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Terra – dipendenti

Ora che sappiamo almeno quando sfruttare le finestre utili di lancio per una futura missione su Marte, tralasciamo per ora gli sforzi economici e affrontiamo il problema realizzativo dal puro punto di vista tecnico/scientifico. Possiamo dire che comunque richiede uno sforzo notevole; per questo è opinione della NASA che il progetto di missione va pianificato con estrema cautela e nei minimi dettagli.

La NASA, con il NASA Authorization ACT del 2010 ha intrapreso un lungo progetto chiamato #JourneyToMars, con lo scopo di sviluppare le capacità tecnologiche in grado di portare un equipaggio umano su un asteroide negli anni ’20, quindi, un possibile equipaggio umano su Marte dopo gli anni ’30. E’ un progetto di lunga durata molto ambizioso la cui riuscita, unitamente ad una ferrea forza di volontà, dipenderà anche dai finanziamenti che il Budget federale le mette a disposizione e dalla collaborazione delle altre agenzie spaziali (ESA, Roscosmos) e compagnie private (SpaceX). Il piano della NASA si sviluppa in tre passi fondamentali: Earth Reliant, Providing Ground, Earth Indipendent. Vediamo di spiegare gli obiettivi che si intende raggiunge ad ogni passo.

Noi siamo Terra – Dipendenti: è un dato di fatto. Siamo evoluti e adattati su questo Pianeta in base ai cambiamenti ambientali cui è stato sottoposto per 4,5 miliardi di anni. Per affrontare lo spazio è necessario investire in tecnologie che ci permettano di vivere all’esterno dell’atmosfera terrestre e di testare i risultati non solo in un ambiente simulato, ma anche nello spazio vero e proprio. Dal Novembre 2000, esiste un avamposto spaziale ininterrottamente abitato che orbite sopra la nostra testa a un’altitudine di circa 400 Km: si tratta della ISS. Essa rappresenta un valido campo di prova per testare le apparecchiature scientifiche e tecnologie necessarie per affrontare lo spazio là fuori; inoltre è un banco di prova essenziale per valutare quali sono i cambiamenti biologici e sociali dell’essere umano nelle missioni di lunga durata. L’obiettivo della NASA è prima di tutto sfruttare l’operatività dell’ISS almeno fino al 2024 (durata teorica della stazione spaziale), favorendo anche l’ingresso di società private (ad esempio SpaceX) nel trasporto di attrezzature, risorse ed equipaggio da e verso orbite LEO (Low Earth Orbit) come quella dell’ISS.

L’ISS, che si trova a poche ore di volo dalla Terra (6 ore con una Sojuz), consente di fare attività utili riguardo test su materiali, sistemi di controllo ambientale, riciclo, sviluppo di sistemi per lo spazio profondo, sistemi di life support (tutto ciò che consente all’essere umano di sopravvivere in maniera autonoma in ambiente di microgravità). Nonostante la vicinanza relativa dell’ISS, gli astronauti affrontano in ogni caso una sfida ad altissimo rischio; in previsione di viaggi più lontani (come ad esempio più in la della Luna) e per periodi più lunghi uno studio della NASA ha classificato i potenziali rischi in cinque categorie di base.

 

I rischi nello spazio, secondo uno studio della NASA

I rischi nello spazio, secondo uno studio della NASA. Fonte: nasa.gov

  1. Livello di radiazioni
  2. Assenza o ambienti con bassa gravità
  3. Isolamento
  4. Distanza
  5. Ambiente chiuso e ostile

Radiazioni: nello spazio, gli astronauti si trovano in un ambiente ad alto rischio radiativo, dovuto dalla presenza di due sorgenti principali. La prima è il Sole: periodicamente esso espelle un’enorme quantità di materia che sprigiona un’enorme di energia. Ogni qualvolta avviene un CME (Coronal Mass Ejection), o un flare solare, gli astronauti sono investiti da una miriade di particelle cariche (perlopiù protoni) dannosi per la salute. Nella maggior parte dei casi sono schermati dalla struttura della navicella; inoltre è possibile formulare dei modelli che parzialmente consentono di prevedere questi fenomeni per tempo. La seconda sorgente sono i raggi cosmici, dai quali è più difficile da proteggersi: non si tratta solo di protoni ma anche di nuclei di He che possono colpire la navicella anche a velocità prossime a quella della luce.

Noi sulla Terra siamo protetti dalla magnetosfera, una zona dinamica dello spazio controllata dal campo magnetico terrestre la cui forma è modellata dal vento solare, mentre per gli astronauti in un’astronave in viaggio verso Marte, se non ci sono schermature, sarebbero molto pericolose. Il corpo umano sarebbe in serio pericolo perché procura danni alla salute. Così come ha mostrato un recente studio su topi maschi, (NG di Novembre 2016), l’esposizione per lunghi periodi a dosi elevate di radiazioni porta a:

  • Ansia e disturbi cognitivi.
  • Depressione
  • Capacità decisionali compromesse.
  • Rischio di cancro, nausea, vomito anoressia e insonnia.

Quali sono le possibili soluzioni allo studio?

  1. Aumentare la massa del materiale di cui è rivestita l’astronave; ma questo vuol dire aumentare anche la massa del carico da portare in orbita e quindi maggiore costo. I costi per mandare in orbita una sonda/ astronave dipendono (anche) da quanta massa è costituito il razzo. Per massa intendiamo tutto compreso, quindi sia propellente sia carico utile (payload). Una conseguenza dell’equazione fondamentale del razzo (legge di Tsiolkovsky), segue che la maggior parte della massa è data dal propellente in una percentuale che varia da 85% al 95% a seconda che si utilizzi propellente liquido o solido. In ogni caso, questo vuol quasi dire che circa il 90% del peso è a perdere perché è combustibile che brucia. E’ d’obbligo ottimizzare al meglio la quantità di carico da portare in orbita, altrimenti i costi crescono, e di parecchio.
  1. Una seconda soluzione è di rivestire l’astronave con una sostanza, i cui elementi costituenti, siano (circa) dello stesso ordine di grandezza delle particelle che la colpiscono. Per esempio si può pensare di rivestire l’interno dell’habitat di H2O in maniera opportuna. Questa soluzione ha un duplice scopo: oltre a proteggerci dalle radiazioni, consente agli astronauti di coltivare in loco (parte) delle risorse alimentari di cui hanno bisogno per il viaggio. E’ impensabile, infatti, considerare di trasportare tutte le scorte alimentari per un viaggio di circa 1000 giorni. Certamente, dovranno portarsi da Terra cibi molto energetici disidratati da scaldare al momento, ma provvedere alla propria salute coltivando ortaggi e verdure garantiscono l’auto sostentamento e alza il morale.
  1. L’ultima soluzione c’è data dalle nano tecnologie: si pensa di creare materiale costituito da nano tubi di carbonio, boro e azoto, in cui intrappolato nella struttura atomica interna c’è un atomo di idrogeno n grado (per urti) di respingere le radiazioni.

In ogni caso, per maggior sicurezza, la NASA pensa che una soluzione integrativa possa venirci di aiuto con la farmacologia, con un trattamento medico con pillole.

Gravità: siamo così abituali alla gravità sulla Terra sin da quando siamo nati, che ci rendiamo conto in poche occasioni (quando soffrite di mal di schiena la gravità si sente eccome !!!!). Ma nello spazio, e in ottica di una missione di andata e ritorno da Marte, gli astronauti devono trascorrere il viaggio a gravità zero, arrivare su Marte con una gravità circa 30% di quella terrestre, quindi nuovamente a gravità. L’assenza di gravità, o anche solo la permanenza in ambienti di microgravità come l’ISS, influisce negativamente sull’orientazione spaziale, sulla vista e sull’equilibrio. Le ossa perdono minerali, la densità ossea diminuisce di circa 1% al mese con il rischio di osteoporosi.

I muscoli si atrofizzano, quindi è necessario fare una continua attività fisica giornaliera per rimanere in forma; i bulbi oculari s’ingrossano, col risultato che cambia la qualità della vista (la gradazione degli occhiali da vista non va più bene). Per recuperare il calcio perso bisogna integrare l’alimentazione con vitamina D, inoltre il comportamento dei fluidi nello spazio in ambiente di microgravità è diverso da quello terrestre. Questo significa che il sangue scorre in maniera differente, tende ad accumularsi verso l’alto (la gravità è minore), quindi il viso tende a ingrossarsi. Il sangue è costituito anche dall’emoglobina, cui si lega il ferro (che serve per trasportare l’ossigeno). Un accumulo di sangue comporta anche un accumulo di ferro; quando il Fe è in eccesso, gli organi non funzionano più bene, s’ingrossano e si rischia l’emacromatosi.

Tim Peake ha corso la maratona di Londra

Tim Peake ha corso la maratona di Londra 2016 in 3h 35m dalla ISS. Fonte: BBC

Isolamento: per più di 1000 giorni un gruppo di persone sono state rinchiuse in un ambiente ristretto dell’habitat o confinate in un ambiente ostile come quello marziano isolate da tutti. Per la buona riuscita della missione è fondamentale la cooperazione fra tutti gli elementi dell’equipaggio, quindi bisogna cercare di evitare problemi di umore e ridurre gli attriti dovuti a problemi interpersonali. Bisogna collaborare per la sopravvivenza. A oggi una delle missioni umane nello spazio di durata più lunga è quella di Scott Kelly e Michail Kornienko: 340 giorni nello spazio, circa 1/3 della durata di una missione marziana (essendo inoltre al riparo da radiazioni). Scott Kelly inoltre possiede un fratello (anch’esso astronauta) e questo ha permesso ai ricercatori della NASA di cogliere “due piccioni con una fava”, poiché hanno potuto studiare meglio gli effetti della lunga permanenza spaziale di Scott per confrontare i risultati con quelli di suo fratello che è geneticamente simile (l’hanno usato come campione umano di confronto).

 I gemelli Scott e Mark Kelly

I gemelli Scott e Mark Kelly. Fonte: nasa.gov

Distanza: Marte si trova a milioni di Km dalla Terra, anche quando è più vicino a noi. Con queste distanze gli astronauti devono essere in grado di cavarsela da soli, in ogni senso. Essi devono essere addestrati per fare autoanalisi medica con scanner medicali. Già oggi gli astronauti diretti verso l’ISS devono frequentare e passare esami di medicina per essere pronti alle prime emergenze; in una spedizione di tre membri, due di essi devono essere CMO (Chief Medical Office) in grado di compiere le prime operazioni mediche quali suturare una ferita, estrarre un dente e sistemare una slogatura. Samantha Cristoforetti, per esempio, era uno dei due CMO di missione. Ovviamente nel caso di un viaggio verso Marte, queste competenze non sono sufficienti perché in caso di complicanze o situazioni più gravi ancora oggi non è possibile un intervento chirurgico in microgravità: rimane un problema aperto da affrontare. Un secondo problema a cui vanno incontro gli astronauti dovuta alla distanza riguarda il loro comportamento ed interazioni sociali. Le attuali missioni spaziali, compreso il progetto Apollo, hanno tutte una caratteristica in comune: la Terra è sempre (o sempre stata) ben visibile dall’equipaggio per tutta la missione. Questo ha costituito un punto di riferimento per gli astronauti, facendoli sentire psicologicamente “meno lontani”, avendo la Terra a portata di ore (o pochi giorni) di viaggio. Su Marte la Terra non è più in vista (a meno di confonderla come un puntino appena luminoso nei bluastri tramonti marziani); questo può portare a depressione e senso di smarrimento. E’ un effetto che gli psicologi chiamano “Terra fuori vista”.

La Terra vista da Marte

La Terra vista da Marte dopo il tramonto in un’immagine scattata da Curiosity. Fonte: NASA/JPL

Ambiente chiuso/ostile: in ambiente terrestre sappiamo già cosa può conseguire vivere in un ambiente chiuso: maggior probabilità di trasferimento di malattie e allergie. Possiamo immaginarci cosa succederebbe se una qualunque malattia si diffonde all’interno dell’equipaggio al contatto con gli altri o all’interno di un ambiente alieno come la superficie marziana (sappiamo che a ora, Marte è biologicamente morto, ma non sappiamo come si comporterebbero virus terrestri cresciuti in ambiente marziano). Per analizzare meglio i comportamenti umani e simulare le condizioni di un viaggio/permanenza su Marte, sulla Terra sono nati diversi progetti sotto l’egida di enti spaziali o associazioni no profit (anche di dubbio valore) in stile “Grande Fratello” per modellizzare e analizzare tutti questi aspetti umani. I primi esperimenti sono nati agli inizi degli anni ’90, ad esempio Biosfera 2, son falliti miseramente ma hanno avuto il merito di aver portato alla luce nuovi problemi inizialmente ignorati come la pressurizzazione, perdita di O2 dalla struttura di contenimento, crescita delle piante, …

Fra gli esperimenti portati aventi da agenzie spaziali per esempio, si possono elencare il progetto Mars500 (2007 – 2009) presso Roscomos volta proprio a simulare le dinamiche di un ambiente chiuso e Mars160, una missione di 120 giorni nel deserto dello Utah, dove 7 persone con tute e quant’altro, dovevano affrontare un programma di esplorazione geologica con le stesse condizioni che un equipaggio umano dovrà affrontare su Marte.

Dal 2010 sulla ISS è presente un’apparecchiatura in grado di riciclare H2O.

Dal 2010 sulla ISS è presente un’apparecchiatura in grado di riciclare H2O. Fonte: salon.com

In ogni caso, per affrontare il passo successivo, sarà obbligatorio adottare metodologie di sviluppo sostenibili, quali il riciclaggio e filtraggio dei fluidi (H2O, urina, …), migliorare i sistemi d’isolamento, introdurre tecniche di modularità e ridondanza degli strumenti e ottimizzazione dei materiali (logistica). Si tratta quindi di un continuo impegno di tutti per affrontare nuove sfide.

(continua qui)

Riferimenti e bibliografia