Длительное пребывание в космосе создает множество проблем для жизни, какой мы ее знаем. Они возникают из-за радиационной среды, существующей в космосе, и воздействия микрогравитации на физиологию живых существ.
Текущие исследования на борту Международной космической станции (МКС) показали, что в среднем члены экипажа получают от 12 до 28,8 миллирад в день. На Земле в развитых странах люди получают в среднем около 620 миллибэр (0,62 рад) в год, что составляет 1,7 миллирад в день.
Это в семь-семнадцать раз больше радиации, чем мы привыкли. Воздействие такого количества радиации сопряжено с повышенным риском развития рака, повреждения клеточных тканей и даже генетического повреждения. Однако существуют стратегии смягчения последствий, которые, как известно, работают.
В дополнение к радиационной защите астронавты на борту МКС регулярно проверяют уровень радиации с помощью «дозиметров». НАСА и другие космические агентства также установили рекомендации относительно того, какой дозе радиации могут подвергаться астронавты в течение своей жизни.
Микрогравитация - другое дело. Было показано, что длительное воздействие этого вызывает потерю плотности мышц и костей, а также ухудшение зрения, функции органов, а также изменения на генетическом уровне. Чтобы решить эту проблему, астронавты на борту МКС придерживаются строгого режима упражнений, чтобы свести к минимуму последствия.
Сюда входят комбинированная беговая дорожка с внешним сопротивлением с рабочей нагрузкой (COLBERT), велоэргометр с системой изоляции вибрации и стабилизации (CEVIS) и усовершенствованное устройство для упражнений с сопротивлением (ARED), которое имитирует тяжелую атлетику.
Однако, чем дольше человек находится в космосе, тем сложнее ему будет переносить физические изменения. Кроме того, приспособиться к нормальной гравитации довольно сложно (и болезненно) после длительного пребывания в космосе.
Проведя почти год на борту МКС, астронавт Скотт Келли по возвращении на Землю столкнулся с многочисленными проблемами со здоровьем. В течение нескольких месяцев после возвращения на Землю он испытывал сильную боль в суставах и мышцах, тошноту, головокружение, лихорадку, сильный отек и другие осложнения.
Таким образом, несмотря на то, что существуют стратегии смягчения последствий, они эффективны лишь в той мере, в какой это необходимо. В то же время некоторые из этих стратегий просто непрактичны, когда речь идет о полетах в дальний космос.
Спящий режим на природе
В животном мире многие виды млекопитающих впадают в спячку во время особо холодных периодов. Это включает в себя переход в состояние глубокого сна и подавление обмена веществ в организме, что приводит к снижению температуры тела, замедлению дыхания и учащению пульса.
Другие виды, такие как некоторые виды птиц, рыб, рептилий и амфибий, подвергаются аналогичному процессу. Хотя технически эти животные не впадают в спячку, известно, что они впадают в периоды оцепенения или «брумации», что очень похоже. В основном периоды пониженной температуры приводят к замедлению обмена веществ и малоподвижности.
Преимущества этого процесса очевидны. В климате с длительными холодными периодами пищи становится меньше, и для поддержания температуры тела и активности требуется больше энергии. В результате многие существа предпочитают впадать в коматозное состояние и просто «переждать».
Та же идея может помочь в освоении космоса, где астронавтам придется проводить длительные периоды времени в пути. Войдя в состояние гибернации, они тоже смогут переждать долгое путешествие, и им потребуется гораздо меньше еды и припасов.
Спячка в космосе
У этого подхода есть дополнительные преимущества, помимо экономии на расходных материалах. Во время миссий в дальнем космосе астронавты не только будут подвергаться воздействию микрогравитации в течение длительного периода времени, но и не смогут пользоваться тренажерами. Космические капсулы просто недостаточно велики для размещения тяжелой техники.
Возможный способ обойти это - создать искусственную гравитацию, что НАСА в настоящее время исследует ради миссий в дальний космос и долгосрочного пребывания в космосе. Это будет заключаться в оснащении космических кораблей вращающимся тором, который будет генерировать центробежную силу для имитации гравитации.
Однако это означает строительство более крупных и тяжелых кораблей, а значит, потребуется больше топлива, чтобы доставить их к месту назначения. Как решения идут, это не очень рентабельная идея. Вот где в игру вступает концепция человеческой спячки.
Преимущество необходимости брать с собой меньше припасов также означает, что космический корабль миссии может быть меньше и легче. Экипажам, которые спят в пути, также потребуется гораздо меньше места. Ни столовых, ни тренажерных залов, ни мест общего пользования, ни жилых помещений меньшего размера.
Меньшим и более легким космическим кораблям потребуется меньше топлива для запуска их в космос или направления их на Луну, Марс или другие пункты назначения. Все это привело бы к значительному снижению затрат.
Для особенно длительных миссий спящий режим также может быть способом устранения опасностей, связанных с пребыванием в капсуле в течение нескольких месяцев подряд. В таких условиях космонавты могли страдать, могли поддаться крайней скуке и клаустрофобии - иначе. "кабинетная лихорадка".
Таким образом, экипажи прибудут к месту назначения хорошо отдохнувшими и здоровыми, а не слабыми, болезненными или страдающими психическим расстройством. Существует также ряд недавних медицинских исследований, которые показывают, как гибернация может уменьшить опасность, которую представляет космическое излучение.
Короче говоря, ионизирующее излучение высвобождает в организме свободные радикалы, которые вызывают повреждение и гибель клеток. Поскольку подавление метаболизма и потребления кислорода снижает распространение свободных радикалов, это также снижает скорость повреждения клеток. Этот защитный эффект еще более выражен при более низких температурах.
Возможные методы
Есть несколько способов погрузить людей в состояние глубокого сна, некоторые из которых уже хорошо изучены. Например, в медицине врачи вызывают у пациентов кому, вводя контролируемую дозу барбитуратов. Это может быть примером «химически индуцированной» анабиоза.
Есть также «температурная» гибернация, когда криогенные процессы используются для сохранения человека в подвешенном состоянии. В этом случае температура тела медленно снижается до точки, при которой метаболизм, частота сердечных сокращений и дыхание замедляются, и субъект входит в подвешенное состояние.
В последние годы НАСА объявило, что исследует технологию гибернации в сотрудничестве с аэрокосмической компанией SpaceWorks из Атланты. В отличие от традиционной криогеники, в методе SpaceWorks используется устройство, известное как RhinoChill.
Это устройство основано на инвазивных трубках, которые направляют охлаждающую жидкость вверх через нос и в основание мозга, что вызывает состояние, подобное гибернации. RhinoChill является частью разработки компании для вызывающей оцепенение марсианской среды обитания (MTH).
По сравнению с обычным космическим кораблем, MTH будет перевозить экипажи астронавтов, находящиеся в спящем режиме на время полета. Пока они спят, роботы могут вводить пищу внутривенно и электрически стимулировать мышцы астронавтов, чтобы они и их кости оставались крепкими.
За свой дизайн компания SpaceWorks в 2013 году присудила награду Phase I в рамках программы NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC). В 2015 году компания представила доработанную версию MTH на Международной астронавтической конференции 2015 года (IAC) в Иерусалиме, Израиль.
Согласно представленным спецификациям, эта среда обитания будет весить около 181 метрической тонны (200 тонн США), потреблять 300 киловатт электроэнергии (кВт) и сможет вместить 100 жителей.
Как они сообщали в то время, это представляет собой значительное снижение с точки зрения массы и потребностей в мощности по сравнению с нынешними архитектурами для исследования Марса. В 2016 году компания SpaceWorks получила награду Phase II NIAC за свою работу, что позволило им продолжить разработку концепции.
Генеральный директор SpaceWorks Джон Брэдфорд поделился этими новыми разработками с изданием «Интересная инженерия» по электронной почте. Как он сказал:
«Система RhinoChill была новым коммерческим медицинским продуктом, который мы разработали как эффективную систему охлаждения. воздух в жилом помещении для экипажа. Это стало [возможно] после того, как мы обновили внутреннюю конструкцию до многоуровневого жилища, используя «верхнюю палубу» в качестве термически охлаждаемой зоны для экипажа в торпоре. Мы считаем, что это проще и безопаснее подход к реализации по сравнению с трансназальным охлаждающим устройством, использованием гелевых подушечек и/или инъекцией холодного физиологического раствора.
Наиболее значительными изменениями в нашем плане были установление нового базового плана миссии с максимальным двухнедельным периодом оцепенения экипажа при повторных циклах. Между циклами члены экипажа будут активны в течение коротких периодов в 2-3 дня. У нас есть высокая степень уверенности в последовательном/безопасном достижении этой продолжительности для первых полетов в дальний космос. Мы рассчитываем продолжать увеличивать эти продолжительности с течением времени и, в конечном итоге, достичь продолжительных состояний оцепенения в течение всей транзитной фазы».
SpaceWorks провела несколько дополнительных анализов с 2015 года и обнаружила, что их обновленная концепция по-прежнему позволяет использовать меньшие и более дешевые космические корабли, чем того требуют обычные профили миссий. Это включает в себя длительные миссии на Марс, Цереру в Главном поясе астероидов и другие пункты назначения в дальнем космосе.
«Наш анализ постоянно указывает на значительную экономию с точки зрения массы среды обитания, стартовой массы и стоимости миссии», - сказал он.«Обычно мы получаем 50-процентное снижение массы среды обитания экипажа. В дополнение к инженерным преимуществам, таким как снижение массы и стоимости, мы также определили ряд медицинских преимуществ, связанных с охлаждением тела».
В последние годы Европейское космическое агентство (ЕКА) также начало изучать возможности использования технологий гибернации и искусственного оцепенения для исследования космоса. Это началось, когда Консультативная группа по будущим технологиям (FTAP) определила их как необходимые для долгосрочных полетов в космос.
Это привело к созданию специальной «Тематической группы» по гибернации, которая начала проводить первоначальные оценки с помощью команды SciSpacE ЕКА, которой поручено исследовать, как тела астронавтов реагируют на жизнь в Космос.
Дженнифер Нго-Ань - руководитель группы SciSpacE. В недавнем пресс-релизе ЕКА она объяснила, какую пользу принесли эти исследования как изучения зимней спячки в природе, так и медицинских исследований:
«Некоторое время гибернация предлагалась в качестве принципиально нового инструмента для космических путешествий человека. Если бы мы смогли снизить базовую скорость метаболизма астронавта на 75% - подобно тому, что мы можем наблюдать в природе у крупных животных, впадающих в спячку, таких как некоторые медведи, - мы могли бы в конечном итоге добиться существенной экономии массы и затрат, что сделало бы длительные исследовательские миссии более эффективными. достижимый."
«И основная идея помещения астронавтов в длительную спячку на самом деле не такая уж и безумная: в целом сопоставимый метод был протестирован и применен в качестве терапии для пациентов с травмами в критическом состоянии и тех, кому предстоит серьезное хирургическое вмешательство. на протяжении более двух десятков лет. В большинстве крупных медицинских центров есть протоколы для вызывания гипотермии у пациентов, чтобы снизить их метаболизм, чтобы в основном выиграть время, поддерживая пациентов в лучшей форме, чем они были бы в противном случае».
В исследовании также принимали участие команды из Concurrent Design Facility (CDF) и исследователи из Мюнхенского университета Людвига-Максимилиана и Университета Гёте.
Вместе они начали с использования существующего исследования миссии, которое включало отправку шести астронавтов в пятилетнюю миссию по возвращению на Марс. Затем они скорректировали архитектуру, логистику, радиационную защиту, энергопотребление и общий план миссии с учетом технологии гибернации.
Они обнаружили, что массу космического корабля можно уменьшить на треть благодаря удалению помещений для экипажа и уменьшению количества необходимых припасов. Спящий режим будет проходить в небольших капсулах, которые будут использоваться как каюты экипажа, пока экипаж не спит.
Робин Бисбрук из CDF описал процесс оценки и ее результаты:
«Мы рассмотрели, как лучше всего отправить команду астронавтов в спящий режим, что делать в случае возникновения чрезвычайных ситуаций, как обеспечить безопасность людей и даже какое влияние спящий режим окажет на психологию команды. Наконец, мы создали первоначальный набросок архитектуры среды обитания и разработали дорожную карту для достижения проверенного подхода к гибернации людей на Марсе в течение 20 лет».
Фаза гибернации заканчивалась 21-дневным периодом восстановления перед прибытием экипажа в пункт назначения. И SpaceWorks, и ЕКА обнаружили, что введение препаратов, вызывающих оцепенение, также может быть эффективным.
По словам Джона Брэдфорда, сюда входят такие препараты, как агонисты и антагонисты аденозиновых рецепторов, которые снижают метаболизм при минимальных уровнях седативного эффекта. Как он объяснил, они будут использоваться в основном для восстановления.
«Основной причиной седации является подавление дрожи (то есть попытки [тела] согреться) и создание комфортных условий для экипажа/пациента во время индукции гипотермии», - сказал он. «Эти новые фармацевтические препараты могут безопасно подавлять дрожь, а также стабилизировать брадикардию».
-
Среди всех предложений, концепций и технико-экономических обоснований по этому вопросу ясно одно: миссии в дальний космос вполне достижимы. Когда придет время отправлять людей за пределы Земли и Луны, необходимо будет принять меры, чтобы астронавты могли оставаться здоровыми во время путешествия.
На данном этапе гибернация, кажется, занимает выгодное место среди других различных вариантов (таких как искусственная гравитация или портативное спортивное оборудование). А учитывая важность рентабельности космических полетов, в ближайшем будущем он, вероятно, станет частью любых миссий в дальний космос.
- НАСА - Радиация
- Джон Брэдфорд - Блог Space Torpor
- ESA - Advanced Concepts Team (биоинженерия): Гибернация
- ESA - Спящим астронавтам потребуются космические корабли меньшего размера
- LIVE - Гибернация и оцепенение: перспективы пилотируемых космических полетов
- NASA - Торпор, вызывающий перенос среды обитания из человеческого стазиса на Марс
- IAF - Транспортное средство для перемещения на Марс на 100 человек, использующее среду обитания, вызывающую оцепенение
- Вселенная сегодня - Возможна ли спячка человека? Идти спать во время длительного космического полета
- SpaceWorks - Осуществимый краткосрочный подход к стазису человека для длительных миссий в дальний космос
- NASA - Торпор, вызывающий перенос среды обитания из человеческого стазиса на Марс (Джон Э. Брэдфорд/д-р Дуглас Ток)