Pentru astronauții în călătorii spațiale lungi, cea mai sigură cale de călătorie poate fi hibernarea indusă.

Într-o zi, astronauții împachetați în cutii de tablă care se îndreaptă spre alte planete pot fi protejați de radiații și de boala spațială, având metabolismul deprimat la o fracțiune din rata lor obișnuită. Vor hibernează ca urșii în timp ce străbat spațiul luni întregi. Poate că vor dormi în păstăi albe ca un sicriu, așa cum au făcut-o astronauții crioconservați în fantezii futuriste precum 2001: A Space Odyssey, Alien și Avatar.

Mai probabil, totuși, astronauții și coloniștii spațiali vor învăța câteva trucuri de la melcii deshidratați, care supraviețuiesc timp de un an sau mai mult ingerând nimic; panda uriași care există din bambus cu conținut scăzut de calorii; lipitori care supraviețuiesc unei băi de azot lichid; copiii care au fost scufundați în iazuri înghețate, dar încă pot fi resuscitați; sau schiorii îngropați într-o avalanșă și readuși la viață atât de încet, renăscuți dintr-o stare super-răcită, fără vis.

Oamenii de știință numesc acest fenomen „hibernare indusă de toropeală”. Odată considerată bizară, inducția corporală - termenul vechi era „animație suspendată” - se află în studiu serios pentru zboruri spațiale de lungă durată.

Acest interes se datorează, în parte, progreselor în chirurgia la temperaturi scăzute, dar și unei mai bune înțelegeri a cazurilor precum una documentată în 1995 în revista Prehospital and Disaster Medicine. Un băiat de patru ani a căzut prin gheața unui lac înghețat din Hanovra, Germania. O echipă de salvare l-a scos, dar nu l-a putut resuscita pe teren. Pupilele sale au fost fixate și dilatate și a rămas în stop cardiac timp de 88 de minute. La internarea în spital, temperatura corpului său central era de 67,6 grade Fahrenheit, semn al hipotermiei severe.

Douăzeci de minute mai târziu, în timp ce medicii lucrau la încălzirea cavității toracice a băiatului, ventriculii inimii sale au început să se contracte. La zece minute după aceea, inima lui a reluat ritmul sinusal normal. Băiatul și-a revenit complet și a fost externat două săptămâni mai târziu. Medicii săi au crezut că lacul înghețat i-a răcit rapid corpul până la o stare de corp de protecție metabolică, păstrând toate organele și țesuturile vitale, reducând în același timp nevoia de oxigen din sânge - de fapt, salvând viața băiatului. Cazuri de acest gen sunt „exact de ce credem că hipotermia foarte profundă poate permite pacienților noștri să supraviețuiască”, scrie Samuel Tisherman, profesor de chirurgie la Facultatea de Medicină a Universității din Maryland, într-un e-mail. „Cheia este răcirea creierului fie înainte de oprirea fluxului de sânge, fie cât mai curând posibil după oprirea fluxului de sânge. Cu cât este [mai frig], cu atât creierul poate tolera mai mult să nu aibă flux de sânge. ”

Hipotermia terapeutică a devenit o parte a practicii chirurgicale. Procedurile experimentale cu răcire au început încă din anii 1960, mai ales în cazuri cardiace și neonatale. Bebelușii au fost plasați în pături de răcire sau împachetați în gheață și chiar în bănci de zăpadă pentru a încetini circulația și a reduce necesarul de oxigen înainte de operația cardiacă.

Astăzi, medicii folosesc hipotermia moderată (aproximativ 89 de grade) ca element de bază pentru îngrijirea unor nou-născuți aflați în dificultate medicală, cum ar fi cei născuți prematur sau care suferă de lipsă de oxigen fetal (hipoxie). Bebelușii sunt tratați cu capace de răcire timp de 72 de ore, care își reduc metabolismul suficient pentru a reduce necesarul de oxigen din țesuturi și pentru a permite creierului și altor organe vitale să se recupereze.

În același sens, chirurgii aplică răcirea și supresia metabolică pacienților care au suferit diferite traume fizice: infarct miocardic, accident vascular cerebral, răni prin împușcare, sângerări abundente sau leziuni ale capului care au ca rezultat umflarea creierului. În situații de urgență, anesteziștii pot introduce o canulă - un tub subțire - în nas care alimentează cu azot gazos de răcire direct la baza creierului. Într-o terapie experimentală, chirurgii introduc o canulă de bypass cardiopulmonar prin piept și în aortă, sau prin inghină și în artera femurală. Prin aceste tuburi, ele infuzează soluție salină rece pentru a reduce temperatura centrală a corpului și a înlocui sângele pierdut. Odată ce chirurgul traumatism controlează sângerarea, un aparat inimă-plămân repornește fluxul de sânge și pacientului i se face o transfuzie de sânge.

„Dacă răcim suficient de repede înainte ca inima să se oprească, organele vitale, în special creierul, pot tolera frigul fără flux de sânge pentru o perioadă de timp”, explică Tisherman. El efectuează un studiu clinic al acestei tehnici de înlocuire a soluției saline reci la victimele traumatismului rănit critic din Baltimore și se așteaptă ca studiul să dureze cel puțin până în toamna anului 2018 și, eventual, mai târziu. Hipotermia care urmează scade rapid sau oprește fluxul de sânge timp de aproximativ o oră, reducând necesarul de oxigen și oferind chirurgilor timp pentru a repara rănile critice și apoi, în mod ideal, încălzi pacientul înapoi la viață.

Enigma Torpor

Astăzi, unii din comunitatea aerospațială caută hipotermia indusă din punct de vedere medical și staza metabolică rezultată ca o modalitate de a economisi spațiu și masă, împreună cu transportul, combustibilul, hrana și frustrarea pe zborurile de câteva luni către Marte sau planete mai îndepărtate. Studiile abia încep. O provocare este cea medicală: Care este cea mai bună metodă pentru punerea astronauților sănătoși în torpor? Chiar dacă hipotermia terapeutică este bine înțeleasă în sălile de operație, menținerea oamenilor în spațiu profund răcită și sedată săptămâni, luni sau ani la rând este un domeniu de cercetare complet necunoscut. Unii oameni de știință care studiază hibernarea la animale sugerează că alte mijloace de suprimare a metabolismului ar fi mai bune: dietă specializată, radiații cu frecvență redusă, chiar și utilizarea proteinelor care declanșează hibernarea la animale precum urșii și veverițele solare arctice, care le pot regla rata metabolică în siguranță și, în majoritatea cazurilor, reversibil.

dormindu-și
Astronautul Scott Kelly din interiorul simulatorului Soyuz de la Centrul de Instruire a Cosmonauților Gagarin din Moscova în martie 2015. Kelly a petrecut un an la Stația Spațială Internațională fiind observat pentru efectele pe termen lung ale zborurilor spațiale asupra corpului uman, în așteptarea zborurilor spațiale lungi. (NASA/Bill Ingalls)

Un alt obstacol evident este finanțarea. Cât de mult va acorda prioritate NASA cercetarea stazei metabolice, atât animale cât și umane, atunci când bugetele exploratorii sunt reduse? Pete Worden, fost director la Centrul de Cercetare Ames al NASA din California și acum director executiv al Breakthrough Starshot, spune că, cu accentul NASA pe biologia sintetică și capacitatea organismelor de a supraviețui și funcționa în medii exotice precum Marte, „este probabil inevitabil ca zona de hibernare va fi finanțată. ”

Acel optimism este greu universal. „Oamenii sunt frustrați”, spune Yuri Griko, un radiobiolog NASA instruit la Moscova și om de știință principal în divizia de bioștiințe spațiale a lui Ames. „Când Sputnik a fost plasat în spațiu în 1957, generația noastră a fost atât de încântată, atât de inspirată și am crezut că vom fi pe Marte în mileniu. Dar încă nu suntem pe Marte. Este personal pentru oameni ca mine, deoarece ne așteptam să fim mult mai avansați decât suntem acum. "

Griko recunoaște că cercetarea privind suprimarea metabolică se află chiar în limb. A început la NASA în 2005, după ce a petrecut cinci ani la echipamentul biotehnologic Clearant, Inc., folosind radiații ionizante pentru a inactiva agenții patogeni din produsele terapeutice din sânge, organe de transplant și biofarmaceutice comerciale. NASA l-a invitat apoi pe Griko să cerceteze modalități de a proteja astronauții de radiațiile spațiale. Se pare că suprimarea metabolică este unul dintre cele mai eficiente mecanisme pe care le oferă natura.

Când animalele intră în hibernare, corpurile lor supraviețuiesc radiațiilor fără a afecta semnificativ celulele lor. Griko consideră că supresia metabolică atenuează daunele provocate de radiații prin reducerea proceselor biochimice și a stresului oxidativ excesiv. Hipoxia - un consum mai mic de oxigen - este o explicație posibilă pentru efectul radio-protector: în hipoxie, producția de radicali liberi de oxigen și radicali hidroxil este redusă. Deoarece radiațiile ionizante eliberează radicali liberi cauzând leziuni celulare, suprimarea metabolismului și consumul de oxigen pare să facă invers: reduce moartea normală a celulelor și prelungește viața sănătoasă a celulelor. Acest efect protector este și mai pronunțat la temperaturi mai scăzute.

Griko speculează că hibernarea poate proteja, de asemenea, animalele de atrofia musculară și de pierderea osoasă pe care oamenii o experimentează de obicei în microgravitație. Oamenii care mănâncă o dietă echilibrată în timp ce sunt limitați la odihnă la pat timp de 90 de zile își pierd puțin mai mult de jumătate din forța musculară, spune Griko. Dar urșii care nu consumă nimic și sunt limitați la gropi pentru aceeași perioadă de timp sau puțin mai mult pierd doar 25% din forța musculară și nu prezintă semne de pierdere osoasă. El observă că animalele capabile de hibernare - broaște țestoase și șoareci de buzunar - nu au fost zburate în spațiu de zeci de ani.

NASA nu și-a finanțat cererea pentru experimente de zbor care implică hibernare de animale. Cercetările sale actuale se limitează la sondaje ale studiilor de hibernare existente, împreună cu propriile sale lucrări de laborator asupra stazei la șoareci, lipitori și melci. Griko a propus o conferință internațională din 2015 despre toropeală care ar fi reunit experții lumii în hibernare pentru a discuta despre aplicațiile spațiului profund. NASA a refuzat să-l finanțeze, deși Griko încă mai speră să strângă banii.

„Există bariere semnificative în calea cercetării torporului dacă suntem serioși în ceea ce privește mersul mai departe în spațiu”, spune Leroy Chiao, fost astronaut NASA și comandant al Stației Spațiale Internaționale, care a petrecut 193 de zile pe orbită între octombrie 2004 și aprilie 2005. Cercetarea animalelor este o o problemă deosebit de lipicioasă, una care a atras NASA în vizorul grupurilor de drepturi ale animalelor înainte. „Chiar și cercetarea asupra primatelor simple începe să-i ridice pe oameni în brațe”, spune el.

Soluția cu două planete

Jason Derleth, un program executiv al NASA Innovative Advanced Concepts din Washington, D.C., vede motive să spere. Sub supravegherea lui Derleth, NIAC a acordat două subvenții pentru inovare începând cu 2013, susținând planurile detaliate pentru habitatele de transfer Marte cu încorporare. Liderul proiectului, SpaceWorks Enterprises, Inc., din Dunwoody, Georgia, la aproximativ 20 de mile nord de Atlanta, este un contractor de proiectare aerospațială pentru NASA și Departamentul Apărării și a lucrat la dezvoltarea unor mici constelații de sateliți CubeSat. Dar corporația a captat imaginația președintelui și directorului operațional al SpaceWorks, John Bradford.

„M-am întrebat de 15 ani cum să proiectez materiale, structuri și sisteme de propulsie pentru a permite o misiune pe Marte și lunile sale”, spune el. Bradford este doctor. inginer aerospațial care a condus mai multe proiecte NASA, Agenția pentru proiecte de cercetare avansată în domeniul apărării și laboratorul de cercetare a forțelor aeriene, care proiectează avioane spațiale militare. El a fost, de asemenea, consultant în filmul de știință-ficțiune 2016 Pasageri, unde Jennifer Lawrence și Chris Pratt au jucat coloniști interplanetari care se trezesc din hibernare devreme. „Nu mai suntem în vena unei misiuni Apollo - nu mai avem„ steaguri și urme ”, spune el. „Trebuie să devenim o specie cu două planete”.

Echipa medicală de inginerie și medicină a lui Bradford a folosit prima dintre acele subvenții NIAC, emise în 2013, pentru a proiecta un habitat compact cu gravitate zero, cu structură rigidă, pe baza proiectelor modulelor de echipaj ale Stației Spațiale Internaționale. Habitatul a inclus sisteme de producere a apei și oxigenului în buclă închisă, acces direct la vehiculele de urcare și coborâre de pe Marte și sprijin pentru un echipaj de șase, care vor fi păstrați în corporație pentru întreaga călătorie pe Marte de șase până la nouă luni.

Tratamentul medical propus se bazează pe utilizarea unor tehnici similare celor pe care chirurgii le-au perfecționat pentru a induce hipotermia. De exemplu, răcirea gazului cu azot ar putea fi alimentată astronauților prin canula nazală, scăzând temperatura creierului și a corpului între 89 și 96 de grade - suficient de aproape de normală pentru a menține torporația fără a răci prea mult inima sau a crește riscul altor complicații. Răcirea tinde să scadă capacitatea organismului de a coagula, spune Tisherman. El a remarcat, de asemenea, că pacienții cărora li s-au răcit până la niveluri ușoare de hipotermie - 93 grade - timp de 48 de ore sau mai mult au mai multe infecții decât persoanele răcite.

În habitatul SpaceWorks, brațele robotice din modul ar fi programate pentru a efectua sarcini de rutină, pentru a manipula membrele astronauților și pentru a verifica senzorii corpului, liniile de evacuare a urinei și alimentările chimice. Roboții vor administra stimuli electrici mușchilor astronauților pentru a menține tonusul, împreună cu sedarea, pentru a preveni un răspuns natural de frisoane. Astronauții ar primi, de asemenea, nutriție parenterală totală, în care toți nutrienții - electroliți, dextroză, lipide, vitamine etc. - sunt administrați prin lichid printr-un cateter introdus în piept sau coapsă. SpaceWorks a echipat consumabilele TPN în modulul experimental pentru a dura 180 de zile; în cazul în care habitatul ar fi necesar pentru o ședere prelungită în Marte, modulul ar avea alte 500 de zile de nutriție.

În total, SpaceWorks Mars Transfer Habitat a redus masa totală a habitatului, inclusiv consumabile, la 19,9 tone (greutate redusă pe orbită a Pământului). Prin comparație, habitatul TransHab al NASA, cu consumabile specificate în Mars Design Reference Architecture 5.0 al agenției, cântărește 41,9 tone. Aceasta reprezintă o scădere a masei cu 52%. Comparativ cu modelul NASA, SpaceWorks a reușit să micșoreze consumabilele totale ale habitatului cu 70%.

Oficialii NIAC au fost intrigați. „SpaceWorks a făcut o propunere interesantă”, spune Derleth. „Oamenii au studiat toropitul pentru aplicații medicale. Dar nimeni, în măsura în care am putut găsi, nu face, de fapt, un studiu de inginerie despre ceea ce ar face de fapt cri-somnul sau toropirea arhitecturii unei misiuni. ”

În 2013, NIAC a acordat SpaceWorks o subvenție de fază 1 de 100.000 de dolari pentru a dezvolta o arhitectură dură, activată pentru torpor, pentru misiuni de explorare - cei cu patru până la opt membri ai echipajului care se îndreaptă spre Marte sau lunile sale. Dar agenția s-a opus ideii de a-i pune pe toți membrii echipajului în torpor pentru întreaga călătorie. Dar complicațiile medicale sau ale navelor spațiale? Cât timp ar putea sta astronauții sub daune psihologice sau fizice? Ce se întâmplă dacă o anumită complicație ar necesita trezirea lor prematură? Ce zici de timpurile lente de trezire și încălzire pentru a scoate astronauții din hibernare?

Aceste întrebări au trimis echipa SpaceWorks la lucru. Ei au proiectat un habitat al echipajului pentru toropeală, care să țină treaz cel puțin câțiva astronauți pe bază de rotație pentru pilotare și intervenții (ca în filmul din 1968 din 2001, în care doi membri ai echipajului navei spațiale descoperite de Jupiter rămân treji în timp ce alții dorm).

Apoi, echipa lui Bradford a continuat. Proiectând trei module de habitaclu interconectate pentru o misiune Marte „clasă de așezare” de 100 de pasageri - coloniști, cu alte cuvinte - echipa a produs o navă spațială și un habitat care s-a îndepărtat complet de orice a fost planul NASA. Nava SpaceWorks din clasa de așezare include două module de habitat rotative compacte, fiecare găzduind 48 de pasageri în corp. Rotirea la viteze variate ar produce gravitație artificială pentru a atenua pierderea osoasă a astronauților.

Dar, în propunerea mai îndrăzneață de „mod santinelă”, un modul separat de habitat ar găzdui patru astronauți îngrijitori de serviciu pe tot parcursul misiunii. Unul sau mai mulți ar putea fi rotiți cu alții în torpor pentru a menține echipajele în stare proaspătă.

„Obțineți 80 la sută din beneficii mergând cu bicicleta prin echipajul de hibernare și trezind unii, mai degrabă decât stingând luminile pe toată lumea timp de șase luni”, spune Bradford. Vehiculele spațiale care găzduiesc coloniști în torpori ar fi mai ușoare, ceea ce ar permite viteze mult mai mari, călătorii mai scurte și, eventual, o protecție împotriva radiațiilor mai eficientă din cauza efectului radio-protector al stazei metabolice. Mai mult, spune Bradford, astronauții care hibernează nu ar experimenta boli de mișcare, o problemă obișnuită pe Stația Spațială Internațională.