Dai sistemi ingegneristici alla medicina spaziale: aspettative e pericoli dell’esplorazione

1. Quanto spazio possiamo realisticamente esplorare?

Fig.1: La Via Lattea non è unica. (credit ESO/Andrew Z. Colvin/N. Bartmann)

È difficile fornire una definizione oggettiva di spazio, essa varia al variare del parametro che si vuole descrivere[1]. Pertanto, chiarire brevemente quale sia la grandezza approssimativa dell’Universo sarà utile per individuare i limiti che le leggi della fisica ci impongono nell’esplorazione del cosmo.

Si stima che il nostro Sole sia solo uno tra i 100 e 400 miliardi (400.000.000.000 – 1 = 399.999.999.999) di stelle presenti nella nostra galassia, la Via Lattea, che, assieme a galassie più vicine come Andromeda e circa altre 50 galassie “nane” forma il Gruppo Locale, una regione dello spazio con un diametro di circa 10 milioni di anni luce (1 secondo luce = 299.792,458 km). È questo il nostro vicinato galattico, ossia quelle zone dell’Universo che, indipendentemente dalla sua espansione, saranno sempre visibili e a una distanza teoricamente raggiungibile. Centinaia di cluster come il Gruppo Locale formano in Supercluster di Laniakea, che si espande per 500 milioni di anni luce e contiene circa 100.000 volte la massa presente all’interno della Via Lattea (qui i supercluster più vicini al nostro): a questi livelli, non è più possibile distinguere la Via Lattea in mezzo a tutte le altre.

In base alle misurazioni ottenute durante la missione NASA New Horizons[2], circa 2.000.000.000.000 di galassie formano il c.d. Universo Osservabile, il 90% in più di quanto estrapolato dalle osservazioni dello spazio profondo compiute dall’Hubble Space Telescope della NASA.

2. Abbiamo davvero accesso a così tanti mondi?

Purtroppo, il 94% delle galassie sono già irraggiungibili per sempre, a causa della Costante di Hubble: infatti, tutte le galassie più lontane di 18 miliardi di anni luce si allontanano da noi - trasportate dall’espansione dell’Universo, che si muove a ritmi sempre crescenti - a una velocità superiore a quella della luce.[3] La teoria del Big Bang spiega come l’inflazione cosmica[4] abbia fatto sì che un piccolo punto di energia distribuita in maniera randomica abbia subito un’espansione improvvisa (un Big Bang, appunto) in 10^-36 secondi. L'Universo cresce fino a circa 10 centimetri di larghezza: piccolo, ma piuttosto impressionante quando è iniziato come qualcosa di meno di una frazione delle più piccole particelle subatomiche. Nell'istante successivo, da 10^-32 secondi a 10^-12 secondi, l'Universo diventa enorme, fino a coprire miliardi di miliardi di chilometri. Ciò spiega perché nell’Universo ci sono regioni più vuote di altre : un’espansione di enorme portata e rapidissima, energia non distribuita equamente, e quindi distanze subatomiche che velocemente sono diventate distanze galattiche. Le zone meno “affollate” dell’Universo separano i vari Gruppi Locali, non influenzati dalla gravità (g) di un altro Gruppo, e si allontanano costantemente tra loro a causa dell’espansione dell’Universo.

Esiste quindi un orizzonte degli eventi cosmico intorno a noi, e tutto ciò che lo supera diventa irraggiungibile per sempre, sebbene sarà ancora possibile vederlo a causa della velocità della luce. Ogni secondo, 60.000 stelle superano questo orizzonte[5]. Siamo confinati in una piccola sezione che attualmente costituisce lo 0,00000000001% del nostro Universo osservabile.

3. I rischi dello spazio per i sistemi ingegneristici spaziali e principali soluzioni

Attualmente, l’esplorazione spaziale è influenzata soprattutto dalle limitazioni delle prestazioni dei motori che impattano sul la quantità di carico che può essere portato in orbita così come su massa e velocità del carico utile che può essere diretto verso un sito distante dalla LEO (Low Earth Orbit). Per un dato veicolo spaziale, la misura definitiva delle prestazioni complessive è la sua capacità di fornire il cambiamento di velocità, o ∆v, richiesto per una certa manovra orbitale[6].

Le capacità (in senso lato, la dimensione del carico utile e la spinta) dei veicoli di lancio si sono essenzialmente stabilizzate, poiché negli ultimi decenni sono stati fatti solo progressi incrementali relativamente piccoli. Tuttavia, a parte la spinta verso propellenti green, nulla di sostanziale è cambiato con le prestazioni dei propellenti solidi o liquidi e le relative tecnologie, fondamentali per la capacità complessiva dei lanciatori. I veicoli di lancio riutilizzabili sono usati da alcune aziende per ridurre i costi o aumentare la frequenza dei lanci (si pensi a quelle che stanno entrando nel settore dello space burial), ed è innegabile che i costi sono lentamente scesi, anche se questo è in gran parte dovuto a combinazioni di politiche dei Paesi e forze di mercato. Tuttavia, l'accesso veramente economico allo spazio deve ancora essere raggiunto.

Su una scala temporale più diluita, la sfida è quella di sviluppare e implementare tecnologie, come i motori a razzo ipersonici ad aria respirabile, da utilizzare nei lanciatori ibridi per ridurre la necessità di grandi quantità di ossigeno che devono essere attualmente trasportate dai veicoli. Dovrebbero essere sviluppati anche veicoli di lancio in grado di decollare e atterrare come aerei, senza la necessità di un'ampia e costosa assistenza tra le missioni. Allo stesso modo, la propulsione nello spazio offre opportunità di miglioramento, in particolare sui sistemi di propulsione elettrica, che sono anche sistemi ibridi che utilizzerebbero diverse modalità di funzionamento. I motori NEP, un tipo di motore elettrico alimentato con materiale nucleare, come americium o plutonio, e i motori al plasma e a gas, sono tra i candidati d’eccellenza per i sistemi di propulsione del futuro.

Sia che stiamo considerando una nave costruita dall'uomo per viaggi spaziali a lunga distanza o una piattaforma spaziale per un'abitazione umana su larga scala o una colonia planetaria, alcune sfide si sovrappongono. Tra queste, si può includere la necessità di creare efficienti sistemi a circuito chiuso per rifornire le risorse e minimizzare i rifiuti, con l'obiettivo comune di generare un ecosistema artificiale che possa garantire il supporto a lungo termine della vita umana. Poiché gli asset usati nello spazio diventano sempre più piccoli e utilizzano elettronica e sensori più avanzati, la necessità di sistemi di propulsione spaziale avanzati con un'efficienza pari a quella di altri sistemi satellitari sta diventando sempre più importante. L'impulso specifico del sistema di propulsione elettrica è un parametro fondamentale della missione: infatti, per le missioni più lunghe, un maggiore impulso specifico richiede una maggiore quantità di energia per l'accelerazione degli ioni e quindi una maggiore capacità d'immagazzinamento dell'energia rispetto ad altri sistemi. Di conseguenza, tale impulso sarà determinato dalla complessa ottimizzazione dell'intero design della missione.

Idealisticamente, per inventare una tecnologia che consenta di esplorare luoghi molto distanti dalla Terra, svolgere missioni di lunga durata e creare delle colonie su altri corpi celesti che non dipendano compulsivamente dalle risorse inviate dalla Terra, si dovrebbero possedere asset spaziali ad altissima adattabilità e autoriparanti, giacché nello spazio non ci sono stazioni di rifornimento, officine o stazioni di ricarica. I problemi da affrontare, quando si parla di sistemi autoriparanti, è capire cosa è importante che continui a funzionare; coò dipende da natura del macchinario, scopo della missione e parte di macchinario da riparare. Lo scafo, ad esempio, potrebbe creparsi a causa della degradazione del materiale di cui è composto, mentre le componenti e le unità di alimentazione sarebbero soggette a degradazione termica, guasti elettrici e diffusione indotta dalla corrente elettrica. I motori al plasma, secondo alcuni studi, potrebbero fornire il necessario grazie alla particolare natura dei loro campi elettrici.

4. I rischi dello spazio per gli esseri umani

L'ambiente spaziale fa cose insolite, sia al funzionamento del corpo umano che a quello delle attrezzature mediche ordinarie. La medicina spaziale descrive la "persona normale in un ambiente anormale" ed è una derivazione della medicina aeronautica. Le conoscenze attuali sugli effetti della permanenza di un essere umano nello spazio sono in costante evoluzione, soprattutto per quanto riguarda la permanenza dell’uomo per periodi molto prolungati. Ad oggi, la maggior parte di questi esperimenti vengono condotti sulla International Space Station, nei laboratori e nei centri di analog missions presenti nel mondo.

Per ragioni di sintesi, ci soffermeremo solo su alcuni degli apparati su cui la fisica dello spazio produce effetti: osseo, respiratorio, visivo, muscolare, circolatorio. Il corpo celeste più vicino da raggiungere è la Luna: è quindi un buon candidato per una futura base umana permanente che potrebbe essere usata per esaminare gli effetti a lungo termine della gravità ridotta su funzione vestibolare (l’equilibrio), cambiamenti muscoloscheletrici, interazioni cardio posturali, autoregolazione cerebrale, psicologia comportamentale e fisiologia dello stress, così come sui meccanismi molecolari sottostanti. Questi sistemi di analisi, per un funzionamento ottimale in tali condizioni estreme, devono essere adottati con approcci riduttivi (ossia con sistemi creati specificamente per un tipo di problema) e integrativo (relativo all’intero organismo, più generale).

L'influenza della gravità e dell'ambiente visivo sulla postura, per esempio, è stata studiata ampiamente. Questi studi indicano l'importanza di un riferimento verticale gravitazionale nella percezione della posizione e della forma degli oggetti, cosa che avviene più difficilmente in assenza di gravità perché mancano un “sopra” e un “sotto”. Sulla Terra, la proiezione del nostro centro di gravità sul poligono di fondazione formato dalla superficie dei nostri piedi non può superare un'inclinazione superiore a 31 gradi rispetto alla verticale, altrimenti cadiamo. Sulla Luna, questo angolo potrebbe aumentare fino a 201. Per esempio, gli astronauti sulla Luna non potrebbero dire la differenza tra un'inclinazione del corpo di 01 o 201 e, per esempio, durante le attività extraveicolari (EVA), dovevano piegarsi in avanti per evitare una caduta all'indietro, perché il centro di gravità della tuta spaziale si trova dietro la loro schiena (a causa del sistema di supporto vitale). Ci sono stati diversi casi in cui hanno perso l'equilibrio e sono caduti sulla superficie lunare durante camminate, o quando cercavano di afferrare strumenti o rocce. Inoltre, in un ambiente spaziale di operazioni di superficie come la Luna, le distanze vicine sono sottovalutate e le grandi distanze sono generalmente sovrastimate.

Fig.4: N. Goswami et alt. / Planetary and space science 74 (2012) 111-120.

La struttura dell'atmosfera cambia il colore, il contrasto e l'ombreggiatura degli oggetti, e questi cambiamenti sono interpretati dal nostro cervello come elementi per il calcolo della distanza da quello che abbiamo intorno, cambiando la nostra percezione della realtà circostante. Attualmente, si ritiene che sia possibile un’alterazione dei sensi sulla Luna a causa dell'assenza di atmosfera, dell'assenza di oggetti familiari come edifici, alberi o persone (per consentire la dipendenza dalle grandezze di scala), e le proprietà riflettenti della regolite lunare.

A causa dell'influenza della gravità ridotta, il consumo di ossigeno sembra essere ridotto negli astronauti, specialmente durante i soggiorni di lunga durata nello spazio, anche se non ci sono ancora dati per permanenze, ad esempio, di anni. Inoltre, il ridotto consumo di ossigeno durante le corse senza carico fa sì che la capacità aerobica diminuisca più in fretta e diventi necessario un allenamento aerobico. Anche per questo gli astronauti della ISS devono rispettare una fitta routine di allenamenti giornalieri.

Si sa poco sul livello di g richiesto per mantenere l'integrità dei vari sistemi fisiologici umani. Domande

come "La gravità lunare è sufficiente a mantenere la salute umana in missioni di lunga durata?" o "La gravità sulla Luna è abbastanza grande da fare una reale differenza rispetto a 0g?" sono di difficile risposta e spesso molto dipende da ciò che gli astronauti sono incaricati di fare sulla Luna.

5. Le possibili mansioni di un’astronauta

Se gli astronauti trascorressero gran parte del loro tempo nella costruzione/ampliamento della base e nell'esplorazione della superficie lunare al di fuori del loro habitat residenziale controllato, indossando le loro "ingombranti" tute, la combinazione di lavoro – cui si aggiunge il peso della tuta spaziale più 1/6 di gravità terrestre - sarebbe un esercizio adeguato a prevenire la perdita muscolare? Fisicamente, il lavoro sulla superficie della Luna non sarebbe lo stesso di un'EVA (Extra-Vehicular Activity) occasionale sulla ISS. Inoltre, il lavoro lunare esterno sarebbe un evento molto più frequente e resta da determinare la necessità di un esercizio aggiuntivo. E in tal caso, quanto?

Fig.5: Antrhopometry and biomechanics. In: Man-System Integration (credit NASA)

Mancano i dati che esaminino il decondizionamento muscolo-scheletrico a livelli equivalenti alla g lunare, anche se recenti esperimenti sui roditori mostrano che la gravità simulata di Marte non è sufficiente a mantenere muscolo e ossa (Wagner et al., 2010). In alternativa, l'astronauta lunare potrebbe essere confinato dentro la base, svolgendo principalmente la manutenzione delle strutture ('house keeping') nel modulo abitativo, con solo un'EVA occasionale su un veicolo azionato meccanicamente per esplorare la Luna. Il modulo abitativo sarebbe come l’interno della ISS, stanze con un'atmosfera controllata e nessun bisogno di tute di tipo EVA. I requisiti di esercizio per questi due stili di vita saranno probabilmente molto diversi.

6. I danni che comporta la permanenza nello spazio

Un’altra questione di crescente importanza per la comunità della medicina spaziale è il rischio di anomalie oftalmiche e alterazioni della vista. Non sono pochi gli astronauti della NASA che presentano vari gradi di edema/rigonfiamento del disco ottico dopo voli spaziali di lunga durata. Questo può verificarsi a causa di un aumento di pressione sul nervo ottico (la sua guaina è continua con lo spazio subaracnoideo del cervello) o più probabilmente all'aumento di pressione intracranica durante il periodo in cui si è sottoposti a microgravità.

In alcuni casi, il deterioramento della vista può protrarsi fino a un anno dopo la fine della missione. Non è ancora del tutto chiaro quali saranno le conseguenze sul lungo termine sulle prestazioni di compiti di missione, ma potrebbero aumentare significativamente il rischio di incidenti.

Essendo sottoposti a situazioni e stimoli nuovi e insoliti rispetto alla quotidianità sulla Terra, durante le missioni esplorative di lunga durata si rischia un calo di performance nelle abilità in cui altrimenti il personale eccelle, come la gestione del veicolo, la costruzione e la manutenzione dell'habitat, le attività di vita quotidiana. Particolare interesse suscitano anche l’alterazione dei ritmi del sonno e della fatica, lo stress cronico, la degradazione della funzione sensoriale e una compromessa stabilità neuropsichiatrica e sociale.I modelli di laboratorio esistenti, gli ambienti analogici (c.d. analog missions), le analisi epidemiologiche e gli studi di casi forniscono dati preziosi su questi rischi, e la ricerca sulla Luna potrebbe certamente dare un contributo positivo a questi lavori. Per esempio, richiedendo tale sforzo una cooperazione internazionale, esso aprirebbe la porta a studi sulle influenze culturali su un equipaggio multinazionale, fornendo l’opportunità di testare varie configurazioni di selezione/composizione dell'equipaggio, strategie di comunicazione e misure di squadra prima di imbarcarsi in una missione ''senza ritorno'' verso Marte.

7. Conclusioni

Grazie alla sua vicinanza alla Terra, la Luna è un candidato promettente per l'ubicazione di una colonia umana extra-terrestre. Oltre a essere una piattaforma ad alta fedeltà per la ricerca sulla gravità ridotta, il rischio di radiazioni e l'interruzione circadiana, la Luna si qualifica come un ambiente isolato, confinato ed estremo (ICE) adatto come sito per analog missions per studiare gli effetti psicosociali delle missioni di esplorazione spaziale umana di lunga durata e comprendere questi processi. Al contrario, i vari avamposti di ricerca antartici come Concordia, McMurdo o la Stazione Mario Zucchelli, che sono valide piattaforme per studiare gli adattamenti biocomportamentali agli ambienti ICE, si trovano sulla Terra, e quindi non hanno la bassa gravità e i rischi di radiazione dello spazio.

La Stazione Spaziale Internazionale (ISS), considerata ora un ambiente analog per le missioni di lunga durata, si avvicina meglio ai limiti delle infrastrutture abitabili di una colonia lunare rispetto alla maggior parte degli insediamenti antartici. Tuttavia, la ISS è ancora protetta dalle radiazioni cosmiche dal campo magnetico terrestre, che impedisce elevate esposizioni dovute a eventi di particelle solari e riduce le esposizioni alle radiazioni cosmiche galattiche. Sulla Luna gli ambienti ICE sono ancora più estremi, in quanto sono presenti radiazioni di tutte le energie in grado di indurre un degrado delle prestazioni, così come la gravità ridotta e la polvere lunare. L'interazione tra gravità ridotta, esposizione alle radiazioni e condizioni ICE possono influenzare la biologia e il comportamento - e in definitiva il successo della missione - in modi che le comunità scientifiche e operative devono ancora scoprire. Una presenza umana a lungo termine o permanente sulla Luna fornirebbe, in definitiva, preziose opportunità per la ricerca multidisciplinare integrata e per la preparazione ad una missione con equipaggio su Marte.

L'ambiente spaziale di una colonia lunare permanente e autosufficiente può essere il nostro modo migliore per determinare empiricamente i metodi per stabilire l'infrastruttura umana più adatta per altre colonie oltre l'orbita terrestre. Una presenza permanente sulla Luna fornirebbe dati biomedici sulla salute sessuale umana e sulla biologia riproduttiva nello spazio, ma anche informazioni sull'intrigante prospettiva di includere, se non creare, sistemi di supporto familiare/sociale come contromisura naturale fondamentale per mantenere il morale durante spedizioni di lunga durata in una nuova frontiera.

Al di là delle questioni biomediche e comportamentali, la colonizzazione permanente della Luna fornirebbe l'opportunità di sviluppare e testare tecnologie per applicazioni ambientali e sociali più ampie, come la costruzione di abitazioni, l'energia sostenibile, la produzione di carburante e cibo, e la politica interplanetaria; a ciò si aggiungano lo sviluppo del commercio di risorse, nuove possibilità di business e imprese, e un'abbondanza di risorse che sulla Terra sono difficili, costose da estrarre e concentrate per lo più nelle mani di pochi Stati.

L'esplorazione del cosmo ha e avrà sempre un valore che prescinde dalle motivazioni commerciali, economiche o militari che lo rendono appetibile. La fame di sapere, di vedere, uscendo dalla caverna di Platone, è una delle nostre caratteristiche distintive come esseri umani e ciò che ci ha reso la specie dominante del pianeta.

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Note

[1] Per esempio, il limite di pressione per mantenere i fluidi corporei in uno stato liquido (il limite fisiologico) si verifica a un'altitudine specifica (circa 19 km), mentre il limite al quale le forze tra le superfici di aerei o veicoli spaziali e l'atmosfera supportano un efficace controllo aerodinamico (il limite fisico) è molto diverso (circa 80 km). Il fattore comune per la maggior parte dei parametri biofisici nella definizione di un limite è una soglia di rimozione dalla composizione e dalla pressione nominale dei gas atmosferici; e per i parametri meccanici, invece, una soglia di riduzione della densità che porta, per esempio, all'assenza di portanza e resistenza aerodinamica (quindi al volo). [2] New Horizons Spacecraft Answers Question: How Dark Is Space?, NASA, 2021. Quote: “An estimate of the total number of galaxies has been extrapolated from very deep sky observations by NASA’s Hubble Space Telescope and suggested there are about two trillion galaxies in the cosmos. It relied on mathematical models to estimate how many galaxies were too small and faint for Hubble to see. That team concluded that 90% of the galaxies in the universe were beyond Hubble’s ability to detect in visible light. That study also estimated the combined light from those two trillion galaxies. The new findings, which relied on measurements from NASA’s distant New Horizons mission, finds only about half as much light as that earlier Hubble study but still twice as much light as existing catalogs of observed galaxies can account for.” [3] Life, The Universe, and Nothing: Life and Death in an Ever-Expanding Universe, Lawrence M. Krauss and Glenn D. Starkman, 1999. Quote: “Similarly, any signal we send out today will never reach objects currently located distances further than the horizon distance. Moreover, this distance may be comparable to the current observable region of the universe. If we accept a cosmological constant of the magnitude suggested by the current data, then ρΛ ≃ 6×10−30 gm/cm3 and the distance to the horizon is approximately RH ≃ 1.7 × 10^26 m ≃ 18 billion light years”. A sphere with a radius equal to this 18 billion light year distance contains about 6% of the volume of the Universe, assumed to have a radius of 46.5 billion light years. That means 94% of the Universe and all of its galaxies are outside this volume. [4]Inflazione cosmica: brevissima sequenza di eventi che segue il Big Bang, dai 10^-36 secondi ai 10^-32 secondi dopo l'inizio di tutto. [5]Ci sono tra 10^11 e 10^12 stelle nella nostra galassia, e circa lo stesso numero di galassie; di conseguenza le stelle dell’Universo sono tra 10^22 e 10^24: se si divide questo numero per il volume dell’Universo, si ottiene la densità media di stelle per anno luce al cubo (2.4 x 10^-9 stelle). L’orizzonte degli eventi cosmico è distante 18 miliardi di anni luce, e rappresenta la parte di Universo raggiungibile da noi (teoricamente) se potessimo viaggiare alla velocità della luce. Ogni anno, il volume dell’orizzonte degli eventi cosmico aumenta di 10 miliardi di miliardi di km, e di questi, il 20%, ossia 0.21 anni luce, rimane raggiungibile. Si calcola che questo aumento sia pari a 8,55e20 anni luce cubici all'anno, cioè 2,7e13 anni luce cubici al secondo. Moltiplicando questo aumento di volume per la densità numerica media delle stelle nell'universo, si ottengono 65.078 stelle che scompaiono oltre l'orizzonte ogni secondo. [6]Questo include il lancio in orbita, in cui il ∆v richiesto è la differenza tra la componente di velocità della rotazione terrestre nel piano orbitale desiderato e la velocità orbitale finale. Include anche le perdite dovute alla resistenza e alla gravità mentre si attraversa l'atmosfera durante il tragitto verso l'orbita, così come i successivi cambiamenti di altitudine e piano orbitale e la potenziale fuga dall'orbita terrestre.

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