In den nächsten Jahrzehnten sind eine Reihe wirklich ehrgeiziger Weltraumerkundungsmissionen geplant. Bis 2030 planen die NASA und die ESA, einige der größten Monde Jupiters auf mögliche Lebenszeichen mit ihren zu untersuchen. Europa Clipper und JUpiter ICy Moon Explorer SAFT Missionen .
Eine ähnliche Mission, NASAs Libelle Quadcopter 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 auf mögliche Hinweise auf 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 von zum Mond zurückzuschicken. Projekt Artemis .
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 zurückliegen, da sie hoffen, ihre 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 schicken zu können.
Dies ist das erste Mal, dass Astronauten zu einem Himmelskörper im Weltraum reisen - dh jenseits des Erd-Mond-Systems. Während Robotermissionen an alle wichtigen Körper im Sonnensystem gesendet wurden - von Merkur bis Pluto - senden sie Astronauten anDeep-Space ist 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 der Mars erreicht ist?
Es ist äußerst zeitaufwändig, nur zu den nächstgelegenen Körpern im Weltraum zu gelangen. Obwohl es sich um das zweitnächste Objekt zur Erde handelt Venus ist das nächstgelegene, ist der Mars immer noch erstaunlich weit entfernt. Alle zwei Jahre werden Mars und Erde seinan den nächstgelegenen Punkten in ihrer Umlaufbahn, was als "Opposition" bezeichnet wird.
Während dieser Zeit kann der Mars so nah wie möglich kommen 57,6 Millionen km 35,8 Millionen Meilen von der Erde entfernt. Zu anderen Zeiten, die als "Konjunktion" bezeichnet werden, kann der Mars so weit sein wie 400 Millionen km 248,5 Millionen Meilen von der Erde entfernt. 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 Horizont s Mission, die nur 39 Tage nach ihrem Start vom Roten Planeten geschwungen wurde. Die Mission des Neuen Horizonts war jedoch letztendlich das Ziel von Pluto, was bedeutete, dass sie nicht langsamer werden oder an die Oberfläche absteigen musste.
Bei Missionen, die für den Mars bestimmt waren, lag die Gesamtreisezeit zwischen 150-300 Tage abhängig von der Startgeschwindigkeit und der Ausrichtung von Erde und Mars. T Die schnellste Zeit für eine Mission, um auf der Marsoberfläche zu landen, betrug 212 Tage, was von der Mars Pathfinder .
Wieder einmal sind Missionen mit Besatzung eine andere Sache. Um ein Team von Astronauten mit allem, was sie brauchen, um ihre Mission zu erfüllen und wieder nach Hause zu kommen, in den Weltraum zu schicken, muss ein Raumschiff größer, schwerer sein und seine habeneigenes Treibmittel und Triebwerke.
In dieser Hinsicht kommt die schnellste Mission, die jemals aufgezeichnet wurde, aus der Apollo-Ära zu uns. Von den sechs Mondmissionen, die es zum Mond und zurück geschafft haben Apollo 13 hat es zurück geschafft, aber nie auf dem Mond gelandet, hat Apollo 10 dieRekord für den schnellsten menschlichen Raumflug - 39.897 km / h.
Dieser Geschwindigkeitsrekord wurde jedoch während der Rückreise zur Erde und nicht beim ersten Start erzielt. Und selbst wenn ein Raumschiff während der gesamten Dauer mit derselben Geschwindigkeit fliegen könnte, würde eine Mission zum Mars noch vier Monate auf der Durchreise verbringen niemalsGedankenoberflächenoperationen.
Realistischere Schätzungen deuten jedoch darauf hin, dass ein Raumschiff einen Festkörper aufnehmen würde neun Monate 270 Tage nur um zum Mars zu gelangen, was bei Berücksichtigung von Oberflächenoperationen bis zu zwei Jahre dauert. 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 ergeben sich 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 Besatzungen im Durchschnitt ausgesetzt sind. 12 bis 28,8 Millirad pro Tag. Auf der Erde sind die Menschen in Industrieländern durchschnittlich etwa 620 Millirem 0,62 rad jährlich - 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 gibt jedoch bekannte Strategien zur Schadensbegrenzung.
Zusätzlich zur Strahlenabschirmung überprüfen Astronauten an Bord der ISS regelmäßig ihre Strahlungswerte mit "Dosimetern". Die NASA und andere Weltraumagenturen haben auch Richtlinien festgelegt, wie viel Strahlungsastronauten im Laufe ihres Lebens ausgesetzt sein können.
Schwerelosigkeit 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, sind Astronauten an Bord des ISS-Stickszu einem strengen Trainingsprogramm um die Auswirkungen zu minimieren.
Dies beinhaltet die Kombiniertes Laufband mit externem Widerstand für den Betrieb COLBERT, der Fahrradergometer mit Schwingungsisolations- und Stabilisierungssystem CEVIS und die Advanced Resistive Exercise Device ARED, das Gewichtheben simuliert.
Je länger eine Person im Weltraum bleibt, desto schwieriger wird es jedoch, die physischen Veränderungen zu ertragen. Außerdem ist die Anpassung an die normale Schwerkraft nach langen Zeiträumen im Weltraum ziemlich schwierig und schmerzhaft.
Nach fast einem Jahr an Bord der ISS, Astronaut Scott Kelly Bei seiner Rückkehr zur Erde traten zahlreiche gesundheitliche Probleme auf. Nach seiner Rückkehr zur Erde hatte er monatelang erhebliche Gelenk- und Muskelschmerzen, Übelkeit, Schwindel, Fieber, starke Schwellungen und andere Komplikationen.
Obwohl es Minderungsstrategien gibt, sind sie nur so effektiv. Gleichzeitig sind einige dieser Strategien für Weltraummissionen einfach nicht praktikabel.
Winterschlaf in der Natur
Im Tierreich durchlaufen viele Säugetierarten während besonders kalter Strecken einen Winterschlaf. Dies beinhaltet das Eintreten in einen Tiefschlafzustand und das Unterdrücken des Körperstoffwechsels, 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 sie keinen technischen Winterschlaf haben, treten diese Tiere bekanntermaßen in Phasen der Erstarrung oder "Brumation" ein, die sehr ähnlich sind. Grundsätzlich Periodenvon reduzierter Temperatur führen zu verlangsamtem Stoffwechsel und 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 einfach dafür, in einen komatösen Zustand zu gelangen"Warte es ab".
Dieselbe Idee könnte bei der Erforschung des Weltraums hilfreich sein, bei der Astronauten längere Zeit auf der Durchreise verbringen müssen. Durch den Eintritt in einen Winterschlafzustand könnten auch sie die lange Reise abwarten und benötigen weitaus weniger ZeitArt der Nahrung und Versorgung.
Ruhezustand im Weltraum
Dieser Ansatz bietet zusätzliche Vorteile, die über das Einsparen von Material 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, besteht darin, künstliche Schwerkraft zu erzeugen, was die NASA derzeit untersucht. Weltraummissionen und langfristige Aufenthalte in Leerzeichen . Dies würde darin bestehen, Raumschiffe mit einem rotierenden Torus auszustatten, der eine Zentrifugalkraft zur Simulation der Schwerkraft erzeugen würde.
Dies bedeutet jedoch, größere und schwerere Schiffe zu bauen, was bedeutet, dass mehr Treibmittel benötigt wird, um sie an ihren Bestimmungsort zu bringen. Je nach Lösung ist dies keine sehr kostengünstige Idee. Hier kommt das Konzept des menschlichen Winterschlafes ins Spielins 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 Übungsräume, keine gemeinsamenFläche und kleinere Wohnräume.
Kleinere und leichtere Raumschiffe würden weniger Treibmittel benötigen, um sie ins All zu bringen oder auf Kurs auf den Mond, den Mars oder andere Ziele zu bringen. All dies würde zu dramatisch niedrigeren Kosten führen.
Bei besonders langen Missionen kann der Winterschlaf auch eine Möglichkeit sein, die Gefahren zu bewältigen, die entstehen, wenn man monatelang in einer Kapsel steckt. Unter solchen Bedingungen können Astronauten unter extremer Langeweile leiden und Klaustrophobie - auch bekannt als "Kabinenfieber".
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 von aktuelle medizinische Forschung das zeigt, wie der Winterschlaf die Gefahr der kosmischen Strahlung mindern kann.
Kurz gesagt, ionisierende Strahlung setzt freie Radikale im Körper frei, was zu Zellschäden und zum Tod führt. Da die Unterdrückung des Stoffwechsels und des Sauerstoffverbrauchs die Ausbreitung freier Radikale verringert, verringert sich auch die Rate der Zellschäden. Diese Schutzwirkung ist noch größerbei niedrigeren Temperaturen ausgeprägt.
Mögliche Methoden
Es gibt verschiedene Möglichkeiten, Menschen in einen Tiefschlafzustand zu versetzen, von denen einige bereits gut erforscht sind. In der Medizin induzieren Ärzte beispielsweise bei Patienten durch Verabreichung einer kontrollierten Dosis Barbiturate ein Koma. Dies wäre ein Beispielvon "chemisch induzierten" suspendierten Animationen.
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 langsam sind und derSubjekt tritt in einen suspendierten Zustand ein.
In den letzten Jahren NASA angekündigt dass es in Zusammenarbeit mit dem in Atlanta ansässigen Luft- und Raumfahrtunternehmen die Winterschlaf-Technologie untersuchte SpaceWorks . Im Gegensatz zur herkömmlichen Kryotechnik umfasst die SpaceWorks-Methode ein Gerät namens RhinoChill.
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 während des Fluges im Winterschlaf gehalten werden. Während sie schlafen, könnten Roboter intravenös Nahrung bereitstellen und die Muskeln der Astronauten elektrisch stimulieren, um sie und ihre Knochen stark zu halten.
Für ihr Design hat SpaceWorks eine Phase-I-Auszeichnung von der NASA Innovative Advanced Concepts NIAC Programm im Jahr 2013. Im Jahr 2015 präsentierte das Unternehmen eine endgültige Version des MTH auf der Internationale Astronautische Konferenz 2015 IAC in Jerusalem, Israel.
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 zu der Zeit gemeldet Dies bedeutete eine signifikante Reduzierung des Massen- und Energiebedarfs im Vergleich zu den damals aktuellen Architekturen zur Erforschung des Mars. 2016 wurde SpaceWorks a gewährt. Phase II NIAC Award für ihre Arbeit, die es ihnen ermöglicht hat, das Konzept weiterzuentwickeln.
John Bradford, CEO von SpaceWorks, teilte Interessante Technik | wissenschaft-x.com 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 als Backup / Alternative für die Abkühlung der Umgebungsluft im Lebensraum desDies war möglich, als wir das interne Design auf einen mehrstufigen Lebensraum umstellten und das „Oberdeck“ als thermisch gekühlten Bereich für die Erstbesatzung verwendeten. Wir glauben, dass dies ein einfacher und sicherer Ansatz ist als derdas transnasale Kühlgerät, die Verwendung von Gelkissen und / oder die Injektion von kalter Kochsalzlösung.
"Die wichtigsten Änderungen an unserem Plan waren die Festlegung einer neuen Missionsbasislinie mit einer maximalen Erstarrungszeit von 2 Wochen für die Besatzung während wiederholter Zyklen. Zwischen den Zyklen sind die Besatzungsmitglieder für kurze Zeiträume von 2-3 Tagen aktivWir sind sehr zuversichtlich, diese Dauer für die ersten Weltraummissionen konstant / sicher zu erreichen. 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 es herkömmliche Missionsprofile erfordern. Dies schließt Langzeitmissionen zum Mars, Ceres im Haupt-Asteroidengürtel und andere einWeltraumziele.
"Unsere Analyse zeigt durchweg signifikante Einsparungen in Bezug auf Lebensraummasse, Startmasse und Missionskosten", sagte er. "Wir erzielen im Allgemeinen eine 50% ige Reduzierung der Masse des Besatzungslebensraums. Zusätzlich zu den technischen Vorteilen wie zWir haben 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 induzierten Erstarrungstechnologien für die Weltraumforschung zu untersuchen. Dies begann, als das Future Technology Advisory Panel FTAP feststellte, dass sie langfristig wesentlich sindMissionen ins All.
Dies führte zur Schaffung eines dedizierten 'Aktuelles Team' im Winterschlaf, der mit Hilfe der ESA erste Bewertungen durchführte SciSpacE Team - das die Aufgabe hat zu untersuchen, wie die Körper von Astronauten auf das Leben im Weltraum reagieren.
Jennifer Ngo-Anh ist die Teamleiterin des SciSpacE-Teams. In einer kürzlich durchgeführten ESA Pressemitteilung , 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 bahnbrechendes Instrument für die Raumfahrt des Menschen vorgeschlagen. Wenn wir den Grundumsatz eines Astronauten um 75% senken könnten - ähnlich dem, was wir in der Natur bei großen Tieren im Winterschlaf beobachten können, wie zals bestimmte Bären - wir könnten erhebliche Massen- und Kosteneinsparungen erzielen, was Explorationsmissionen mit langer Dauer einfacher macht. "
„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 aus dem Concurrent Design Facility CDF und Forscher aus dem Ludwig-Maximilians-Universität München und die Universität Goethe .
Gemeinsam verwendeten sie zunächst eine vorhandene Missionsstudie, in der sechs Astronauten auf eine fünfjährige Rückmission zum Mars geschickt wurden. Anschließend passten sie Architektur, Logistik, Strahlenschutz, Stromverbrauch und das gesamte Missionsdesign an, um den Winterschlaf zu berücksichtigenTechnologie.
Sie stellten fest, dass die Masse des Raumfahrzeugs dank der Entfernung von Besatzungsunterkünften und einer Verringerung der benötigten Vorräte um ein Drittel verringert werden konnte. Der Winterschlaf würde in kleinen Kapseln stattfinden, die gleichzeitig als Besatzungskabinen dienen würdenBesatzung war wach.
Robin Biesbroek von der CDF beschrieben der Bewertungsprozess und seine Ergebnisse :
„Wir haben uns angesehen, 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 Initiale erstelltSkizze der Lebensraumarchitektur und Erstellung einer Roadmap, 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 ihr Ziel erreicht. Sowohl SpaceWorks als auch die ESA haben festgestellt, dass die Verabreichung von torporinduzierenden Medikamenten ebenfalls wirksam sein könnte.
SpaceWorks Vision System Torpor Habitat Design, Quelle : J. Bradford
Laut John Bradford gehören dazu Medikamente wie Adenosinrezeptoragonisten und -antagonisten, die den Stoffwechsel senken und gleichzeitig die Sedierungswerte minimieren. Diese würden, wie er erklärte, hauptsächlich zur Genesung eingesetzt.
"Der Hauptgrund für die Sedierung besteht darin, das Zittern zu unterdrücken dh 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 das Zittern sicher unterdrücken und gleichzeitig die Bradykardie stabilisieren."
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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 ergriffen werdenum 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 ist er wahrscheinlich Teil jeder OptionWeltraummissionen in naher Zukunft.
Weiterführende Literatur :
- NASA - Strahlung
- John Bradford - Space Torpor Blog
- ESA - Advanced Concepts Team Bioingenieurwesen: Winterschlaf
- ESA - Astronauten im Winterschlaf benötigen kleinere Raumschiffe
- 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 ein menschlicher Winterschlaf möglich? Schlafen für eine lange Raumfahrt
- SpaceWorks - Machbar, nah - Begriff Ansatz für die menschliche Stase für lange Zeit - Dauer Deep Space Missionen
- NASA - Torpor induziert Transferlebensräume von der menschlichen Stase zum Mars von John E. Bradford / Dr. Douglas Talk