Sopravvivenza nello spazio

Sopravvivere nello spazio per alcuni secondi è possibile, rimane il fatto che non sia un’esperienza piacevolissima.
L’embolia, la formazione di bolle nei liquidi corporei a causa della ridotta pressione ambientale, è la componente più forte di questa esperienza. Tecnicamente, l’embolia si può verificare ad altitudini superiori ai 19 km o a pressioni inferiori ai 6,3 kPa (47 mmHg),noto come limite di Armstrong. Gli esperimenti con animali hanno rivelato una serie di sintomi che potrebbe applicarsi anche agli esseri umani. Il meno grave di questi è il congelamento delle secrezioni corporee a causa del raffreddamento per evaporazione.Ma sintomi gravi come la perdita di ossigeno nei tessuti(anossia)e aumento del volume corporeo si verificano entro 10 secondi, seguiti da insufficienza circolatoria e paralisi flaccida in circa 30 secondi.
I polmoni collassano (atelettasia) in questo processo, ma continueranno a rilasciare vapore acqueo che porterà al raffreddamento e formazione di ghiaccio nel tratto respiratorio.

Una stima approssimativa è che un essere umano avrà circa 90 secondi per essere ricompresso, dopo di che la morte sarà inevitabile. L’assenza di ossigeno al di fuori del corpo, causando una rapida de-ossigenazione del sangue (ipossia), porterà all’incoscienza, entro 14 secondi.
Se una persona è esposta a basse pressioni più lentamente, l’ipossia causa una graduale perdita delle funzioni cognitive a partire da pressioni equivalenti a quelle che si trovano a circa 3 chilometri di quota. Effetti meno gravi includono la formazione di bolle di azoto nel sangue (malattia da decompressione),che, ironicamente, è meno grave nello spazio che in immersione. Nel frattempo, la riduzione dei livelli di anidride carbonica nel sangue (ipocapnia) possono alterare il pH di esso e, indirettamente, contribuiscono a disfunzioni del sistema nervoso. Se la persona cerca di trattenere il respiro durante la decompressione, i polmoni possono rompersi internamente.

Pochi umani hanno sperimentato queste condizioni. Joseph Kittinger subì diverse embolie localizzate nel corso di una salita di 31 km con un pallone ad elio. Il suo guanto destro non è riuscito a mantenere la pressione e la sua mano si gonfiò fino a raddoppiare il suo volume normale, il tutto accompagnato da dolori invalidanti.
La sua mano ha richiesto circa 3 ore per recuperare il volume normale dopo il suo ritorno a terra. Altre due persone sono state decompresse accidentalmente durante l’addestramento per le missioni spaziali, ma entrambi gli incidenti sono durati meno di 5 minuti, e le vittime sono sopravvissute.
Sulla Stazione Spaziale Internazionale e sugli Space Shuttle gli astronauti lavorano regolarmente in Extravehicular Mobility Unit (EMU o tute spaziali) che mantengono pressioni di circa il 30% rispetto a quella sulla navicella per facilitare la mobilità, senza avvertire i sintomi da malattia da decompressione in maniera evidente.
Ad oggi, i soli esseri umani morti per esposizione allo spazio sono i tre membri dell’equipaggio della navicella Soyuz 11: Vladislav Volkov, Georgi Dobrovolski e Viktor Patsayev. Durante il rientro il 30 giugno 1971, una falla nella navicella causò una violenta depressurizzazione che provocò la morte di tutto l’equipaggio.

La decompressione è un problema serio nel corso delle attività extra-veicolari (EVA) degli astronauti. Il design attuale delle UEM prende questa e altre questioni in considerazione, e si è evoluto nel tempo. Una delle sfide principali è stata cercare di aumentare la mobilità dell’astronauta (che è ridotta nelle EMU ad alta pressione, per farvi capire è più facile deformare un pallone quasi sgonfiato rispetto ad uno supergonfio) minimizzando i rischi di decompressione. Gli scienziati hanno risolto il problema isolando il casco dal resto della tuta, e portandolo ad una pressione di circa 71 kPa (10.3 psi), e pressurizzando il resto della tuta ad una pressione di 29,6 kPa (4.3 psi). In questo progetto, la pressurizzazione del tronco potrebbe essere ottenuta meccanicamente, evitando la riduzione della mobilità associata alla pressurizzazione pneumatica.

Le variazioni di temperatura estreme sono un problema nello spazio, perché lo scambio di calore avviene principalmente per irradiamento.
L’assenza di convezione e conduzione provoca un effetto isolante impedendo una rapida dissipazione del calore corporeo, un surriscaldamento localizzato si può verificare se il corpo esposto a luce stellare ad una distanza paragonabile a quella Terra-Sole.
E, nel caso peggiore, la perdita per radiazione del calore corporeo può avvicinarsi ai 1.000 watt, data una temperatura cutanea di 37 gradi Celsius ed una superficie corporea di 2 metri quadrati.

Un grave effetto a lungo termine sarebbe l’esposizione diretta ai fotoni ad alta energia (raggi ultravioletti, raggi X e gamma) e a particelle subatomiche (protoni principalmente).
Questi possono permanentemente denaturare il DNA e altre molecole cellulari attraverso interazioni atomiche e nucleari. L’esposizione prolungata e la capacità di fotoni X e gamma di penetrare l’intero corpo può causare morte per insufficienza organica, mentre l’esposizione a breve termine anche può causare il cancro.
Niente Fantastici 4 nella realtà, mi dispiace.

Insomma, senza tuta si muore, in un modo o nell’altro.

Il sistema di supporto vitale (Life Support System) è un insieme di dispositivi che permettono ad un umano di sopravvivere nello spazio.
La NASA utilizza l’acronimo ECLSS (Environmental Control and Life Support System). Il sistema di supporto vitale dovrebbe fornire aria, acqua e cibo.
Deve anche provvedere a fornire una corretta temperatura per il corpo, una pressione accettabile per un essere umano e deve anche occuparsi dei rifiuti corporei prodotti. E’ necessario anche un sistema di protezione contro influssi esterni nocivi come le radiazioni e i micrometeoriti.

Il sistema di supporto vitale mantiene un’atmosfera composta almeno da ossigeno, vapore acqueo e anidride carbonica. La somma delle pressioni parziali di ogni gas dà la pressione barometrica totale.
Riducendo o omettendo i diluenti (altri gas oltre all’ossigeno, quali azoto e argon) la pressione totale può essere ridotta fino a un minimo di 21 kPa, la pressione parziale dell’ossigeno al livello del mare nell’atmosfera terrestre.
Questa operazione permette di alleggerire le strutture spaziali, ridurre le perdite e semplificare il sistema di supporto vitale.

In ogni caso, l’eliminazione di gas diluenti aumenta in maniera esponenziale il rischio di incendi, specialmente in operazioni a terra dove, per ragioni strutturali, la pressione interna deve essere superiore a quella esterna.
Per questa ragione le navicelle spaziali più recenti hanno un’atmosfera convenzionale composta da una miscela di ossigeno e azoto, e l’ossigeno puro viene utilizzato solo nelle tute pressurizzate durante le attività extra-veicolari dove per avere una flessibilità accettabile della tuta è obbligatoria una pressione interna più bassa possibile.

In passato l’ossigeno puro veniva tranquillamente utilizzato per pressurizzare le navicelle, ma dopo numerosi incidenti con le Soyuz (alcuni tenuti sotto segreto militare fino agli anni ’90) e il tremendo incidente con l'Apollo 1 questa soluzione venne -fortunatamente- abbandonata.

Vivendo sulla Terra noi sentiamo costantemente l’attrazione gravitazionale e il nostro corpo reagisce automaticamente per mantenere la postura e la locomozione in un mondo che tira verso il basso. In ambienti in microgravità, questi segnali costanti a cui il corpo è abituato sono assenti. Gli otoliti, organi dell’orecchio, sensibili alle accelerazioni lineari non percepiscono più una tendenza verso il basso, i muscoli non sono più obbligati a contrarsi per mantenere la postura e la pressione dei recettori nei piedi e nelle caviglie non è più il segnale che ci indica il basso.
Questi cambiamenti possono provocare immediatamente un’illusione moto-visiva in cui l’astronauta si sente come se si fosse girato di 180 gradi.
Col tempo però il cervello si adatta, anche se queste illusioni possono continuare a verificarsi in alcuni casi, e gli astronauti iniziano ad intendere il “giù” come la posizione in cui si trovano i loro piedi.
Persone che ritornano sulla Terra dopo lunghi periodi di assenza di peso inizialmente hanno grandi difficoltà a mantenere il loro equilibrio, ma lo recuperano molto velocemente, mettendo in evidenza la notevole capacità del corpo umano di adattarsi.
Più della metà degli astronauti mostra anche sintomi di mal d’auto per i primi tre giorni di viaggio a causa del conflitto tra ciò che il corpo si aspetta e ciò che il corpo percepisce realmente.

Il secondo effetto dell’assenza di peso avviene nei fluidi umani. Il corpo è composto da 60% di acqua, in gran parte intra-vascolare ed inter-cellulare.
Nei primi momenti in cui si viene esposti ad un ambiente di microgravità, il liquido viene immediatamente ri-distribuito nella parte superiore del corpo con un conseguente rigonfiamento delle vene del collo, del viso e del seno (Hey! Non c’è niente da ridere!), provocando una forte congestione nasale che può durare per tutta la durata del viaggio, l’insieme dei sintomi ricorda quelli causati dal comune raffreddore.
Nello spazio le reazioni autonomiche del corpo per mantenere la pressione del sangue non sono necessarie e il fluido viene distribuito più ampiamente per tutto il corpo. Questo si traduce in una diminuzione nel plasma (acqua nel sangue) ad volume di circa il 20%. Questi spostamenti di fluidi avviano una cascata di effetti sistemici adattativi che possono essere pericolosi al successivo rientro sulla Terra. L’intolleranza ortostatica viene riscontrata in molti astronauti di ritorno sulla Terra dopo lunghe missioni spaziali, spesso non sono in grado di stare senza assistenza per più di 10 minuti alla volta senza svenire. Ciò è dovuto in parte a modifiche del regolamento autonomo della pressione arteriosa e alla perdita di volume plasmatico. Sebbene questo effetto si aggrava proporzionalmente al tempo trascorso nello spazio, tutti gli individui sono tornati alle loro condizioni normali entro due settimane dall sbarco.

Il terzo -e più preoccupante- effetto di una lunga permanenza in assenza di peso coinvolge ossa e muscoli.
Senza gli effetti della gravità, i muscoli scheletrici non sono più necessari per mantenere la nostra postura e i gruppi muscolari utilizzati per muoversi in un contesto di assenza di peso sono molto diversi da quelli richiesti nella locomozione terrestre.

Di conseguenza alcuni muscoli atrofizzano rapidamente. Anche i tipi di fibra muscolare nei muscoli cambiano. Fibre a contrazione lenta e a con molta resistenza utilizzate per mantenere la postura sono sostituite da fibre specializzate nelle contrazioni rapide, fibre che sono insufficienti ed inadatte per qualsiasi lavoro pesante. Il metabolismo osseo cambia di pari passo. Normalmente l’osso è sviluppato neella direzione della sollecitazione meccanica, tuttavia in un ambiente di microgravità c’è ben poco stress meccanico.
Ciò si traduce in una perdita di tessuto osseo pari a circa l’1,5% al mese, soprattutto nella parte bassa, vertebre, anca e femore. Elevati livelli di calcio nel sangue, causati dalla perdita di tessuto osseo, possono portare a pericolose calcificazioni dei tessuti molli e alla potenziale formazione di calcoli renali. Non è ancora noto se il tessuto osseo guarisce completamente.

Una volta tornati sotto la gravità terrestre la perdita di ossa e muscoli rende molto difficile per gli esseri umani muoversi e persino respirare.

L’assenza di peso non è l’unico fattore ad incidere sul corpo umano nello spazio. Senza la protezione dell’atmosfera terrestre e della magnetosfera gli astronauti sono esposti ad elevati livelli di radiazione attraverso un costante flusso di raggi cosmici che rappresentano una grave minaccia per la salute.
In un anno in un’orbita terrestre si assorbe una dose di radiazioni 10 volte superiore alla dose annuale sulla Terra, ciò porta un rischio elevato di sviluppare il cancro fra gli astronauti. Alti livelli di radiazione sono in grado di creare aberrazioni cromosomiche nei linfociti del sangue.
Queste cellule sono fortemente coinvolti nel sistema immunitario e quindi i danni possono contribuire alla bassa immunità riscontrata fra gli astronauti.
L’immunodeficienza porta alla rapida diffusione delle infezioni tra i membri dell’equipaggio, soprattutto in aree ristrette come le navicelle. Le radiazioni sono state collegate di recente alla maggiore incidenza della cataratta fra gli astronauti. Una schermatura di protezione e alcuni farmaci possono ridurre i rischi per gli astronauti a un livello accettabile, ma i dati sono scarsi e un’esposizione molto prolungata si tradurrà in un esponenziale aumento dei rischi.

Uno degli effetti della microgravità sugli esseri umani è che alcuni astronauti segnalano un cambiamento del loro senso del gusto nello spazio.
Alcuni astronauti scoprono che il loro cibo è più dolce, altri ritengono che i loro cibi preferiti non sono più così buoni, alcuni astronauti amano mangiare determinati alimenti che normalmente non amerebbero mangiare e alcuni non trovano alcun cambiamento. La ragione di tutto questo è incerta, e diverse teorie sono state suggerite:
_Congestione: la microgravità potrebbe causare un accumulo di liquido nei seni nasali, cambiando il sapore in modo simile a come cambia se tieni chiuso il naso mentre mangi.
_Degradazione dei prodotti alimentari in orbita: il cibo spesso è conservato per alcuni mesi prima di essere consumato. Questo e la radiazione stellare può provocare il deterioramento nei gruppi di sostanze chimiche che danno al cibo il suo sapore.
_Noia: i menù per gli astronauti della ISS sono previsti in un ciclo di 8 giorni a ripetizione, che vengono selezionati da un menu progettato da NASA, e portato nello spazio con l’astronauta. Questa ripetizione costante può portare alcuni astronauti a stancarsi del cibo che in precedenza era piaciuto. O poverini! Si stancano del cibo? Diamogli da mangiare solo del sedano la prossima volta, vediamo se continuano a lamentarsi.
_Cambiamenti psicologici: la perdita del gusto può essere un fatto puramente psicologico.

Gli astronauti spesso scelgono alimenti dal sapore forte come la salsa chili o il cocktail.di gamberi.

I problemi legati alle radiazioni cosmiche saranno facilmente risolti con dei migliori sistemi di schermatura.
Il problema principale è la microgravità, ma ci sono due modi per risolverlo.

Il cinema ci insegna che sulle astronavi avremo una gravità artificiale creata da delle piastre di gravità.
Sì certo, e mio nonno era un flipper.
L’unico tipo di gravità artificiale che mai saremo in grado di creare sarà quella generata dalla forza centrifuga.
Abbiamo già la tecnologia per usarla, ma sulla ISS non viene applicata perché non permetterebbe tutti gli esperimenti scientifici sugli effetti della microgravità.
In futuro si potranno creare colonie spaziali che sviluppano una gravità artificiale ruotando su se stesse, esattamente come ci viene mostrato nel’anime Gundam.

Ma un metodo ancora più semplice -in teoria- sarebbe creare delle colonie su dei pianeti extra-terrestri, in tal modo si eliminano i problemi legati alla gravità e alle risorse delle materie prime.

Per la permanenza della vita umana nello spazio, l’habitat scelto deve avere determinate caratteristiche essenziali, come ad esempio la biodiversità. Deve cioè ospitare specie non umane, microrganismi e una notevole varietà di piante.

Il rapporto tra organismi, il loro habitat e l’ambiente esterno non-terrestre possono essere di diverso tipo:
_Con gli organismi e il loro habitat completamente isolati dall’ambiente esterno (come nell’esperimento Biosfera 2)
_Cambiando l’ambiente per trasformarlo in uno compatibile con la vita (tramite un procedimento chiamato terraforming)
_Cambiando gli organismi per farli diventare compatibili con l’ambiente (ad esempio importando l’organismo nell’habitat, oppure tramite l’ingegneria genetica).
È possibile anche una combinazione di questi tre tipi.

Un altro attributo, facoltativo ma molto auspicabile, è l’autoreplicazione, perché permette un aumento esponenziale nelle colonie. Si potrebbe discutere se la costruzione di una colonia sia il primo atto di autoreplicazione terrestre oppure no.
L’antropologo John Moore stimò che una popolazione di 150-180 individui permetterebbe una riproduzione normale per 60-80 generazioni (circa 2000 anni).