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Geben Sie Sandman: Hibernation Technologies für Deep-Space-Missionen

Geben Sie Sandman: Hibernation Technologies für Deep-Space-Missionen

In den nächsten Jahrzehnten sind einige wirklich ehrgeizige Weltraumerkundungsmissionen geplant. Bis 2030 planen die NASA und die ESA, einige der größten Monde Jupiters auf mögliche Lebenszeichen mit ihnen zu untersuchen Europa Clipper undJUpiter ICy Moon Explorer (SAFT) Missionen.

Eine ähnliche Mission, die der NASA LibelleQuadcopter soll zum größten Saturnmond, Titan, geschickt werden. Dieses Konzept für vertikalen Start und Landung (VTOL) wird die Atmosphäre und die Methanseen des Titanen untersuchen, auch nach möglichen Hinweisen auf das Leben.

Es gibt auch mehrere vorgeschlagene Missionen, bei denen Astronauten für längere Zeit in den Weltraum geschickt werden. Zwischen 2024 und 2028 beabsichtigt die NASA, Astronauten zum ersten Mal seit der Apollo-Ära (als Teil des Projekts Artemis) zum Mond zurückzuschicken.

In den 2030er Jahren hoffen China, Russland und die Europäische Weltraumorganisation (ESA), ihre ersten Missionen mit Besatzung zum Mond zu schicken. Indien dürfte nicht weit dahinter sein, da es hofft, seine ersten Astronauten bis 2022 in die Umlaufbahn zu schicken. Und bevor die 2030er Jahre aus sind, hofft die NASA auch, die ersten Astronauten zum Mars zu schicken.

Dies ist das erste Mal, dass Astronauten zu einem Himmelskörper im Weltraum reisen - d. H. Jenseits des Erd-Mond-Systems. Während Robotermissionen an alle wichtigen Körper im Sonnensystem gesendet wurden - von Merkur bis Pluto - ist das Senden von Astronauten in den Weltraum ein ganz anderes Ballspiel!

Missionsprofile und Architektur unterscheiden sich nicht nur grundlegend, sondern bergen auch zahlreiche Gefahren, die kreative Lösungen erfordern.

Wie lange dauert es, bis man zum Mars kommt?

Es ist äußerst zeitaufwändig, nur zu den nächstgelegenen Körpern im Weltraum zu gelangen. Obwohl das Mars der Erde am zweitnächsten ist (Venus ist das nächstgelegene), ist es immer noch erstaunlich weit entfernt. Alle zwei Jahre befinden sich Mars und Erde an den nächstgelegenen Punkten in ihrer Umlaufbahn, was als "Opposition" bezeichnet wird.

Während dieser Zeit kann der Mars bis zu 57,6 Millionen km von der Erde entfernt sein. Zu anderen Zeiten, die als "Konjunktion" bezeichnet werden, kann der Mars bis zu 400 Millionen km (248,5 Millionen Meilen) von der Erde entfernt sein. Aus diesem Grund starten Weltraumagenturen Missionen in Richtung Mars nur, wenn sie sich in der Opposition befinden.

Bisher war die schnellste Robotermission, die jemals zum Mars geschickt wurde, die Neuer Horizonts Mission, die nur 39 Tage nach ihrem Start vom Roten Planeten geschwungen wurde. Die Mission des New Horizon war jedoch letztendlich das Ziel von Pluto, was bedeutete, dass es nicht langsamer werden oder an die Oberfläche absteigen musste.

Für Missionen, die für den Mars bestimmt waren, betrug die Gesamtreisezeit zwischen 150 und 300 Tagen, abhängig von der Startgeschwindigkeit und der Ausrichtung von Erde und Mars. Die schnellste Zeit für eine Mission, um auf der Marsoberfläche anzukommen und zu landen, betrug 212 Tage Mars Pathfinder.

Besetzte Missionen sind jedoch wieder eine andere Sache. Um ein Team von Astronauten mit allem, was sie brauchen, um ihre Mission zu erfüllen und wieder nach Hause zu kommen, ins All zu schicken, muss ein Raumschiff größer und schwerer sein und über ein eigenes Treibmittel und Triebwerke verfügen.

In dieser Hinsicht kommt die schnellste Mission, die jemals verzeichnet wurde, aus der Apollo-Ära zu uns. Von den sechs Mondmissionen, die es bis zum Mond und zurück schafften (Apollo 13 schaffte es zurück, landete aber nie auf dem Mond), stellte Apollo 10 den Rekord für den schnellsten menschlichen Raumflug auf - 39.897 km / h (24.791 mph).

Dieser Geschwindigkeitsrekord wurde jedoch während der Rückfahrt zur Erde erreicht, nicht beim ersten Start. Und selbst wenn ein Raumschiff während der gesamten Dauer mit derselben Geschwindigkeit fliegen könnte, würde eine Mission zum Mars immer noch vier Monate auf der Durchreise verbringen (unabhängig von Oberflächenoperationen).

Realistischere Schätzungen gehen jedoch davon aus, dass ein Raumschiff solide neun Monate (270 Tage) benötigt, um zum Mars zu gelangen. Wenn Sie die Oberflächenoperationen berücksichtigen, beträgt dies ungefähr zwei Jahre. Dies bedeutet, dass Astronauten bis zu 24 Monate lang erhöhter Strahlung und Mikrogravitation ausgesetzt sind.

Welche Gefahren sind damit verbunden?

Lange Zeit im Weltraum zu verbringen, stellt das Leben, wie wir es kennen, vor viele Herausforderungen. Diese entstehen aus der im Weltraum vorhandenen Strahlungsumgebung und den Auswirkungen der Mikrogravitation auf die Physiologie von Lebewesen.

Laufende Untersuchungen an Bord der Internationalen Raumstation (ISS) haben gezeigt, dass die Besatzungen durchschnittlich 12 bis 28,8 Millirad pro Tag ausgesetzt sind. Auf der Erde sind die Menschen in Industrieländern durchschnittlich 620 Millirem (0,62 Rad) pro Jahr ausgesetzt - das entspricht 1,7 Millirad pro Tag.

Das ist sieben- bis siebzehnmal so viel Strahlung wie wir es gewohnt sind. Die Exposition gegenüber so viel Strahlung birgt ein erhöhtes Krebsrisiko, eine Schädigung des Zellgewebes und sogar eine genetische Schädigung. Es ist jedoch bekannt, dass Minderungsstrategien funktionieren.

Zusätzlich zur Strahlenabschirmung überprüfen Astronauten an Bord der ISS regelmäßig ihre Strahlungswerte mit "Dosimetern". Die NASA und andere Weltraumagenturen haben ebenfalls Richtlinien festgelegt, wie viel Strahlung Astronauten im Laufe ihres Lebens ausgesetzt sein können.

Mikrogravitation ist eine andere Sache. Es hat sich gezeigt, dass eine langfristige Exposition dazu einen Verlust der Muskel- und Knochendichte sowie eine verminderte Sehkraft, Organfunktion und auch Veränderungen auf genetischer Ebene verursacht. Um dies zu beheben, halten sich Astronauten an Bord der ISS an ein strenges Trainingsprogramm, um die Auswirkungen zu minimieren.

Dazu gehören das kombinierte Laufband mit externem Widerstand (COLBERT), das Fahrradergometer mit Schwingungsisolations- und -stabilisierungssystem (CEVIS) und das Advanced Resistive Exercise Device (ARED), das das Gewichtheben simuliert.

Je länger eine Person im Weltraum bleibt, desto schwieriger wird es jedoch, die physischen Veränderungen zu ertragen. Darüber hinaus ist die Anpassung an die normale Schwerkraft nach langen Zeiträumen im Weltraum ziemlich schwierig (und schmerzhaft).

Nach fast einem Jahr an Bord der ISS hatte der Astronaut Scott Kelly bei seiner Rückkehr auf die Erde zahlreiche gesundheitliche Probleme. Für Monate nach seiner Rückkehr auf die Erde hatte er erhebliche Gelenk- und Muskelschmerzen, Übelkeit, Schwindel, Fieber, starke Schwellungen und andere Komplikationen.

Es gibt zwar Minderungsstrategien, diese sind jedoch nur so effektiv. Gleichzeitig sind einige dieser Strategien für Weltraummissionen einfach nicht praktikabel.

Winterschlaf in der Natur

Im Tierreich machen viele Säugetierarten auf besonders kalten Strecken einen Winterschlaf. Dies beinhaltet das Eintreten in einen Tiefschlafzustand und das Unterdrücken des Stoffwechsels des Körpers, was zu einer gesenkten Körpertemperatur, langsamerer Atmung und einer langsameren Herzfrequenz führt.

Andere Arten, wie bestimmte Arten von Vögeln, Fischen, Reptilien und Amphibien, durchlaufen einen ähnlichen Prozess. Obwohl diese Tiere technisch gesehen keinen Winterschlaf haben, ist bekannt, dass sie in Phasen der Erstarrung oder "Brumation" eintreten, die sehr ähnlich sind. Grundsätzlich führen Perioden mit reduzierter Temperatur zu einer Verlangsamung des Stoffwechsels und zu Inaktivität.

Die Vorteile dieses Prozesses liegen auf der Hand. In Klimazonen mit längeren Kälteperioden ist die Nahrung knapper und es wird mehr Energie benötigt, um die Körpertemperatur und -aktivität aufrechtzuerhalten. Infolgedessen entscheiden sich viele Kreaturen dafür, in einen komatösen Zustand zu gelangen und einfach "abzuwarten".

Dieselbe Idee könnte bei der Erforschung des Weltraums hilfreich sein, bei der Astronauten längere Zeit auf der Durchreise verbringen müssen. Wenn sie in einen Winterschlafzustand eintreten, könnten auch sie die lange Reise abwarten, und sie würden weit weniger an Nahrungsmitteln und Vorräten benötigen.

Winterschlaf im Weltraum

Dieser Ansatz bietet zusätzliche Vorteile, die über die Einsparung von Verbrauchsmaterialien hinausgehen. Bei Weltraummissionen sind Astronauten nicht nur über einen längeren Zeitraum der Schwerelosigkeit ausgesetzt, sondern haben auch nicht den Vorteil von Trainingsgeräten. Raumkapseln sind einfach nicht groß genug, um schwere Maschinen aufzunehmen.

Ein möglicher Weg, dies zu umgehen, ist die Erzeugung künstlicher Schwerkraft, die die NASA derzeit im Interesse von Weltraummissionen und Langzeitaufenthalten im Weltraum untersucht. Dies würde darin bestehen, Raumschiffe mit einem rotierenden Torus auszustatten, der eine Zentrifugalkraft erzeugen würde, um die Schwerkraft zu simulieren.

Dies bedeutet jedoch, größere und schwerere Schiffe zu bauen, was bedeutet, dass mehr Treibmittel benötigt wird, um sie an ihre Ziele zu bringen. In Bezug auf Lösungen ist dies keine sehr kostengünstige Idee. Hier kommt das Konzept des menschlichen Winterschlafes ins Spiel.

Der Vorteil, weniger Vorräte mitbringen zu müssen, bedeutet auch, dass das Missionsraumschiff kleiner und leichter sein könnte. Besatzungen, die für die Reise schlafen, würden auch viel weniger Platz benötigen. Keine Messehallen, keine Fitnessräume, kein Gemeinschaftsraum und kleinere Wohnräume.

Kleinere und leichtere Raumschiffe würden weniger Treibmittel benötigen, um sie ins All zu bringen oder sie auf einen Kurs in Richtung Mond, Mars oder anderer Ziele zu bringen. All dies würde zu drastisch niedrigeren Kosten führen.

Bei besonders langen Missionen könnte der Winterschlaf auch eine Möglichkeit sein, die Gefahren zu bewältigen, die entstehen, wenn man monatelang in einer Kapsel steckt. Unter solchen Bedingungen könnten Astronauten leiden und extremer Langeweile und Klaustrophobie erliegen - auch bekannt als. "Lagerkoller".

Auf diese Weise würden die Besatzungen ausgeruht und gesund an ihrem Ziel ankommen, anstatt gebrechlich, krank oder unter einem Nervenzusammenbruch zu leiden. Es gibt auch eine Reihe neuerer medizinischer Forschungen, die zeigen, wie der Winterschlaf die Gefahr durch kosmische Strahlung mindern kann.

Kurz gesagt, ionisierende Strahlung setzt im Körper freie Radikale frei, die zu Zellschäden und zum Tod führen. Da die Unterdrückung des Stoffwechsels und des Sauerstoffverbrauchs die Ausbreitung freier Radikale verringert, verringert sich auch die Rate der Zellschäden. Diese Schutzwirkung ist bei niedrigeren Temperaturen noch ausgeprägter.

Mögliche Methoden

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, Menschen in einen Tiefschlafzustand zu versetzen, von denen einige bereits gut erforscht sind. In der Medizin beispielsweise induzieren Ärzte bei Patienten ein Koma, indem sie eine kontrollierte Dosis Barbiturate verabreichen. Dies wäre ein Beispiel für eine "chemisch induzierte" suspendierte Animation.

Es gibt auch einen "temperaturbedingten" Winterschlaf, in dem kryogene Prozesse verwendet werden, um eine Person in einem suspendierten Zustand zu halten. In diesem Fall wird die Körpertemperatur langsam bis zu dem Punkt gesenkt, an dem Stoffwechsel, Herzfrequenz und Atmung langsamer werden und das Subjekt in einen Schwebezustand übergeht.

In den letzten Jahren gab die NASA bekannt, dass sie in Zusammenarbeit mit dem in Atlanta ansässigen Luft- und Raumfahrtunternehmen SpaceWorks die Winterschlaf-Technologie untersucht. Im Gegensatz zur herkömmlichen Kryotechnik wird bei der SpaceWorks-Methode ein Gerät namens RhinoChill verwendet.

Dieses Gerät ist auf invasive Schläuche angewiesen, um Kühlflüssigkeit in die Nase und in die Basis des Gehirns zu schießen, was zu einem Winterschlaf führt. RhinoChill ist Teil des Unternehmensentwurfs für einen torporinduzierenden Mars Transfer Habitat (MTH).

Im Vergleich zu herkömmlichen Raumfahrzeugen würde die MTH Astronautencrews befördern, die für die Dauer des Fluges im Winterschlaf gehalten werden. Während sie schlafen, können Roboter intravenös Nahrung aufnehmen und die Muskeln der Astronauten elektrisch stimulieren, um sie und ihre Knochen stark zu halten.

Für ihr Design vergab SpaceWorks 2013 eine Phase-I-Auszeichnung des NIAC-Programms (Innovative Advanced Concepts) der NASA. 2015 präsentierte das Unternehmen auf der Internationalen Astronautischen Konferenz (IAC) 2015 in Jerusalem, Israel, eine endgültige Version des MTH.

Nach den von ihnen vorgelegten Spezifikationen würde dieser Lebensraum etwa 181 Tonnen (200 US-Tonnen) wiegen, 300 Kilowattstrom (kWe) Strom benötigen und 100 Einwohner aufnehmen können.

Wie sie damals berichteten, bedeutete dies eine signifikante Reduzierung des Massen- und Energiebedarfs im Vergleich zu den damals aktuellen Architekturen zur Erforschung des Mars. Im Jahr 2016 erhielt SpaceWorks für seine Arbeit einen NIAC-Preis der Phase II, mit dem sie das Konzept weiterentwickeln konnten.

John Bradford, CEO von SpaceWorks, teilte Interesting Engineering diese neuen Entwicklungen per E-Mail mit. Wie er sagte:

"Das RhinoChill-System war ein aufstrebendes kommerzielles Medizinprodukt, das wir als Grundlage für ein effektives Kühlsystem entwickelt haben. Während unseres Phase-2-Zuschusses haben wir dieses System zur Sicherung / Alternative gemacht, um die Umgebungsluft im Lebensraum für die Besatzung abzukühlen. Dies war [möglich], als wir das interne Design auf einen mehrstufigen Lebensraum umstellten und das „Oberdeck“ als thermisch gekühlten Bereich für die Erstarrung verwendeten. Wir glauben, dass dies im Vergleich zum Trans ein einfacherer und sicherer Ansatz ist -nasale Kühlvorrichtung, Verwendung von Gelkissen und / oder kalte Kochsalzlösung.

"Die wichtigsten Änderungen an unserem Plan waren die Festlegung einer neuen Missionsbasislinie mit einer maximalen Erstarrungsdauer von 2 Wochen für die Besatzung während wiederholter Zyklen. Zwischen den Zyklen werden die Besatzungsmitglieder für kurze Zeiträume von 2-3 Tagen aktiv sein. Wir Wir haben ein hohes Maß an Vertrauen in das konsequente / sichere Erreichen dieser Dauer für die ersten Weltraummissionen. Wir gehen davon aus, dass wir diese Dauer im Laufe der Zeit weiter verlängern und letztendlich während der gesamten Transitphase längere Erstarrungszustände erreichen werden. "

SpaceWorks hat seit 2015 mehrere zusätzliche Analysen durchgeführt und festgestellt, dass das aktualisierte Konzept immer noch kleinere und billigere Raumfahrzeuge zulässt, als dies bei herkömmlichen Missionsprofilen erforderlich ist. Dies schließt Langzeitmissionen zum Mars, zu Ceres im Haupt-Asteroidengürtel und zu anderen Zielen im Weltraum ein.

"Unsere Analyse zeigt durchweg signifikante Einsparungen in Bezug auf Lebensraummasse, Startmasse und Missionskosten", sagte er. "Wir erzielen im Allgemeinen eine Reduzierung der Masse des Besatzungslebensraums um 50%. Zusätzlich zu den technischen Vorteilen wie reduzierter Masse und Kosten haben wir auch eine Reihe von medizinischen Vorteilen festgestellt, die mit dem Abkühlen des Körpers verbunden sind."

In den letzten Jahren hat die Europäische Weltraumorganisation (ESA) auch begonnen, die Möglichkeit von Winterschlaf- und Induced-Torpor-Technologien für die Weltraumforschung zu untersuchen. Dies begann, als das Future Technology Advisory Panel (FTAP) sie als wesentlich für langfristige Missionen in den Weltraum identifizierte.

Dies führte zur Schaffung eines speziellen „aktuellen Teams“ für den Winterschlaf, das mit Hilfe des SciSpacE-Teams der ESA erste Bewertungen durchführte. Dieses soll untersuchen, wie die Körper von Astronauten auf das Leben im Weltraum reagieren.

Jennifer Ngo-Anh ist die Teamleiterin des SciSpacE-Teams. In einer kürzlich veröffentlichten Pressemitteilung der ESA erklärte sie, wie diese Studien sowohl von der Untersuchung des Winterschlafes in der Natur als auch von der medizinischen Forschung profitiert haben:

„Seit einiger Zeit wird der Winterschlaf als wegweisendes Werkzeug für die Raumfahrt des Menschen vorgeschlagen. Wenn wir in der Lage wären, den Grundumsatz eines Astronauten um 75% zu senken - ähnlich wie wir es in der Natur bei großen Winterschlaf-Tieren wie bestimmten Bären beobachten können -, könnten wir erhebliche Massen- und Kosteneinsparungen erzielen und Langzeiterkundungsmissionen länger machen möglich."

„Und die Grundidee, Astronauten in einen lang anhaltenden Winterschlaf zu versetzen, ist eigentlich nicht so verrückt: Eine weitgehend vergleichbare Methode wurde getestet und als Therapie bei Traumapatienten auf der Intensivstation und bei Patienten angewendet, die sich seit mehr als zwei Jahrzehnten größeren Operationen unterziehen müssen. Die meisten großen medizinischen Zentren haben Protokolle zur Auslösung von Unterkühlung bei Patienten, um ihren Stoffwechsel zu reduzieren, um im Grunde Zeit zu gewinnen und die Patienten in einer besseren Form zu halten, als dies sonst der Fall wäre. "

Die Studie stützte sich auch auf Teams der Concurrent Design Facility (CDF) und Forscher der Ludwig-Maximilians-Universität München und der Universität Goethe.

Gemeinsam nutzten sie zunächst eine bestehende Missionsstudie, bei der sechs Astronauten auf eine fünfjährige Rückmission zum Mars geschickt wurden. Anschließend passten sie Architektur, Logistik, Strahlenschutz, Stromverbrauch und das gesamte Missionsdesign an, um die Technologie für den Ruhezustand zu berücksichtigen.

Sie stellten fest, dass die Masse des Raumfahrzeugs dank der Entfernung von Besatzungsunterkünften und einer Verringerung der benötigten Vorräte um ein Drittel reduziert werden konnte. Der Winterschlaf würde in kleinen Hülsen stattfinden, die als Mannschaftskabinen dienen würden, während die Besatzung wach war.

Robin Biesbroek von der CDF beschrieb den Bewertungsprozess und seine Ergebnisse:

„Wir haben untersucht, wie ein Astronautenteam am besten in den Winterschlaf versetzt werden kann, was in Notfällen zu tun ist, wie mit der Sicherheit des Menschen umzugehen ist und welche Auswirkungen der Winterschlaf auf die Psychologie des Teams haben würde. Schließlich haben wir eine erste Skizze der Lebensraumarchitektur erstellt und eine Roadmap erstellt, um einen validierten Ansatz für den Winterschlaf des Menschen zum Mars innerhalb von 20 Jahren zu erreichen. “

Die Winterschlafphase würde mit einer 21-tägigen Erholungsphase enden, bevor die Besatzung an ihrem Ziel ankam. Sowohl SpaceWorks als auch die ESA haben festgestellt, dass die Verabreichung von torporinduzierenden Medikamenten ebenfalls wirksam sein könnte.

Laut John Bradford gehören dazu Medikamente wie Adenosinrezeptoragonisten und -antagonisten, die den Stoffwechsel senken und gleichzeitig die Sedierungswerte minimieren. Diese würden hauptsächlich für die Genesung verwendet, wie er erklärte.

"Der Hauptgrund für die Sedierung besteht darin, das Zittern zu unterdrücken (d. H. Den Versuch des Körpers, sich wieder zu erwärmen) und die Besatzung / den Patienten während der Induktion der Unterkühlung wohl zu fühlen", sagte er. "Diese neuen Arzneimittel können Zittern sicher unterdrücken und gleichzeitig die Bradykardie stabilisieren."

Bei all den Vorschlägen, Konzepten und Machbarkeitsstudien zu diesem Thema ist eines klar: Missionen in den Weltraum sind in Reichweite. Wenn es darum geht, Menschen über die Erde und den Mond hinaus zu schicken, müssen Maßnahmen getroffen werden, um sicherzustellen, dass Astronauten während der Reise gesund bleiben können.

Zu diesem Zeitpunkt scheint der Winterschlaf unter den anderen verschiedenen Optionen (wie künstliche Schwerkraft oder tragbare Trainingsgeräte) gut platziert zu sein. Angesichts der Bedeutung der Kosteneffizienz in der Raumfahrt wird sie wahrscheinlich in naher Zukunft Teil aller Weltraummissionen sein.

  • NASA - Strahlung
  • John Bradford - Space Torpor Blog
  • ESA - Advanced Concepts Team (Bioengineering): Winterschlaf
  • ESA - Astronauten im Winterschlaf würden kleinere Raumschiffe benötigen
  • LIVE - Winterschlaf und Erstarrung: Perspektiven für die menschliche Raumfahrt
  • NASA - Torpor induziert Transferlebensräume von der menschlichen Stase zum Mars
  • IAF - 100-Personen-Mars-Transferfahrzeug mit Torpor-induzierenden Lebensräumen
  • Universum heute - Ist menschlicher Winterschlaf möglich? Für einen langen Raumflug schlafen gehen
  • SpaceWorks - Ein praktikabler, kurzfristiger Ansatz zur menschlichen Stase für Langzeit-Weltraummissionen
  • NASA - Torpor induziert Transferlebensräume von der menschlichen Stase zum Mars (von John E. Bradford / Dr. Douglas Talk)


Schau das Video: Should NASA Be Preparing for Deep-Space Missions? (Dezember 2021).