Z niezbędnika astronauty: Skafander kosmiczny
Jak większość mitów science fiction, obcisły spandeksowy kostium kosmiczny, niewiele różniący się od skafandra narciarskiego jest dzieckiem początku XX wieku. Tym razem jednak, może okazać się pomysłem realizowalnym i prawdopodobnym do wykorzystania w nawet niedalekiej przyszłości lotów kosmicznych – chociaż nie w każdych warunkach. Ostatnio zauważyłem że w filmach czy grafikach panuje tendencja do upraszczania konstrukcji skafandra kosmicznego do jednego uniwersalnego modelu, prawdopodobnie uproszczenie pochodzi z prostego faktu, iż nigdy nie było potrzeby budowania kombinezonów które przetrwały by Marsjańskie burze piaskowe, zabójcze promieniowanie otwartego kosmosu czy piekielne temperatury panujące na Merkurym. Stworzenie uniwersalnego modelu skafandra było by bardzo wygodne i rozwiązało by wiele problemów, ale po zastanowieniu wydaje się mało prawdopodobne. W tym wpisie postaram się przybliżyć ogólne aspekty budowy skafandra, stworzyć ogólny podział pod względem budowy i zastosowań, a przede wszystkim podsunąć garść informacji mogących uczynić korzystanie, naprawę czy wybór kostiumu dużo ciekawszą czynnością niż dotychczas.
Do tej pory nie można mówić o uniwersalnym skafandrze kosmicznym. Każdy model był przygotowywany pod kątem innej misji i spełniał inne wymagania. Pierwotnie konstrukcję oparto o kostiumy ciśnieniowe pilotów myśliwców i stopniowo dostosowywano do potrzeba kolejnych misji. Zakładając, że w przyszłości loty kosmiczne będą czymś powszednim, kombinezony kosmiczne staną się towarem powszechnie dostępnym, produkowanym przez wiele firm w przeróżnych rozmiarach, kolorach i stylach, ale ciągle spełniającym te same podstawowe funkcje:
Kontrola ciśnienia i mieszanki oddechowej – podstawowa funkcja, czyli zapewnienie tolerowalnego ciśnienia wewnątrz skafandra. Obecnie jest to rozwiązywane przez wypełniania przestrzeni wewnątrz kostiumu zdatną do oddychania mieszanką gazów lub czystym tlenem o ciśnieniu zbliżonym do ziemskiego. To właśnie przez konieczność wytworzenia odpowiedniego ciśnienia kosmonauci muszą przechodzić ‘odprawę’ w komorze atmosferycznej gdzie dopiero po wyrównaniu i dostosowaniu ciśnienia i mieszanki oddechowej w ich otoczeniu i organizmach możliwe jest założenie skafandra. Cała procedura ma na celu zbalansowania ciśnienia i ograniczenia zanieczyszczenia środowiska skafandra. Złe dobranie ciśnienia, czy nagła jego zmiana po założeniu skafandra mogły by spowodować pojawienie się zagrożeń takich jak choroba kesonowa, niedotlenienie czy zbytnie dotlenienie organizmu. Dodatkowo zanieczyszczony skafander mógł by utrudniać ruchy gdyż cięższe gazy z płuc osadzały by się na w niższych partiach doprowadzając np. do błędnego funkcjonowania wewnętrznego kontrolera ciśnienia czy systemu podtrzymywania życia. Sam mechanizm dostarczania mieszanki oddechowej obecnie przechowywany jest w plecaku, w przyszłości przy zastosowaniu lepszych systemów odzyskiwania mieszanki oddechowej i kompresji jej zapasu zbiorniki będą się stopniowo zmniejszały osiągając nawet rozmiary litrowych pojemników przymocowywanych do kombinezonu. Zakładam również że same mieszanki mogą być łatwo uzupełniane bez konieczności wychodzenia ze skafandra, na podobnej zasadzie jak obecnie wymienia się baterie w sprzęcie elektronicznym.
Prawdopodobnie system ciśnieniowo – oddechowy był by szkieletem całego skafandra i konkretne modele opierały by się o zmodyfikowaną zasadę działania tego systemu. Kluczowymi czynnikami determinującymi typ kombinezony była dwa powiązane ze sobą czynniki: grawitacja oraz ciśnienie otoczenia.
Ochrona przed promieniowaniem i izolacja termiczna to kolejna kluczowa funkcja skafandra, nie mniej ważna niż dostarczanie tlenu. Często nie zdajemy sobie sprawy, że człowiek przebywający w przestrzeni kosmicznej jest wystawiony jest na zabójcze promieniowanie kosmiczne oraz ekstremalne temperatury w nieosłoniętych miejscach potrafiące sięgać setek stopni, a w zacienionych znacznie poniżej zera. Dlatego też skafander pokryty jest warstwą termoizolacyjnego materiału oraz jest wyposażony w specjalny system chłodzenia składający się między innymi z wielu radiatorów i mechanizmu cyrkulacji powietrza oraz płynów chłodniczych. Drugim zagrożeniem jest promieniowanie. W przypadku prac poza atmosferą czy ochronnymi polami stacji czy statków kosmicznych skafander będzie musiał zapewnić ochronę taką samą jak statek czy stacja kosmiczna. Dlatego też przy projektowaniu modelu skafandra bardzo istotnym elementem będzie odporność na promieniowanie. W przypadku typowych skafandrów technicznych czy atmosferycznych ekranowanie nie musi być tak duże jak w przypadku skafandrów przeznaczonych do prac w otwartej przestrzeni.
Ochrona przed fizycznymi uszkodzeniami przydaje się nie tylko w walce, chociaż wydawać by się mogło że głownie tam znajdzie zastosowanie. Zabezpieczenie skafandra i jego właściciela przed uderzeniami mikrometeorytów czy rozpędzonego kosmicznego złomu powinno być wysokim priorytetem zwłaszcza podczas pracy w pasach asteroidów czy na planetach. Samo zabezpieczenie skafandra przed pyłem czy żrącą atmosferą już jest nie lada wyzwaniem, zwłaszcza zwracając uwagę na skomplikowany system chłodzenia. Prawdopodobnie większość skafandrów poza standardowymi walorami ochronnymi będzie miała możliwość założenia dodatkowego, wymienialnego opancerzenia pozwalającego wytrzymać dużo większe uszkodzenia fizyczne. Innym elementem takich pancerzy będzie wykonanie ich z samo regenerującego się materiału zawierającego w sobie mini kapsułki wypełnione formą kleju oraz katalizatora. Po pojawieniu się pęknięcia uszkodzeniu ulegną również kapsułki z klejem i katalizatorem które to po wymieszaniu błyskawicznie stwardnieją niwelując pęknięcie.
Krytycznym elementem pod względem wytrzymałości jest hełm. Wizjer zbudowany z przeźroczystych kompozytów nie może być w naturalny sposób opancerzony i jednocześnie umożliwiać widoczność. Prawdopodobnie ze względu na ludzką psychikę zastąpienie wizjera pancerzem i jedynie wyświetlanie obrazu wewnątrz hełmu nie było by w pełni możliwe, stosowane będzie rozwiązanie hybrydowe. Wizjer będzie pozwalał na spoglądanie nieuzbrojonym okiem, a w przypadku potencjalnego zagrożenia będzie przysłaniany dodatkową tarczą ograniczająca widoczność i zmuszając do tymczasowego korzystania z sensorów skafandra. Takie rozwiązanie podpatrzyłem w anime Planetes, które gorąco polecam zarówno pod względem ciekawych rozwiązań technicznych, poruszanych tematów oraz dających się Lubic bohaterów.
Funkcje podtrzymywania życia, czyli podstawowe systemy diagnostyczne mierzące stan zdrowia osoby noszącej skafander i alarmujące o wszelkich anomaliach. Oczywiście do korzystania z bardziej zaawansowanych funkcji takiego systemu potrzebne było by zaprogramowanie jego pod konkretnego właściciela, ale co bardziej zaawansowane kostiumy mogą mieć funkcje wstępnej diagnozy pozwalającej dostosować się do nowego pacjenta. Podstawową rolą takiego systemu było kontrolowanie ciśnienia pasażera i dostosowywanie systemu kontroli ciśnieniowo oddechowej oraz reagowanie na niepożądane zmiany, oznaki szoku, zatrucia czy innych uszkodzeń pasażera. Prawdopodobnie Dodatkową funkcją było by odżywianie oraz kontrola wydania osoby noszącej skafander. Prawdopodobnie większość prac wymagałaby dłuższego przebywania w skafandrze, a długotrwały proces zakładania i zdejmowania skafandra raczej nie pozwala na wykonywanie krótkich przerw ‘za potrzebą’. Prawdopodobnie zbiorniki z pokarmem czy odchodami były by łatwo demontowalne i tak samo jak zbiorniki z mieszanką oddechową mogły by być wymieniane w trakcie misji przedłużając jej możliwy czas.
Sama kontrola nad skafandrem może przebiegać na wiele sposobów. Prawdopodobnie różne możliwe cywilizacje czy nawet producenci opracowaliby całkowicie do siebie nie podobne sposoby kontrolowania skafandra; od neuronowego interfejsu rodem z Matrixa, przez sterownie ruchem gałek ocznych po reagowanie na specyficzne ruchy mięśni czy kontrole za pomocą języka i ust.
Typy skafandrów jakie przychodzą mi do głowy to:
Skafander otwartej przestrzeni przystosowany do prac w nieosłoniętych przestrzeniach kosmosu. Wyposażony w silne ekranowanie termiczno – radiacyjne, dodatkowo posiadający osłonę przed mikrometeorytami. Prawdopodobnie ciężki i nieporęczny ze względu na konieczność utrzymania temperatury oraz zapewnienia pokarmu i tlenu na długie misje. Wyposażony w silniki pneumatyczne pozwalające uzyskać dodatkową manewrowość.
Skafander orbitalny – lżejszy, nie posiadający tak silnego ekranowania ze względu na planetarne pole elektromagnetyczne.
Skafander środowiskowy dostosowany do atmosfery planety lub warunków na statku kosmicznym czy stacji. Każdy typ atmosfery posiadał by swój skafander przystosowany do tamtejszych warunków. Jako że atmosfera zapewnia znaczne zabezpieczenie przed wahaniami temperatury oraz promieniowaniem były by one prawdopodobnie nie cięższe niż wspomniany we wstępie kostium narciarski z ewentualną możliwością zamontowania dodatkowego opancerzenia. Ze względu na minimalne ograniczenie mobilności pełnił by rolę kostiumu środowiskowego i chroniącego przed niebezpiecznym środowiskiem lub był ubierany na pokładzie statków w przypadku potencjalnego zagrożenia.
Projekt takiego kostiumu jest obecnie realizowany przez MIT pod nazwą BioSuit. Być może w przyszłości napiszę o nim więcej.
Bibliografia:
http://pl.wikipedia.org/wiki/Choroba_kesonowa
http://en.wikipedia.org/wiki/Space_activity_suit
Obrazki z:
WarpSpace 