Skafandry kosmiczne, dzięki którym ludzkość sięgnie gwiazd

Droga do gwiazd jest kręta. Poza Ziemią na człowieka czeka wiele niebezpieczeństw, ale wytrwałość i chęć przekraczania barier wciąż pcha nas do przodu. Intensywna era podboju kosmosu wcale nie skończyła się wraz z postawieniem przez Amerykanów nogi na Księżycu. W XXI wieku trwa nadal. Posłaliśmy sondę poza granice Układu Słonecznego, badamy sąsiadujące planety, a po Marsie z naszym przyzwoleniem szaleje jeden z najbardziej zaawansowanych technologicznie robotów. To wszystko jest jednak niczym bez misji załogowych. A astronauci, szczególnie w kosmosie, muszą być dobrze ubrani.

Dobrze nie znaczy jednak stylowo, a odpowiednio do okoliczności. A te bez wątpienia są niezwykłe. W przestrzeni kosmicznej nie ma atmosfery, nie odczuwa się przyciągania, mimo iż ono istnieje (im dalej od ciała niebieskiego, tym słabsze) i panuje próżnia. Bez odpowiedniego skafandra zatrzymanie funkcji życiowych nastąpiłoby po około 2 minutach. Gdyby ludzkość nie wynalazła tych strojów ochronnych, o jakimkolwiek podboju kosmosu nie byłoby mowy. Skafandry kosmiczne to prawdopodobnie najważniejszy element układanki przyszłych misji załogowych na inne planety.

LES i ACES

Jednym z największych zagrożeń czyhających na astronautów w przestrzeni kosmicznej są drastyczne zmiany ciśnienia. Nieplanowana dekompresja w takich warunkach powoduje wyjątkowo nieprzyjemną śmierć. Budująca nasz organizm woda paruje i próbuje wydostać się poza powłoki ciała. Ciśnienie rozrywa pęcherzyki płucne, a cała woda się gotuje. Prowadzi do dysfunkcji krążeniowo-oddechowej i ostatecznie zatrzymania pracy serca.

• Zobacz również: Kto zabierze nas w kosmos?

Okazuje się jednak, że niebezpieczeństwa na astronautów czyhają także wewnątrz statku kosmicznego. Odpowiednie zabezpieczenia NASA stosuje od roku 1988 r., kiedy to wprowadzono Launch Entry Suit (LES), czyli pierwszy w historii skafander kosmiczny do aktywności pokładowej, o charakterystycznej, pomarańczowej barwie. Dzięki niemu, astronauci mogli poruszać się po statku kosmicznym podczas lotu, a nie być skrępowanym do momentu lądowania.

W roku 1994 wprowadzono dodatkowe usprawnienie, tzw. kostium-dynię, czyli Advanced Crew Escape Suit (ACES). NASA stosowała go dla astronautów przebywących na pokładzie promów kosmicznych aż do 2011 r. Pod względem konstrukcyjnym, ACES był podobny do kombinezonów stosowanych przez pilotów samolotów Lockheed SR-71 Blackbird, Lockheed U-2 czy North American X-15 i poprzedników LES. Jak sama nazwa wskazuje, kombinezony ACES były wyposażone w zestaw ratunkowy, który w przypadku awarii na promie mógł zapewnić astronautom bezpieczny skok ze spadochronem. Sam kombinezon ważył 12,7 kg, a zestaw ratunkowy 29 kg. W przypadku sytuacji awaryjnej, astronauta musiał udźwignąć na swoich barkach ponad 40 kg.

EMU

Prawdopodobnie najbardziej rozpoznawalne skafandry kosmiczne to Extravehicular Mobility Unit (EMU). Do dzisiaj są one na wyposażeniu Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS) i umożliwiają dokonywania spacerów kosmicznych. Podobnie jak rosyjski Orłan, kombinezon waży ponad 100 kg. A przecież często noszą go wyglądający na wątłych astronauci.

EMU jest samodzielnym, antropomorficznym systemem, który zapewnia ochronę środowiskową, mobilność, podtrzymywanie życia i komunikację albo z resztą załogi (podczas spacerów kosmicznych), albo zespołem operacyjnym na Ziemi. EMU jest dwuczęściowym, półsztywnym skafandrem kosmicznym – składa się konstrukcji Twardego Górnego Torsu (HUT), Podstawowego Systemu Podtrzymywania Życia (PLSS), osłony przeciwsłonecznej (EVVA), Miękkiej Konstrukcji Torsu (LTA), Uszczelki Zamknięcia Ciała (BSC), łożyska talii, osłony krocza, nogawek i butów. Przed założeniem EMU, członkowie załogi ubierają Odzież Maksymalnej Absorpcji (MAG), Bieliznę Kontroli Termicznej i Odzież Chłodzenia Cieszą i Wentylacji (LCVG).

• Zobacz również: 10 niezwykłych laboratoriów naukowych

Całkowita waga skafandra EVA, które były na wyposażeniu wahadłowca wynosiła 115 kg. Skafander pozwalał na 480 minut podstawowego podtrzymywania życia i dodatkowe 30 minut rezerwy. Kombinezony, z których korzysta się do dzisiaj na ISS ważą więcej, bo aż 124,7 kg. Podobnie jak te z wahadłowców pozwalają na 480 minut standardowego podtrzymywania życia z 30-minutowym zapasem. NASA będzie korzystała z EMU do końca budowy ISS, ale już powoli przygotowuje się do programu Constellation, który ma rozpocząć się w 2015 r. Obejmie on ISS, Księżyc i Marsa.

Seria Z

Skafandry kosmiczne Constellation wywodzą się ze skafandrów ACES oraz rozwijanych i testowanych kombinezonów Mark III oraz I-Suit. To one będą stanowić podstawowe wyposażenie przyszłych załogowych misji kosmicznych. Założą je nie tylko silni zawodowcy, ale również kosmiczni turyści, którzy prędzej czy później wydostaną się poza Ziemię.

Nowe, uniwersalne skafandry, które w zależności od konfiguracji, są w stanie chronić astronautów podczas startu rakiety, nagłych wypadków w trakcie lotu, wejścia w atmosferę, lądowania i stanu mikrograwitacji, będą zmodyfikowanymi wersjami kombinezonów ACES i EMU.

• Zobacz również: Drony w służbie armii

Firma SpaceX, która zajmuje się lotami na Międzynarodową Stację Kosmiczną, a wkrótce zabierze na swoje statki kosmicznych turystów, złożyła zamówienie na nowy typ skafandrów. Ich wykonawcą będzie firma Orbital Outfitters, która zadba zarówno o projekt, jak i wykonanie kombinezonów. To tylko jeden z licznych podpisanych już kontraktów – coraz więcej prywatnych graczy chce zabrać w przestrzeń kosmiczną zwykłych Kowalskich. Pewnego dnia prawdopodobnie będzie to realne, ale wszystkich, nawet „niedzielnych astronautów” będzie trzeba w coś ubrać.

Zupełnie inny problem ma przed sobą NASA planująca załogowe wyprawy i lądowanie na obiektach innych niż Ziemia. O planach kolejnych misji na Księżyc i Marsa słyszy się coraz więcej, ale prawdziwą bombą naukową może być wyprawa na asteroidę. Astronauta ubrany w klasyczny kombinezon EMU raczej nie przerwa na niej zbyt długo, dlatego rozwijane są kolejne pomysły. Doskonałym pomysłem są skafandry kosmiczne z serii Z do przebywania w warunkach mikrograwitacji. Podstawowy model – Z-1 – został zaprojektowany, by zapewnić astronautom jak największą mobilność i jak najszersze pole widzenia – stąd sporych rozmiarów szklany hełm. Prawdziwą innowację stanowi jednak specjalny owalny dock na plecach stroju, dzięki któremu wyjście ze skafandra będzie znacznie łatwiejsze. Co więcej, skafandry będą mogły stale znajdować się poza statkiem macierzystym. Zajmujące zazwyczaj dużo miejsca specjalne śluzy znikną zarówno ze statków, jak i stacji kosmicznych.

NASA już prowadzi badania nad kolejną generacją kombinezonu – Z-2, a nawet Z-3. To właśnie trzecia iteracja ma być ostatecznym ogniwem ewolucji skafandrów kosmicznych. Inauguracyjny spacer kosmiczny w tej wersji kombinezonu odbędzie się w 2017 r. z pokładu ISS.

Melodie przyszłości

Większość skafandrów kosmicznych, nad którymi się pracuje są tak naprawdę swoistymi pancerzami o kształcie zbliżonym do ludzkiej sylwetki. Poruszanie się w nich wymaga ogromnych nakładów energii, przez co odbycie naprawdę długiego spaceru nie wchodzi w grę. Ten dyskomfort starają się zniwelować od 1999 r. naukowcy z MIT. Jednym z najbardziej obiecujących projektów jest BioSuit. Uczeni przekonują, że dzięki wytwarzaniu odpowiedniego ciśnienia poprzez nacisk, poruszający się w nim człowiek zużywałby aż 1/3 energii obecnie marnowanej przez astronautów.

Niestety, przylegające do ciała kombinezony wymagają zupełnie nowych materiałów, które jednocześnie dopasują się do krzywizn ludzkiego ciała i umożliwią swobodny ruch. Jednym z potencjalnie zastosowanych materiałów jest elastomer dielektryczny, który może zmniejszać i zwiększać swoją objętość, pod wpływem prądu elektrycznego. Inną opcją są hybrydowe stopy materiałowe z pamięcią kształtu. Ich wytwarzanie jest jednak niezwykle drogie, zatem do komercyjnego użytku raczej nie mogłyby zostać zastosowane.

• Zobacz również: Czy sterowce znów wzbiją się w powietrze?

Spore nadzieje wiąże się również z nanotechnologią. Takahiko Hariyama prowadzi zaawansowane prace nad skafandrem o grubości kilku nanometrów. Póki co udało się stworzyć specjalny kostium dla larwy owada, jednak niewykluczone, że jeszcze przed 2030 r. powierzchnię będzie można kilkukrotnie powiększyć. To jednak melodia przyszłości, nie do spełnienia przy naszym obecnym stanie wiedzy.

A może wszystkie te starania o budowę skafandra kosmicznego doskonałego są zbyteczne? Może rozwiązaniem na wszystkie problemy człowieka w kosmosie jest oszukanie jego fizjologii. Przecież opracowanie substancji, która w jakiś sposób zatrzymywałaby wodę w naszym organizmie, stale nawilżała płuca i zabezpieczała krew przed ugotowaniem, nie jest nierealne. Wszyscy żyjemy w świecie, w którym słowo „niemożliwe” staje się archaizmem.