Odkąd astronauci zaczęli podróżować w kosmos przez dłuższy czas, wiadomo, że długotrwała ekspozycja na zerową grawitację lub mikrograwitację wiąże się z jej wpływem na zdrowie. Obejmują one atrofię mięśni i utratę gęstości kości, ale obejmują także inne obszary ciała, prowadząc do pogorszenia funkcji narządów, krążenia, a nawet zmian genetycznych.
Z tego powodu przeprowadzono wiele badań na pokładzie Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS) w celu określenia zakresu tych efektów i strategii, które można zastosować, aby je złagodzić. Według nowego badania, które niedawno pojawiło się w International Journal of Molecular Sciences, zespół naukowców finansowanych przez NASA i JAXA wykazał, w jaki sposób sztuczna grawitacja powinna być kluczowym elementem przyszłych długoterminowych planów w kosmosie.
Jak wspomniano, przeprowadzono wiele badań w celu zidentyfikowania i oszacowania wpływu mikrograwitacji na organizm ludzki. Dobrym przykładem tego jest badanie bliźniaków przeprowadzone przez NASA Human Research Program (HRP), w którym badano wpływ na ciało astronauty Scotta Kelly'ego po tym, jak spędził rok na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej - wykorzystując swojego brata bliźniaka, Marka Kelly'ego, jako kontrolę .
Te i inne badania potwierdziły, że narażenie na mikrograwitację może nie tylko wpływać na gęstość kości i masę mięśniową, ale także na funkcje immunologiczne, dotlenienie krwi, zdrowie układu sercowo-naczyniowego, a nawet ewentualne zmiany genomowe i poznawcze. Ponadto wzrok może również wpływać na czas spędzony w przestrzeni kosmicznej, który jest wynikiem mniejszego krążenia i dotarcia tlenu do tkanki ocznej.
W rzeczywistości około 30% astronautów odbywających krótkoterminowe loty promem kosmicznym (około dwóch tygodni) i 60% podczas długoterminowych misji na ISS zgłosiło pewne zaburzenia widzenia. W odpowiedzi profesor Michael Delp - dziekan College of Human Sciences na Florida State University (FSU) i współautor na papierze - i jego koledzy zalecają włączenie sztucznej grawitacji do przyszłych misji.
Przez lata, przy wsparciu NASA, Delps badał wpływ mikrograwitacji na wzrok astronautów. Jak powiedział w najnowszym wydaniu Wiadomości FSU:
„Problem polega na tym, że im dłużej astronauci przebywają w kosmosie, tym bardziej prawdopodobne jest, że doświadczą zaburzeń widzenia. Niektórzy astronauci wyzdrowieją po zmianach wzroku, ale niektórzy nie. Jest to więc wysoki priorytet dla NASA i agencji kosmicznych na całym świecie. Dzięki zastosowaniu sztucznej grawitacji okazało się, że nie zapobiegła ona całkowicie zmianom w oku, ale nie widzieliśmy najgorszych wyników ”.
Aby ustalić, czy sztuczna grawitacja zmniejszy te efekty, Delp po raz pierwszy współpracował z naukowcami z japońskiej Agencji Eksploracji Kosmicznej (JAXA). Dołączyli do nich profesor Xiao Wen Mao (główny autor badania) z Linda Loma University, a także członkowie z University of Arkansas for Medical Sciences, Arkansas Children's Research Institute i University of Tsukuba.
Zespół zbadał następnie zmiany w tkankach oka myszy po spędzeniu 35 dni na pokładzie ISS. Testowane podmioty składały się z 12 dziewięciotygodniowych samców myszy, które zostały przewiezione z Kennedy Space Center i trzymane w myszy Habitat Cage Unit (HCU) w laboratorium JAXA „Kibo” na ISS. W trakcie pobytu myszy podzielono na dwie grupy.
Podczas gdy jedna grupa żyła w warunkach mikrograwitacji w otoczeniu, druga żyła w odśrodkowej jednostce siedliskowej, która wytworzyła 1 sol sztucznego grawitacji (odpowiednik grawitacji ziemskiej). Na podstawie tego zespół badawczy stwierdził, że poprzednia grupa uległa uszkodzeniu naczyń krwionośnych, które są ważne dla regulacji ciśnienia płynu w oczach.
„Gdy jesteśmy na Ziemi, grawitacja przyciąga płyn w kierunku naszych stóp”, powiedział Phelps. „Kiedy tracisz grawitację, płyn przesuwa się w kierunku głowy. To przesunięcie płynów wpływa na układ naczyniowy w całym ciele, a teraz wiemy, że wpływa również na naczynia krwionośne w oku. ”
Ponadto zespół zauważył, że profile ekspresji białka również zmieniły się w oczach myszy w wyniku mikrograwitacji. Dla porównania myszy, które spędzały czas w wirówce, nie doznały prawie tak dużego uszkodzenia tkanek oka. Wyniki te wskazują, że sztuczna grawitacja, prawdopodobnie w postaci obracających się sekcji lub wirówek, będzie niezbędnym składnikiem długotrwałych misji kosmicznych.
W miarę upływu czasu wykorzystanie sztucznej grawitacji w kosmosie nie jest niczym nowym. Oprócz tego, że jest dobrze zbadaną koncepcją science fiction, agencje kosmiczne przyjrzały się temu jako możliwemu sposobowi ustanowienia stałej obecności człowieka w kosmosie. Świecącym tego przykładem jest kosmiczna osada Stanford Torus, główny projekt, który został wzięty pod uwagę podczas letnich badań NASA z 1975 r.
Ten dziesięciotygodniowy program, będący efektem współpracy między Centrum Badawczym NASA Ames a Uniwersytetem Stanforda, składał się z profesorów, dyrektorów technicznych i studentów, którzy wspólnie budowali wizję tego, jak ludzie mogą kiedyś zamieszkać w dużej kolonii kosmicznej. Wynikiem tego była koncepcja stacji kosmicznej podobnej do koła, która obracałaby się, zapewniając wrażenie grawitacji normalnej lub częściowej.
Ponadto obrotowe torusy zostały uwzględnione w statkach kosmicznych, aby astronauci podczas długich misji mogli ograniczyć swój czas w mikrograwitacji. Dobrym przykładem tego jest nie-atmosferyczny uniwersalny transport przeznaczony do długiej eksploracji Stanów Zjednoczonych (Nautilus-X), wielozadaniowa koncepcja statku kosmicznego, która została opracowana w 2011 roku przez inżynierów Marka Holdermana i Edwarda Hendersona z zespołu ds. Oceny aplikacji technologicznych NASA.
Podobnie jak w przypadku poprzednich badań, badanie to podkreśla znaczenie utrzymania zdrowia astronautów podczas długoterminowych misji w kosmosie, a także podczas długich podróży. Jednak badanie to wyróżnia się tym, że jest pierwszym z serii zaprojektowanej w celu lepszego zrozumienia zaburzeń widzenia wśród astronautów.
„Mamy nadzieję, że kontynuacja ścisłej współpracy naukowej pomoże nam zgromadzić wyniki eksperymentów niezbędnych do przygotowania się do eksploracji kosmosu w załodze” - powiedział Dai Shiba, starszy badacz JAXA i współautor na papierze. Mao, główna autorka badań, wskazała również, że ma nadzieję, że badania te wykroczą poza eksplorację kosmosu i znajdą zastosowanie na Ziemi:
„Mamy nadzieję, że nasze odkrycia nie tylko scharakteryzują wpływ środowiska lotów kosmicznych na oczy, ale przyczynią się do nowych sposobów leczenia lub leczenia problemów widzenia wywołanych przez loty kosmiczne, a także większej liczby zaburzeń związanych z Ziemią, takich jak zwyrodnienie plamki żółtej związane z wiekiem i retinopatia”.
Nie ma wątpliwości, że jeśli chodzi o przyszłość eksploracji kosmosu, czeka nas wiele wyzwań. Musimy nie tylko opracować statek kosmiczny, który może łączyć efektywność paliwową i moc, musimy również obniżyć koszty poszczególnych startów i znaleźć sposoby na ograniczenie ryzyka dla zdrowia podczas długoterminowych misji. Oprócz skutków mikrograwitacji istnieje również kwestia przedłużonej ekspozycji na promieniowanie słoneczne i kosmiczne.
I nie zapominajmy, że misje na powierzchnię Księżyca i Marsa będą musiały zmagać się z długoterminową ekspozycją na niższą grawitację, szczególnie w przypadku placówek. W związku z tym nie byłoby przesadą wyobrażenie, że tori i wirówki mogą stać się regularną częścią eksploracji kosmosu w najbliższej przyszłości!
