Mikrogravitáció

A Nemzetközi Űrállomás egyik személyzete (középen, látszólag fejjel lefelé az egyik űrhajós edzést végez)

Frank De Winne űrhajós futópadi edzést végez. A testét rugalmas szalagok szorítják a futófelülethez

Meredek emelkedést végző speciális repülőgép a súlytalanság gyakorlásához (a gép típusa: KC-135A)

Átmeneti súlytalanságot létrehozó repülőgép magassági pályája

A mikrogravitáció (hétköznapi kifejezéssel súlytalanság) az az állapot, amiben egy testre látszólag nem hat sem gravitációs, sem más gyorsító erő a szóban forgó inerciarendszeren belül. A Földön, vákuumban eső test a súlytalanság állapotában van, hasonlóképpen az orbitális pályán, gyorsítás nélkül haladó űrjármű, mindkettő szabadesést végez.

A súlytalanság nem jelenti a gravitáció hiányát, hiszen akkor az orbitális repülés nem volna lehetséges. A „mikro” előtag azt jelzi, hogy a földi gravitációhoz képest a gravitáció elenyészően kicsi (annak egy milliomod része vagy még kisebb).

A súlytalanság a légkörben is előállítható, ha a repülőgép parabolapályán a földfelszín felé zuhanva halad. Rutinszerűen alkalmazzák az űrhajósok kiképzése során, időtartama rendszerint 25 másodperc. Ezzel a módszerrel forgatták az Apolló 13 film súlytalanságban játszódó jeleneteit is.

A súlytalanság másik meghatározása szerint a testre ugyan hatnak külső erők, de ezek a testre hatva kiegyenlítik egymást. Egy űrhajós a Föld körül keringve a súlytalanság állapotában van, ha az űrhajó hajtóművei nem üzemelnek. Szigorú értelemben véve az űrhajósnak (és az űrhajónak is) van súlya, mert hat rá a Föld gravitációja, de azt kiegyenlíti a keringésből eredő centrifugális erő. Ha nem hatna rá a gravitáció, kirepülne a világűrbe. Az orbitális pályán haladó űrhajón az elejtett tárgyak nem esnek le, hanem az űrhajós közelében lebegve maradnak és általában forogni kezdenek a saját tengelyük körül.

A súlytalanság speciális körülményeit felhasználják biológiai, kémiai, élettani, metallurgiai és egyéb kutatások céljára.

Turisztikai célra fejlesztés alatt állnak olyan járművek, amikkel szuborbitális repülést, ún. „űrugrást” lehet végezni. Ennek során a súlytalanság több percig tart.

Hasonlóképpen a test szervei is úgy viselkednek, mintha nem lenne gravitáció.

A súlytalanság élettani hatásai

Súlytalanságban töltött több hét után nemkívánatos elváltozások jelentkeznek az emberi szervezet fiziológiai alkalmazkodásában. Az ezek ellensúlyozására végzett fizikai gyakorlatok csak részben egyenlítik ki ezeket a hatásokat, még jól képzett, motivált űrhajósok esetén is.

Megfelelő ellenhatás csak mesterséges gravitációval váltható ki, ami nagyobb méretű űrállomás (pár száz méteres átmérő) esetén annak tengely körüli forgatásával hozható létre.

• Folyadékeloszlás

Az emberi szervezetben lévő folyadékok a test alsó részéből a fej felé mozdulnak el. Sok további hatásnak ez a kiváltó oka.

• Folyadékveszteség

Az agy érzékeli a megnövekedett folyadékmennyiséget és a folyadékkiválasztás növelésével válaszol. Ez kalciumvesztéshez vezet és a csontok elgyengüléséhez. A vér mennyisége akár 10%-kal is csökkenhet, ami a kardiovaszkuláris rendszer módosulásával jár. Könnyen előállhat kiszáradás (dehidratáció) is.

• Elektrolit egyensúlyhiány

A folyadékeloszlás megváltozása a kálium és a nátrium egyensúlyának felborulásával jár.

• Kardiovaszkuláris változások

A mellkasi területen megnövekvő folyadékmennyiség kezdetben a bal szívkamra térfogatának és a szív által kiadott vérmennyiségnek a növekedéséhez vezet. Ahogy a szervezet igyekszik helyreállítani az egyensúlyt, folyadékot választ ki, a bal szívkamra térfogata és a szív által szállított vérmennyiség csökken.

Gravitációs térbe való visszatérés után a folyadék az alsó testfélbe áramlik, a a szív által szállított vérmennyiség a normális alá csökken. Néhány heti időtartam szükséges hozzá, hogy a folyadékmennyiség visszatérjen a normális értékre, a szív térfogata és szállítóképessége helyreálljon.

• Vörösvérsejt csökkenés

A szovjet és amerikai űrrepülések előtt és után vett vérminták alapján a vörösvérsejtek mennyisége egyes esetekben 0,5 literrel csökkent. Vizsgálat tárgya, hogy ez a lépműködés csökkenésének következménye-e.

• Izomveszteség

Izomsorvadás lép fel, mivel a gravitációs izmok nincsenek használva. Az összehúzó proteinek és a szövetek mennyisége csökken. A hatás hasonló a stressz, a rossz táplálkozás, a krónikus mozgáshiány következményeivel.

• Csontveszteség

A csontszövetek elmozdulnak onnan, ahol szükség van rájuk, olyan helyre, ahol fölöslegesek. Ezt a folyamatot a csontszövetek stressz esetén fellépő piezoelektromos viselkedése szabályozza. Mivel a csontokon nincs terhelés, gyakorlatilag oldódni kezdenek. A veszteség elérheti a havi 1%-ot csonttömegre vonatkoztatva. Bár a kérgi csontok regenerálódnak, a szivacsos csontok elváltozásai visszafordíthatatlanok lehetnek. A megfelelő étkezés és a fizikai gyakorlatok csak részben hatásosak a veszteségek csökkentésében. Rövid ideig tartó, intenzív erőgyakorlatok hatásosabbak, mint a hosszú ideig tartó, kevésbé erőigényes gyakorlatok (mint pl. a szobakerékpár). A vizsgálatok szerint a csontveszteség elsősorban a gravitációs térben súlyt hordozó csontokban következik be: a lábak és a gerinc csontjaiban. A súlyt nem hordozó csontok, mint a koponya és az ujj csontjai nincsenek érintve a leépülési folyamatban.

• Hiperkalcémia

A hiperkalcémia jelentése: abnormálisan magas kalciumszint a vérben. A folyadékveszteség és a csontok leépülése miatt a vérben megemelkedik a kalcium koncentrációja. Ennek következménye lehet vesekő kialakulása.

• Az immunrendszer változásai

Növekszik a fehérvérsejt koncentráció, csökken az eozinofil, a monocita és B-cella mennyiség, emelkedik a szteroid hormonok száma, növekszik a T-cellák vesztesége.

Amikor 1983-ban, a Spacelab fedélzetén emberi limfocita-kultúrákat konkanavalin „A” hatásának tettek ki kémcsőben, a T-cellák aktivitása csak 3%-kal növekedett a Földön mért értékekhez képest. A T-cellák működésének csökkenése a szervezet rákbetegséggel való ellenállását csökkenti, amit az űrben tapasztalható sugárzás még súlyosbít.

• Az orvosi eljárásokkal szembeni megváltozott viselkedés

Mivel a folyadékeloszlás a testben megváltozik, a bevett gyógyszerek másképpen oszlanak el. A sejtmembránok vastagabbak lesznek, és kevésbé átjárhatóak, ez csökkenti az antibiotikumok hatását. Az űrbéli sebészet nagyban megváltozik: a szervek lebegnek, a vér nem gyűlik össze egy helyen, és a transzfúzió mechanikus rásegítést igényel.

• Szédülés és térbeli dezorientáltság

Súly hiányában a test nem érzékeli a „fent” és „lent” fogalmát. Az űrhajósok a „függőleges” érzetének gyors és váratlan megváltozásáról számoltak be. Olyan helyiség, ami egy adott nézőpontból jól ismert, ismeretlenné válik másik nézőpontból nézve. Ed Gibson, a Skylab egyik űrhajósa arról számolt be, hogy a figyelőszoba hirtelen elvesztette otthonosságát, amikor a begyakorolt függőleges irányhoz képest 45°-kal eltérve közeledett hozzá.

Bizonyítékok szólnak amellett, hogy a súlytalanságban az agy a helyzet és az irány meghatározásában még inkább a látásra támaszkodik és kevésbé más érzékszervekre. A Skylab űrhajósai keringés közben azt tapasztalták, hogy nem tudják meghatározni a körülöttük lévő tárgyak helyzetét a testükhöz képest, ha nem látják őket.

• Az űrhöz való alkalmazkodás szindrómája

Tünetei: szédülés, hányás, fejfájás, álmosság, étvágytalanság, gyengeség, letargia, sápadtság, izzadás. Az űrhajósok felét érinti. A Földön tapasztalható tengeribetegséggel nem mutat összefüggést. A tünetek 1-3 napig tartanak.

• A végzett gyakorlatok kapacitásának csökkenése

A csökkent motiváció és fiziológiai változások következménye. Valerij Rjumin orosz űrhajós ezt írta a visszaemlékezésiben: „A Földön a [torna] élvezet volt, de [az űrben] kényszeríteni kell magunkat, hogy csináljuk. Amellett, hogy egyszerűek a gyakorlatok, unalmasak is.” Az eszközök használata nehézkes: a futógépet, a szobabiciklit, az evezőpadot szilárdan rögzíteni kell, hogy ne mozdulhasson el. Az izzadság nem folyik le, hanem egy helyen összegyűlik, ami további melegségérzetet kelt és fokozza az izzadást. A Skylab űrhajósai arról számoltak be, hogy a gyakorlatok közben a mellkason egy centi mély tócsákban lötyögött az izzadság, ami undorító volt.

• A szag- és ízérzékelés tompulása

A fejben megnövekedett folyadékmennyiség a megfázáshoz hasonlóan a szag- és ízérzékelés tompulásával jár. Mivel az étel illatanyagai nehezen jutnak el az orrig, növekszik az erős fűszerezés iránti igény: torma, mustár, erőspaprika.

• Súlyveszteség

A folyadékveszteség, a csökkent étvágy a testsúly csökkenéséhez vezet. Az űrhajósok hajlamossá válnak kevesebbet enni a szükségesnél. Ennek elkerülésére változatos étrendet és fizikai gyakorlatokat írnak elő.

• Felfúvódás, puffadás (flatulencia)

Mivel az emésztőrendszerben keletkező gázok a gravitáció hiánya miatt nem tudnak szétválni a folyékony tápláléktól, ezért a súlytalanság állapotában nincs büfögés. Az emiatt nagyobb mennyiségű bélgáz a végbélnyíláson keresztül távozik. A Skylab egyik személyzeti orvosa, Joe Kerwin szavaival: „Nagyon hatásosan, nagy mennyiségben és gyakran.”

• Az arckifejezés torzulása

Az arc felpuffad és kifejezéstelenné válik. Mások hangulatának leolvasása az arcról különösen oldalról és fejjel lefelé szinte lehetetlen. A beszéd kissé orrhangúvá válik.

• A testtartás megváltozása

Az önkéntelenül felvett testtartás a magzat testtartásához válik hasonlóvá. A gerinc hossza megnövekszik. Mindegyik Skylab űrhajós magassága 2 cm-rel vagy többel megnőtt az űrbeli tartózkodása alatt. Erre a tervezőknek az űrruhák méretének beállításában figyelniük kell.

• A mozgáskoordináció megváltozása

A Földön megszokott mozgáskoordináció, amikor egy tárgyat megfogunk, a saját karunk súlyát önkéntelenül kompenzáljuk, tehát nagyobb erőt fejtünk ki a tárgy súlyánál. A súlytalanságban az izommozgás emiatt túlzott, az űrhajós a tárgy „fölé” nyúl.

A fentiek közül sok változás nem okoz problémát az űrbeli tartózkodás alatt. A problémák a súly visszatérésekor jelentkeznek. Különösen kritikus a légkörbe ereszkedés és leszállás folyamata, amikor a testsúly a nulláról percek alatt a normál földi súly fölé emelkedik.

1984-ben, 237 napos űrbeli tartózkodás és leszállás után szovjet űrhajósok úgy vélték, hogy ha az űrbeli tartózkodásuk hosszabbra nyúlik, nem élték volna túl a visszatérést.

1987-ben, 326 napos űrbeli tartózkodás után Jurij Romanyenko űrhajós rendkívüli fáradtságot érzett mind fizikai, mind szellemi értelemben. Munkanapját 4,5 órára csökkentették, az alvásidőt 9 órára nyújtották. A napi biciklizés és futópados gyakorlat minden nap 2,5 óra volt. A küldetés végén a szovjetek az addigi gyakorlattal szemben tartalék űrhajós küldtek fel, aki visszahozta Romanyenkót.

Vlagyimir Tyitov és Musza Manarov az egy éves űrbeli tartózkodást is túllépte 366 nappal (1988. december 21-én). Későbbi szovjet űrhajósok még ezt a rekordot is megdöntötték. Ezek az időtartamok az emberi teljesítőképesség határait feszegetik.

Források

• Glenn D. Considine (főszerk.): Van Nostrand's Scientific Encyclopedia, 2008, John Wiley & Sons, Inc., ISBN 978-0-471-74338-5, p. 5851-5852.

További információk

• Planel, H.: Space and Life, CRC Press, LLC, Boca Raton, FL, 2004

Kapcsolódó szócikkek

• Gravitáció
• Űrállomás
• Nemzetközi Űrállomás
• Űrkutatás