En gång var science fictions förbehåll, genom filmer som t.ex Utomjording (bilden) och 2001:A Space Odyssey , viloläge eller "uppskjuten animering" kan en dag bli en viktig möjlighet för djupa rymdresor. Kredit:20th Century Fox
Om ett sci-fi-rymdskepp inte kommer med hyperdrive så är det vanligtvis försett med vilolägeskapslar istället. I filmer från 2001:A Space Odyssey to Event Horizon, främmande för passagerare, fiktiva astronauter sätts in i "upphängd animation" för att korsa rymdens vidd. Nu har ESA undersökt hur besättningens viloläge i verkligheten skulle påverka utformningen av rymduppdrag.
Mänsklig dvala har varit föremål för inledande forskning inom Discovery-elementet i ESA:s grundläggande aktiviteter, rekommenderades sedan som en nyckel "möjliggörande teknologi" för rymden av byråns rådgivande panel för framtida teknologi, vilket resulterar i ett dedikerat "Topical Team" i viloläge.
Nu har byråns SciSpacE-team anlitat ESA:s Concurrent Design Facility – en multimediaanläggning som gör det möjligt för expertteam att utföra inledande utvärderingar av föreslagna framtida uppdrag – för att bedöma fördelarna med mänsklig dvala för en resa till en angränsande planet, som Mars.
Börjar med en bedömning av det nuvarande tillståndet i mänsklig dvala, med hjälp av ESA Topical Team-forskare från Ludwig Maximilian University i München och University of Goethe, Frankfurt, CDF-teamet gick för första gången för att undersöka den potentiella inverkan av viloläge på uppdragsdesign på systemnivå. De tog som sin referens en befintlig uppdragsstudie för att skicka sex människor till Mars och tillbaka inom en femårsperiod.
"Vi arbetade med att justera rymdfarkostens arkitektur, dess logistik, skydd mot strålning, strömförbrukning och övergripande uppdragsdesign, " kommenterar Robin Biesbroek från CDF.
En referensbostadsmodul för ett bemannat Mars-uppdrag jämfört med dess vilolägesbaserade motsvarighet. Kredit:ESA
"Vi tittade på hur ett astronautteam bäst kunde försättas i viloläge, vad man ska göra i nödsituationer, hur man hanterar mänsklig säkerhet och till och med vilken inverkan viloläge skulle ha på teamets psykologi. Slutligen skapade vi en första skiss av habitatarkitekturen och skapade en färdplan för att uppnå en validerad metod för att övervintra människor till Mars inom 20 år."
Studien fann att rymdfarkostens massa kunde minskas med en tredjedel genom att ta bort besättningskvarteren med en liknande minskning av förbrukningsvaror, motsvarande flera ton sparad massa. Hibernation skulle äga rum i små individuella baljor som skulle fungera som hytter medan besättningen är vaken.
Antagandet var att ett läkemedel skulle administreras för att framkalla "torpor" - termen för viloläge. Som djur i viloläge, astronauterna skulle förväntas få extra kroppsfett innan torpor. Deras soft-shell baljor skulle mörknas och deras temperatur reduceras kraftigt för att kyla ner sina passagerare under deras beräknade 180-dagars kryssning mellan jorden och Mars.
Kryssningsfasen i viloläge skulle sluta med en 21 dagars återhämtningstid – även om den baseras på erfarenheten av djurs viloläge, förväntningen skulle vara att besättningen inte skulle uppleva ben- eller muskelslöseri.
Funktionsområden för vilolägesmodulen:(1) privata besättningsrum, (2) träning, (3) hygien och avfall, (4) matsal och garderober, (5) arbetsstation, (6) kök och mat, (7) medicinska förnödenheter, (8) livsuppehållande system och stuvning, (9) drifts- och underhållsmaterial. I allmänhet, livsmiljön är uppdelad i två zoner med beboeliga volymer:besättningsutrymmena som används under hela uppdragets varaktighet, och volymerna för garderober och arbetsstation, matlagning och ätande, avfallsinsamling och hygien, träning, medicinsk, drift- och underhållsändamål som endast används under den tid besättningen är vaken och aktiv. Kredit:ESA
Ett tvärsnitt genom vilomodulen som visar de individuella kvarteren som skulle fungera som vilolägen under kryssningsfasen. De mjuka kapslarna skulle ha individuella termiska kontroller och flexibel isolering, med en fläkt för att cirkulera luft och kontrollera luftfuktigheten för att förhindra kondens när temperaturen sänks under viloläge. Baljorna skulle också vara väl avskärmade mot strålning. (1) privata besättningsutrymmen, (8) livsuppehållande system och stuvning, (10) cirkulationsutrymme. Kredit:ESA
Strålningsexponering från högenergipartiklar är en viktig fara vid djupa rymdresor, men eftersom den övervintrade besättningen kommer att tillbringa så mycket tid i sina vilolägen, då kan avskärmning – som vattenbehållare – koncentreras runt dem. Och befintlig forskning om viloläge visar att det ger ett förbättrat strålskydd i sig.
Men med hela besättningen oförmögen under långa perioder, uppdraget skulle behöva utformas för i stort sett autonoma operationer, med optimal användning av artificiell intelligens och "feldetektering, isolering och återhämtning" för att bibehålla en lägsta nivå av systemprestanda tills besättningen kunde återupplivas.
"Under ett tag har viloläge föreslagits som ett spelförändrande verktyg för mänskliga rymdresor, " förklarar SciSpacE-teamledaren Jennifer Ngo-Anh. "Om vi kunde minska en astronauts grundläggande ämnesomsättning med 75 % – liknande vad vi kan observera i naturen med stora vilodjur som vissa björnar – skulle vi kunna sluta med en betydande massa och kostnadsbesparingar, göra långvariga prospekteringsuppdrag mer genomförbara.
"Och grundidén med att försätta astronauter i långvarig viloläge är faktiskt inte så galen:en i stort sett jämförbar metod har testats och tillämpats som terapi hos traumapatienter inom intensivvård och de som ska genomgå större operationer i mer än två decennier. De flesta större vårdcentraler har protokoll för att inducera hypotermi hos patienter för att minska deras ämnesomsättning för att i princip vinna tid, hålla patienterna i bättre form än de annars skulle vara.
"Vi siktar på att bygga vidare på detta i framtiden, genom att undersöka hjärnans vägar som aktiveras eller blockeras under initiering av viloläge, börjar med djur och fortsätter till människor."
