Sinds astronauten voor langere tijd naar de ruimte gingen, is het bekend dat langdurige blootstelling aan zwaartekracht of microzwaartekracht gepaard gaat met een deel van de gezondheidseffecten. Deze omvatten spieratrofie en verlies van botdichtheid, maar strekken zich ook uit naar andere delen van het lichaam, wat leidt tot verminderde orgaanfunctie, circulatie en zelfs genetische veranderingen.
Om deze reden zijn er aan boord van het International Space Station (ISS) talloze onderzoeken uitgevoerd om de omvang van deze effecten te bepalen en welke strategieën kunnen worden gebruikt om ze te verminderen. Volgens een nieuwe studie die onlangs in de International Journal of Molecular Sciences, een team van door NASA en JAXA gefinancierde onderzoekers liet zien hoe kunstmatige zwaartekracht een belangrijk onderdeel zou moeten zijn van toekomstige langetermijnplannen in de ruimte.
Zoals opgemerkt, is er veel onderzoek gedaan om de effecten van microzwaartekracht op het menselijk lichaam te identificeren en te kwantificeren. Een goed voorbeeld hiervan is de Twins-studie uitgevoerd door NASA's Human Research Program (HRP), die de effecten op het lichaam van astronaut Scott Kelly onderzocht nadat hij een jaar aan boord van het internationale ruimtestation was geweest - met zijn tweelingbroer Mark Kelly als controle. .
Deze en andere onderzoeken hebben bevestigd dat blootstelling aan microzwaartekracht niet alleen de botdichtheid en spiermassa kan beïnvloeden, maar ook de immuunfunctie, bloedoxygenatie, cardiovasculaire gezondheid en zelfs mogelijke genomische en cognitieve veranderingen. Bovendien is gezichtsvermogen ook iets dat kan worden beïnvloed door de tijd die in de ruimte wordt doorgebracht, wat het gevolg is van minder circulatie en zuurstof die het oogweefsel bereiken.
In feite heeft ongeveer 30% van de astronauten op korteafstandsvluchten (ongeveer twee weken) en 60% op langdurige missies naar het ISS melding gemaakt van een verminderd gezichtsvermogen. In reactie daarop bevelen professor Michael Delp - de decaan van het College of Human Sciences aan de Florida State University (FSU) en een co-auteur van het papier - en zijn collega's aan dat kunstmatige zwaartekracht wordt opgenomen in toekomstige missies.
Al jaren, en met de steun van NASA, bestudeert Delps het effect dat microzwaartekracht heeft op het gezichtsvermogen van astronauten. Zoals hij zei in een recent persbericht van FSU News:
'Het probleem is dat hoe langer de astronauten in de ruimte zijn, hoe groter de kans dat ze een visuele beperking ervaren. Sommige astronauten zullen herstellen van visusveranderingen, maar andere niet. Dit is dus een hoge prioriteit voor NASA en ruimtevaartorganisaties wereldwijd. Met deze toepassing van kunstmatige zwaartekracht, ontdekten we dat het niet volledig veranderingen in het oog voorkwam, maar we zagen de slechtste resultaten niet. "
Om te bepalen of kunstmatige zwaartekracht deze effecten zou verminderen, werkte Delp samen met onderzoekers van de Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) in een allereerste samenwerking. Ze werden vergezeld door professor Xiao Wen Mao (hoofdauteur van de studie) van de Linda Loma University, evenals leden van de University of Arkansas for Medical Sciences, het Arkansas Children’s Research Institute en de University of Tsukuba.
Het team onderzocht vervolgens veranderingen in het oogweefsel van muizen nadat ze 35 dagen aan boord van het ISS hadden doorgebracht. De proefpersonen bestonden uit 12 negen weken oude mannelijke muizen die uit het Kennedy Space Center werden gevlogen en die werden ondergebracht in de muizen-Habitat Cage Unit (HCU) in het JAXA “Kibo” -laboratorium op het ISS. In de loop van hun verblijf werden de muizen in twee groepen verdeeld.
Terwijl de ene groep leefde onder omgevingsomstandigheden met microzwaartekracht, woonde de andere in een centrifugale habitateenheid die 1 produceerde g van kunstmatige zwaartekracht (het equivalent van de zwaartekracht van de aarde). Hieruit ontdekte het onderzoeksteam dat de eerste groep schade opliep aan de bloedvaten die belangrijk zijn voor het reguleren van de vloeistofdruk in de ogen.
"Als we op aarde zijn, trekt de zwaartekracht vloeistof naar onze voeten", zei Phelps. 'Als je de zwaartekracht verliest, verschuift de vloeistof naar het hoofd. Deze vloeistofverschuiving beïnvloedt het vaatstelsel door het hele lichaam, en nu weten we dat het ook de bloedvaten in het oog aantast. '
Bovendien merkte het team op dat eiwituitdrukkingsprofielen ook waren veranderd in de ogen van de muizen als gevolg van microzwaartekracht. Ter vergelijking: de muizen die hun tijd in de centrifuge doorbrachten, ondervonden lang niet zoveel schade aan hun oogweefsel. Deze resultaten geven aan dat kunstmatige zwaartekracht, waarschijnlijk in de vorm van roterende secties of centrifuges, een noodzakelijke component zal zijn voor langdurige ruimtemissies.
Zoals concepten gaan, is het gebruik van kunstmatige zwaartekracht in de ruimte niet iets nieuws. Behalve dat het een goed onderzocht concept in sciencefiction is, hebben ruimteagentschappen ernaar gekeken als een mogelijke manier om een permanente menselijke aanwezigheid in de ruimte tot stand te brengen. Een schitterend voorbeeld hiervan is de Stanford Torus Space Settlement, een hoofdontwerp dat werd overwogen door de NASA Summer Study uit 1975.
Als een gezamenlijke inspanning van NASA's Ames Research Center en Stanford University, bestond dit tien weken durende programma uit professoren, technisch directeuren en studenten die samenkwamen om een visie op te bouwen over hoe mensen ooit zouden kunnen leven in een grote ruimtekolonie. Het resultaat hiervan was een concept voor een wielachtig ruimtestation dat zou draaien om het gevoel te geven dat de aarde normaal of gedeeltelijk zwaartekracht is.
Bovendien is er rekening gehouden met roterende torus voor ruimtevaartuigen om ervoor te zorgen dat astronauten tijdens langdurige missies hun tijd in microzwaartekracht zouden kunnen beperken. Een goed voorbeeld hiervan is het Non-Atmospheric Universal Transport Intended for Longy United States Exploration (Nautilus-X), een ruimtevaartuigconcept met meerdere missies dat in 2011 werd ontwikkeld door ingenieurs Mark Holderman en Edward Henderson van NASA's Technology Applications Assessment Team.
Net als bij eerder onderzoek, benadrukt deze studie het belang van het behoud van de gezondheid van astronauten tijdens langdurige missies in de ruimte en tijdens lange reizen. Deze studie onderscheidt zich echter doordat het de eerste is in een serie die is ontworpen om een visuele beperking bij astronauten beter te begrijpen.
"We hopen dat voortdurende sterke wetenschappelijke samenwerking ons zal helpen de experimentele resultaten te verzamelen die nodig zijn om ons voor te bereiden op toekomstige bemande verkenning van de ruimte," zei Dai Shiba, een senior onderzoeker voor JAXA en een co-auteur op het papier. Mao, de hoofdauteur van de studie, gaf ook aan dat ze hoopvol is dat dit onderzoek verder gaat dan ruimteverkenning en toepassingen hier op aarde heeft:
"We hopen dat onze bevindingen niet alleen de impact van een ruimtevluchtomgeving op de ogen karakteriseren, maar ook zullen bijdragen aan nieuwe behandelingen of behandelingen voor door de ruimtevlucht veroorzaakte zichtproblemen en aan meer aardgebonden aandoeningen, zoals leeftijdsgebonden maculaire degeneratie en retinopathie."
Het lijdt geen twijfel dat er voor de toekomst van ruimteverkenning veel uitdagingen voor ons liggen. We moeten niet alleen ruimtevaartuigen ontwikkelen die brandstofefficiëntie en vermogen kunnen combineren, we moeten de kosten van individuele lanceringen verlagen en manieren bedenken om de gezondheidsrisico's van langdurige missies te beperken. Naast de effecten van microzwaartekracht, is er ook het probleem van langdurige blootstelling aan zonne- en kosmische straling.
En laten we niet vergeten dat missies naar het maanoppervlak en Mars te maken zullen krijgen met langdurige blootstelling aan een lagere zwaartekracht, vooral als het om buitenposten gaat. Als zodanig zou het niet vergezocht zijn om je voor te stellen dat tori en centrifuges in de nabije toekomst een vast onderdeel van de ruimteverkenning zouden kunnen worden!
