Anpassung an die erhöhte Schwerkraft auf fremden Planeten

Dies ist nicht nur relevant für die zufällige, ferne zukünftige menschliche Besiedlung oder einen anderweitigen langfristigen Aufenthalt auf Himmelskörpern mit einer Schwerkraft, die größer als die Erdoberfläche ist, sondern auch für eine konstante Beschleunigung der Raumfahrt bei über 1 g. Es ist eine faire Frage, und um fair zu sein, haben wir keine Ahnung, inwieweit die Anpassung an Hypergravitationsbedingungen für Menschen noch als sicher angesehen werden kann und ab wann Sie anfangen würden, erhöhte Risiken einzugehen Herzinsuffizienzraten, Atemprobleme, Schwindel und die Unfähigkeit, grundlegende Funktionen auszuführen, da das Innenohr versagt und wir desorientiert werden oder sogar Hypoxie oder eine ebenso tödliche Stickstoffnarkose erfahren.

Einige Studien über Säugetiere, die sich anpassen (oder nicht, wie sie gezeigt haben), wurden mit Zentrifugen durchgeführt. Zum Beispiel NASA Ames et al. führten eine Studie an Ratten (PDF) durch, die zu folgendem Schluss kam:

Das Aussetzen von Ratten der Hypergravitation durch chronische Zentrifugation führte zu einer akuten, von der Schwerkraft dosisabhängigen Abnahme sowohl der Körperkerntemperatur als auch der groben lokomotorischen Aktivität. Phase und Amplitude des zirkadianen Rhythmus wurden durch die Exposition gegenüber den hyperdynamischen Bedingungen auf der Zentrifuge verändert.

Aber das waren eher kurzfristige (Tage oder Wochen) Experimente an vierbeinigen Lebewesen mit kleinen Körpern. Nicht die besten Vertreter dafür, welche Probleme Menschen in der Hypergravitation überhaupt begegnen würden.

Meiner Ansicht nach ist die natürliche Anpassung des Menschen an die Hypergravitationsumgebung in Umgebungen mit stark erhöhter Schwerkraft wahrscheinlich unmöglich, da wir einfach zu groß sind und unser Herz-Kreislauf- und Atmungssystem nicht lange Zeit aufstehen und Dinge tun würde, wie wir es normalerweise tun würden . Ich habe jedoch einen Hinweis gegeben, wie ich das jetzt teilweise lösen kann. Steh nicht auf. Ob dies über längere Zeiträume möglich wäre und es den Menschen immer noch erlauben würde, so viel wie möglich zu tun, damit sich die Mühe lohnt, weiß ich nicht, aber es ist ein Anfang.

Eine andere Möglichkeit könnte das Tragen von Kompressionskleidung sein, ähnlich denen, die Kampfpiloten tragen, während von ihnen erwartet wird, dass sie Manöver mit hoher Geschwindigkeit durchführen und den Unterkörper komprimieren, um die Blutzufuhr zu den Beinen vorübergehend zu unterbrechen und den Blutdruck im Rest des Kampfpiloten zu erhöhen Körper, so dass das Blut immer noch ihr Gehirn erreichen kann und sie nicht in das geraten, was heute als G-LOC (G-Force Induced Loss Of Consciousness) bekannt ist. Das Problem ist, dass Kompressionskleidung in Umgebungen mit konstanter Hypergravitation nicht lange genug entleert werden konnte, um den Insassen wieder normal atmen zu lassen und den Blutfluss durch den Unterkörper zu ermöglichen. Sie müssten also umgestaltet werden, um sich wahrscheinlich in Intervallen nach dem eigenen Herzschlag aufzublasen (komprimieren) und zu entleeren (dekomprimieren), um die menschliche Herz-Kreislauf- und Atmungsfunktion zu unterstützen.

Gleichzeitig müssten wir höchstwahrscheinlich Rebreather tragen, um unsere Atemfunktionen zu unterstützen und zu kontrollieren, selbst wenn der Hypergravitationsplanet, den wir bewohnen würden, eine absolut akzeptable und atmungsaktive Atmosphäre hat. Ich habe bereits einige mögliche ungünstige Szenarien für unser Atmungssystem unter solchen Bedingungen erwähnt, aber ein weiteres, nicht ausgeschlossenes wäre ein Lungenödem, das zum Ersticken führt, einfach aufgrund des zusätzlichen Drucks auf unsere Lunge und der damit verbundenen Atembeschwerden. Gesunde Menschen in ihren besten Jahren würden in dieser Hinsicht wahrscheinlich für kurze Zeit in Ordnung sein, aber das reicht nicht für eine Kolonisierung, nur vielleicht Außenposten.

Um es noch einmal zusammenzufassen, wir wissen es nicht. Da habe ich es gesagt.

Kommentar : Vielleicht interessanter als die Tatsache, dass wir nicht genug Daten über die Widrigkeiten der Hypergravitation beim Menschen haben, ist die Frage, warum wir das nicht tun. Ein sofort offensichtliches Problem ist das Risiko, das mit der Durchführung solcher Experimente verbunden ist, und dass es Jahre dauern kann, bis sich einige der nachteiligen Auswirkungen entwickeln, und ohne dass wir wissen können, ob wir sie verhindern oder zumindest bewältigen können, sobald sie dies tun, da wir wüsste gar nicht, was genau zu erwarten ist. Aber es gibt auch streng technische Einschränkungen.

Auf der Erde simulieren Zentrifugensysteme Hypergravitationsbedingungen nicht genau genug, da es immer eine nach unten gerichtete Komponente (die eigene Schwerkraft der Erde) gibt, die zur Liste der Beschleunigungskräfte hinzukommt. Der kombinierte Beschleunigungsvektor in solchen horizontalen Systemen ist also tatsächlich irgendwo zwischen 0 und 90 ° zur Rotationsebene geneigt, aber niemals um das eine oder andere, solange sich die Zentrifuge dreht. Und wenn die Zentrifuge vertikal steht, oszillieren kombinierte Beschleunigungskräfte bei jeder Umdrehung und ergeben so etwas wie einen Wäschetrockner.

Meines Wissens wurde das größte derartige horizontale Zentrifugensystem, das jemals gebaut und tatsächlich in Betrieb genommen wurde, von den Sowjets während der frühen bemannten Raumfahrt unternommen, und es war groß genug, um Kosmonauten tagelang zu beherbergen. Es verwendete einen geneigten Boden und einen Wohnbereich . Wie Sie sich wahrscheinlich vorstellen können, hat es den Versuchsleitern viel mehr Spaß gemacht als den Probanden. Der Beschleunigungsgradient entlang des Radius und die Rotation allein durch den Coriolis-Effekt erzeugten einige interessante, aber erwartete Nebenwirkungen:

       ^{Kosmonauten, die im Zentrifugensystem von Star City trainieren, demonstrieren den Coriolis-Effekt auf den Flug von Pfeilen, wenn sich die Zentrifuge dreht.}

Aber vielleicht noch wichtiger, Kosmonauten erlebten Schwindel, Übelkeit, verlorene motorische Fähigkeiten aufgrund von Beschleunigungseffekten / simuliertem Hypergravitationsgradienten, die die Fähigkeit des Innenohrs und des Hippocampus beeinträchtigten, sensorische Informationen in Orientierungssinn zu übersetzen, und ein schlecht betroffenes räumliches Gedächtnis, das sie regelmäßig zeigten ihr Mittagessen , nachdem sie es verzehrt (oder versucht hatten) und brauchten Tage bis Wochen, um sich zu erholen.

Es war bei weitem keine Vorstellungskraft, ein System zu entwickeln, das die Auswirkungen eines längeren Aufenthalts in einer Hypergravitationsumgebung genau simulieren konnte. Und der Bau noch größerer solcher horizontaler Systeme, um den Beschleunigungsgradienten etwas zu entfernen, und eines mit direktem Zugang durch seinen Brennpunkt, während es sich dreht, kommt aufgrund technischer und materieller Einschränkungen nicht in Frage. Das Letzte, was Sie in einem Zentrifugensystem wollen, ist der Galloping-Gertie - Effekt. Wenn Sie keine kreisförmige Bahn bauen, können Sie nicht einfach in das Zentrifugensystem ein- und aussteigen, während es in Betrieb ist, und Sie können eine ausreichend große und konstante Geschwindigkeit der Karren aufrechterhalten. Vielleicht eine kreisförmige Magnetschwebebahn?

Alternativ könnte all dies gelöst werden, indem solche Zentrifugensysteme im Orbit gebaut werden, dh Raumräder, die sich mit einer Zentrifugalbeschleunigung drehen, die größer ist als die der Erdoberflächengravitation entsprechende Zentrifugalbeschleunigung, aber es gibt ein weiteres Problem, dass sie absolut riesig sein müssten und einen Radius haben, der groß genug ist, um das auch zu entfernen starken Gravitationsgradienten entlang eines menschlichen Körpers und nähern Sie sich so niedrigen Niveaus, dass behauptet werden könnte, dass es weitgehend unbedeutend ist und die Ergebnisse Ihres Experiments nicht in großem Maße beeinflusst.

Dies im Orbit durchzuführen, ist jedoch weit entfernt von unseren derzeitigen technischen Möglichkeiten, da all die unterstützenden Einrichtungen erforderlich sind, um solche Experimente an Menschen in einer kontrollierten Umgebung durchzuführen. Es ist möglicherweise auch nicht einfach, Testpersonen zur Teilnahme bereit zu machen, da Sie gesetzlich verpflichtet sind, unter vollständiger Offenlegung zu arbeiten (in den USA und in der EU), aber Sie würden nicht wirklich wissen, was Sie erwarten können. Sie müssten also auf alle Eventualitäten vorbereitet sein, und das bedeutet einfach, dass wir auch zu viele Einrichtungen im Orbit haben, die wir noch nicht haben. Sie würden bei solchen Operationen auch hohe Haftungsrisiken eingehen.

All dies bedeutet, dass keine Raumfahrtbehörde oder Forschungseinrichtung auch nur annähernd so etwas in Gang gesetzt hat, geschweige denn mit der Durchführung solcher Experimente begonnen hat. Es ist eine der großen Unbekannten, mit der wir uns höchstwahrscheinlich auseinandersetzen müssen, indem wir uns auf die Erforschung durch Roboter verlassen, bis die Grenzen unseres eigenen Körpers durch unsere Technologie angegangen werden können. Wir sind noch nicht da.

Wenn Sie interessiert sind, wurden diese Themen auch aus einer etwas anderen Perspektive (Untersuchung der Auswirkungen von reduzierter Schwerkraft und langfristiger Präsenz auf dem Mars auf Menschen) während der jüngsten The Space Show Classroom-Ausgabe von Dan Adamo, Dr. John Jurist, Dr. Jim Logan und der Gastgeber Dr. David Livingston. Sie kommentierten hauptsächlich die Pathways to Mars - Studie von NRC, aber sie erwähnten das Fehlen solcher Studien und warum das so ist. Aufzeichnung und weitere Infos gibt es hier (MP3).

Ein Stuhl.

Es gibt eine als "Sitzen" bekannte Technologie, die üblicherweise in Multi-G-Umgebungen auf und in der Nähe der Erde angewendet wird, beispielsweise während eines Fluges. Die Antwort ist also, dass wir unsere Unterteile verwenden würden.

Bei gleicher Dichte nimmt die Oberflächengravitation nur linear mit dem Radius des Planeten zu. Und schon bei wenigen Erdradien sollen Planeten riesige Wasserstoffatmosphären ansammeln, wie unsere Gasriesen, in denen wir lieber schwimmen als sitzen. Nackte Felsen mit mehr als der doppelten Schwerkraft der Erdoberfläche sind wahrscheinlich sehr selten.