Skafandry kosmiczne - przepustka do eksploracji wszechświata

Drastyczne zmiany ciśnienia to jedno z największych zagrożeń czyhających na astronautów w przestrzeni kosmicznej i na obcych planetach. Dekompresja w takich warunkach pozbawia życia w wyjątkowo nieprzyjemny sposób. Woda, która w znacznym stopniu buduje nasz organizm, zaczyna parować i próbuje się wydostać. Pęcherzyki płucne ulegają rozerwaniu, a ciecz na powierzchni ciała zaczyna się gotować. Następuje przy tym upośledzenie ruchów oddechowych, zapaść sercowo-naczyniowa, migotanie komór serca i - ostatecznie - zatrzymanie jego pracy. Śmierć następuje po około dwóch minutach.

Do potencjalnych zagrożeń zaliczamy również ekstremalne temperatury, niesprzyjającą atmosferę, promieniowanie kosmiczne, a nawet (prawdopodobne) obce formy życia. Chcąc postawić stopę na obiekcie innym niż Ziemia, musimy wiedzieć, jak się przed nimi skutecznie chronić. I - co szczególnie istotne - nie możemy tego robić, zaniedbując zakres ruchów astronautów oraz ich siły.

Skuteczna ochrona liczy się także wewnątrz statku kosmicznego. I, co ciekawe, NASA stosuje ją od niedawna. Pierwszy skafander kosmiczny do aktywności pokładowej -  Launch Entry Suit - był używanych na promach kosmicznych w latach 1988-1998. Dopiero w latach 1994-2011 pojawiła się jego nowocześniejsza wersja - Advanced Crew Escape Suit (ACES), potocznie zwany "kostiumem-dynią". Z podobnych konstrukcji korzystają piloci samolotów mogących rozwijać szczególnie wysokie prędkości. Ubranie wyprodukowane przez David Clark Company było jednak niewygodne i bardzo ciężkie - masa całkowita wynosiła prawie 42 kg.

NASA korzysta również ze skafandrów o nazwie Extravehicular Mobility Unit (EMU). Są to samodzielne systemy zapewniające ochronę środowiskową, mobilność, podtrzymywanie życia i komunikację. Będące na wyposażeniu Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS) (i niegdyś wahadłowców) umożliwiają wykonywanie spacerów kosmicznych. Na ISS używa się również rosyjskiej konstrukcji Orłan. Przy czym zarówno ten ostatni, jak i EMU, ważą ponad 100 kg.

Wygląd pomarańczowego ACES i białego EMU zna każdy. Oba są jednak dość przestarzałe i nie sprawdzą się w kontekście dalekich wypraw. Pierwszy śmiałek, który wyląduje na powierzchni Marsa, musi być ubrany w lekki, supernowoczesny i wygodny skafander kosmiczny.

Nowe skafandry, gwarantujące bezpieczeństwo podczas startu, będą udoskonaloną wersją ACES. Założą je nie tylko silni i doskonale przeszkoleni zawodowcy, ale również amatorzy, czyli przyszli kosmiczni turyści. Na pokładzie statku kosmicznego muszą czuć się wygodnie i mieć nieskrępowane ruchy. Noszenie na sobie 42-kilogramowej konstrukcji jest naprawdę męczące - szczególnie w takich warunkach.

SpaceX - komercyjna firma, która zajmuje się lotami do ISS, a wkrótce zajmie się także kosmiczną turystyką, złożyła zamówienia na nowy typ skafandrów. Orbital Outfitters, która zadba o odpowiedni projekt i wykonanie, ma jednak nie lada problem, ponieważ wspomniane SpeceX chce, aby ciśnieniowy strój wyglądał na "prawdziwego twardziela". Wszystko wskazuje na to, że firmy wyspecjalizowane w tego typu produktach będą miały mnóstwo kontraktów i zamówień. Coraz więcej prywatnych graczy chce zabierać ludzi w przestrzeń kosmiczną, a każdego z nich trzeba będzie ubrać - nie tylko bezpiecznie, ale także ładnie i wygodnie. Już teraz trwają testy takich rozwiązań.

Lądowanie na obiekcie innym niż Ziemia wymaga czegoś więcej. NASA stara się temu sprostać, czego dowodem jest skafander kosmiczny Z-1. Został on zaprojektowany w taki sposób, aby zagwarantować astronautom jak największą mobilność i zakres widzenia - stąd pokaźnych rozmiarów szklany hełm. Nowym i szczególnie interesującym rozwiązaniem jest jednak owalny element na placach, dzięki któremu wejście i wyjście ze skafandra będzie szybsze. To samo rozwiązanie umożliwi także zadokowanie do włazu statku kosmicznego. To wyeliminuje konieczność korzystania ze śluzy, która zawsze zajmuje wiele cennej przestrzeni.

Amerykańska agencja prowadzi już prace nad kolejną generacją stroju - Z-2. Kiedy będzie gotowy, to najlepsze rozwiązania z wersji 1 i 2 zostaną wykorzystane w Z-3. NASA planuje, że inauguracyjny spacer kosmiczny w tej wersji skafandra odbędzie się w 2017 roku - oczywiście z pokładu ISS.

Jednak nawet najbardziej zaawansowany z planowanych obecnie kombinezonów wciąż pozostaje swego rodzaju balonem o kształcie zbliżonym do ludzkiej sylwetki. Samo poruszanie się wymaga ogromnych nakładów energii (rzędu 75 proc.), przez co odbycie dłuższego spaceru staje się niemożliwe.

MIT próbuje rozwiązać ten problem i od 1999 roku prowadzi badania nad skafandrem o nazwie BioSuit. Jego najważniejszą cechą jest wytwarzanie odpowiedniego ciśnienia poprzez nacisk, czyli mechanicznie. Dzięki temu poruszający się w nim człowiek zużywa mniej energii - około 25 proc. Samo rozwiązanie jest również bezpieczniejsze, ponieważ w przypadku uszkodzenia wahania ciśnienia łatwiej przywrócić mechanicznie.

Nowa technologia wymaga odpowiednich materiałów, które ściśle dopasują się do krzywizn ludzkiego ciała i umożliwią ruch. - W ciągu ostatnich kilku lat przyglądaliśmy się 14 kandydatom na taki materiał. Teraz mamy trzech - twierdzi Newman z MIT.

Jedną z opcji jest elastomer dielektryczny, który może się kurczyć i rozszerzać pod wpływem prądu elektrycznego - w ten sposób mógłby działać jako  dodatkowy napęd. Druga to stopy zapamiętujące kształt. - Myślę, że udowodniliśmy techniczną wykonalność BioSuit - dodaje Newman. Szacuje przy tym, że nawet z budżetem wynoszącym kilka mln dol. rocznie jest on do zrealizowania w ciągu 3-5 lat.

Dalekie podróże kosmiczne niosą ze sobą wiele niebezpieczeństw i wyzwań, z którymi musimy się uporać. Najbardziej podstawowym jest napęd gwarantujący w miarę krótką podróż. Niezwykle ważna jest konstrukcja rakiety, ponieważ musi ona ochronić załogę przed kosmicznym promieniowaniem. Zupełnie inną sferę wyzwań  stanowi natomiast eksploracja ciał niebieskich - planet, księżyców czy planetoid. Nie można mierzyć się z nimi bez odpowiednich zabezpieczeń, a więc bez zaawansowanego skafandra. Do jego skonstruowania naukowcy potrzebują nowych materiałów o wyjątkowych właściwościach.

Idealnym rozwiązaniem byłby lekki i wygodny kombinezon, czerpiący energię z ruchów znajdującego się w nim człowieka. Hełm powinien być wyposażony w wyświetlacz prezentujący ważne informacje - coś na wzór tych wykorzystywanych przez pilotów myśliwców. Przydałyby się także możliwość wydawania poleceń głosowych oraz buty doskonale przylegające do podłoża - na wypadek słabej grawitacji. Na koniec pozostaje skuteczna ochrona przed kosmicznym promieniowaniem oraz możliwość automatycznego pozbywania się zanieczyszczeń.

Nadzieje wiąże się także z nanotechnologią. Takahiko Hariyama pracuje nad rozwiązaniami, które mogą doprowadzić do stworzenia skafandra o grubości kilkudziesięciomiliardowych części metra. Na razie udało się to w kontekście larwy owada. Aby ochronić jej ciało przed działaniem próżni, naukowcy otoczyli ją swego rodzaju skafandrem z elektronów. Nie dość, że zdał on egzamin, to sprawdził się w znacznie bardziej wymagających warunkach, a także pod niewielkim naciskiem mechanicznym. Podobne rozwiązania w skali makro wciąż pozostają poza naszym zasięgiem - przynajmniej przez najbliższe dziesięciolecia.

- Skafandry kosmiczne pełne są niewidocznych subtelności - zauważa Gilman z Orbital Outfitters. Każdy kilogram jego masy jest na wagę złota, ponieważ może zaważyć na mobilności i wydajności astronauty. Aktualnie nie jesteśmy przygotowani na dalekie kosmiczne podróże. Wraz z rozwojem supernowoczesnych rakiet i silników będą prowadzone badania nad osobistą ochroną dla ludzi.

Jakub Płaza