Длительное пребывание любого человека в космическом пространстве сопряжено с самыми различными рисками для здоровья, что требует от множества ученых разработки очень эффективных методов минимизации негативного воздействия окружающей среды. В ближайшее время агентство NASA планирует проведение серии масштабных полетов, целью которых является расширение возможностей освоения космоса. На текущий момент достигнут рекорд по количеству людей на околоземной орбите одновременно — 17 человек. Увеличение числа пилотируемых миссий космическими агентствами в сочетании с развитием коммерческих перевозок приводит к стремительному росту доступности полетов. Кроме того, NASA планирует осуществление пилотируемого полета на Марс уже в 2030-х годах текущего столетия.
Поэтому перед учеными стоит серьезный технический вызов, заключающийся в поиске эффективных путей защиты человека от вредного воздействия космического пространства.
Как кинезиолог, работающий с космонавтами, я много лет изучаю влияние космоса на тело и мозг человека. Я также участвую в проекте НАСА, направленном на снижение риска для здоровья участников будущего полёта на Марс.
Космическое излучение
У Земли есть защитный экран – магнитосфера, представляющая собой область пространства вокруг планеты, контролируемую её магнитным полем. Этот экран отфильтровывает космическое излучение. Однако космонавты, путешествующие дальше Международной космической станции, подвергаются постоянному воздействию этого излучения, эквивалентному от 150 до 6 000 рентгеновских снимков грудной клетки.
Это излучение может нанести вред нервной и сердечно-сосудистой системам, в том числе сердцу и артериям, что приводит к развитию сердечно-сосудистых заболеваний. Кроме того, она может привести к разрыву гематоэнцефалического барьера. В результате мозг может подвергнуться воздействию вредных для него химических веществ и белков – соединений, которые безопасны в крови, но токсичны для мозга.
NASA разрабатывает технологию защиты путешественников на Марс от радиации путём встраивания в космические аппараты и скафандры таких отражающих материалов, как кевлар и полиэтилен. Некоторые диеты и добавки, такие как энтеродез, также могут минимизировать воздействие радиации. Подобные добавки, которые также используются на Земле для лечения рака во время лучевой терапии, могут облегчить побочные эффекты облучения со стороны желудочно-кишечного тракта.
Гравитационные изменения
Космонавты должны заниматься спортом в космосе, чтобы свести к минимуму потерю мышечной массы после длительного полёта. При полётах на Марс космонавты должны будут получать такие добавки, как бисфосфонат, который используется для предотвращения разрушения костей при остеопорозе. Эти добавки должны поддерживать мышцы и кости в хорошем состоянии в течение длительного времени, проведённого без воздействия земной гравитации.
Микрогравитация также влияет на нервную и кровеносную системы. На Земле сердце перекачивает кровь вверх, а специальные клапаны в системе кровообращения не позволяют жидкостям скапливаться у ног. В отсутствие гравитации жидкость смещается к голове.
Мои и другие работы показали, что это приводит к расширению заполненных жидкостью пространств в средней части мозга. Наличие дополнительной жидкости в черепе и отсутствие гравитации, “удерживающей мозг”, приводит к тому, что мозг располагается выше в черепе, прижимая его верхнюю часть к внутренней поверхности черепа.
Такие сдвиги жидкости могут способствовать развитию нейро-окулярного синдрома, связанного с космическими полётами, – заболевания, с которым сталкиваются многие космонавты и которое влияет на структуру и функционирование глаз. Задняя стенка глаза может сплющиваться, а нервы, по которым зрительная информация поступает в мозг, набухают и изгибаются. Космонавты по-прежнему могут видеть, хотя у некоторых зрительные функции могут ухудшиться. Хотя эта область ещё не исследована, но, судя по некоторым случаям, он может сохраняться даже через несколько лет после возвращения на Землю.
Возможно, учёные смогут переместить жидкость обратно в нижнюю часть тела с помощью специализированных “штанов”, которые благодаря разрежению втягивают жидкость обратно в нижнюю часть тела. Такие штаны могут быть использованы для перераспределения жидкостей в организме таким образом, чтобы это было более похоже на то, что происходит на Земле.
Астронавт НАСА Скотт Келли (на снимке) одет в скафандр с отрицательным давлением в нижней части тела Chibis, который может помочь противостоять негативному воздействию вызванных гравитацией сдвигов жидкости в организме.
Психическое здоровье и изоляция
Космические путешествия могут нанести вред организму, однако изоляция, в которой они проходят, может оказать глубокое воздействие и на психику.
Представьте себе, что вам придётся жить и работать с одной и той же небольшой группой людей, не имея возможности видеть своих родных и близких в течение нескольких месяцев подряд. Чтобы научиться управлять экстремальными условиями, поддерживать коммуникативные и лидерские качества, астронавты сначала проходят командную подготовку на Земле.
Они проводят недели либо в рамках программы НАСА по работе в экстремальных условиях на исследовательской станции Aquarius, расположенной под водой у острова Флорида-Кис, либо в рамках программы Европейского космического агентства CAVES по картированию и исследованию пещер. Эти программы помогают космонавтам наладить товарищеские отношения с членами своей команды и научиться справляться со стрессом и одиночеством во враждебной и далёкой среде.
Исследователи изучают, как лучше контролировать и поддерживать психическое здоровье в таких экстремальных и изолирующих условиях.
Несмотря на то, что космические путешествия сопряжены со стрессами и возможностью одиночества, космонавты рассказывают об эффекте стороннего наблюдателя [overview effect]: чувстве благоговения и единения со всем человечеством. Это часто происходит при наблюдении Земли с борта Международной космической станции.
Восход Земли – знаменитый снимок, сделанный во время полёта корабля Apollo, – показывает Землю из космоса. Многие астронавты отмечают, что при виде Земли издалека они испытывают “эффект стороннего наблюдателя”.
Изучение способов поддержания здоровья и физиологии человека в космосе также может принести много пользы для живущих на поверхности Земли. Например, препараты, защищающие космонавтов от космического излучения и противодействующие её вредному воздействию на наш организм, могут также использоваться для лечения онкологических больных, проходящих курс лучевой терапии.
Понимание того, как защитить наши кости и мышцы в условиях микрогравитации, может помочь врачам в лечении хрупкости, которая часто сопровождает старение. А освоение космоса привело к многочисленным технологическим достижениям, таким как очистка воды и спутниковые системы.
Такие исследователи, как я, изучающие способы сохранения здоровья космонавтов, надеются, что наша работа принесёт пользу людям как в космосе, так и у нас дома.
Для любознательных
Защита человека от вредного воздействия космического пространства — одна из ключевых задач для долгосрочных миссий на Луну, Марс и за её пределы. Космос — экстремальная среда: здесь нет атмосферы, магнитного поля, присутствует жёсткая космическая радиация, микрометеориты, вакуум, резкие перепады температур и микрогравитация, разрушающая тело. Современные технологии уже не справляются с этими вызовами, поэтому разрабатываются принципиально новые подходы. Вот основные направления будущих технологий защиты:
1. Радиационная защита: от пассивной к активной и биологической
🔹 Пассивная защита: умные материалы
- Полиэтилен с высоким содержанием водорода — эффективно поглощает протоны и нейтроны. На МКС уже используется в виде панелей.
- Водные и гелевые экраны — вода как лучший радиационный барьер. Проект NASA Radiation Storm Shelter предполагает использование мешков с водой вокруг жилых отсеков.
- Марсианский реголит — строительный материал для баз на Марсе. Печать 3D-укрытий из местного грунта толщиной 2–3 метра блокирует до 90% радиации. Проект 3D-Printed Habitat Challenge (NASA) уже продемонстрировал прототипы.
- Биополимерные композиты — например, материал Marsha от AI SpaceFactory, созданный из базальта и биополимера, устойчив к радиации и перепадам температур.
🔹 Активная защита: искусственные магнитные поля
- Магнитосфера в миниатюре — концепция CREW HaT (University of Wisconsin) предлагает создать вокруг корабля или базы сверхпроводящее магнитное поле, отклоняющее заряженные частицы, как это делает Земля.
- Электростатические экраны — генерация сильного электрического поля для отталкивания ионов. Прототипы тестируются в рамках программы Active Radiation Shielding (ESA).
- Преимущество: масса системы — в разы меньше, чем у пассивной защиты, что критично для межпланетных перелётов.
🔹 Биологическая защита: от лекарств до генной инженерии
- Радиопротекторы — препараты, повышающие устойчивость клеток к радиации. Например, компания Epigen Biosciences разрабатывает соединения, активирующие механизмы репарации ДНК.
- Митохондриальные инъекции (MitoMars) — стартап при поддержке NASA разрабатывает технологию, при которой у астронавта заранее берутся и замораживаются здоровые митохондрии. При повреждении радиацией их вводят повторно — как «переливание энергии» для клеток.
- Генная модификация — внедрение генов от радиоустойчивых организмов, таких как Deinococcus radiodurans — бактерия, выживающая при дозе в 15 000 Гр (для человека смертельная — 5 Гр). Исследования ведутся в рамках программ DARPA и NASA.
- Самовосстанавливающиеся ткани — технологии, стимулирующие регенерацию повреждённых клеток, в том числе нейронов и кровеносных сосудов.
2. Защита от микрогравитации и потери мышечной массы
- Искусственная гравитация — вращающиеся модули корабля (как в фильме «Марсианин» или «2001: Космическая одиссея»). NASA и ESA проектируют вращающиеся жилые отсеки, создающие центробежную силу, имитирующую гравитацию (0,3–1 g).
- Экзоскелеты и вибрационные платформы — для поддержания тонуса мышц и костей. Уже тестируются на МКС.
- Фармакологическая поддержка — препараты, замедляющие деградацию костной ткани (аналоги деносумаба) и стимулирующие синтез белка.
3. Защита от микрометеоритов и космического мусора
- Самозалечивающиеся обшивки — многослойные материалы с внутренним гелем, который заполняет пробоины при ударе. Аналоги тестируются на МКС.
- Активные системы обнаружения и уклонения — радары и ИИ, предсказывающие траектории частиц и корректирующие курс корабля.
- Магнитные и электростатические отражатели — для отклонения мелких металлических частиц на орбите.
4. Защита от психологических и когнитивных рисков
- Искусственный интеллект-компаньон — ИИ, способный вести диалог, распознавать стресс и предлагать психологическую поддержку. Уже тестируются прототипы (например, CIMON от Airbus и IBM).
- Виртуальная реальность — имитация Земли, природы, общения с близкими — для борьбы с изоляцией.
- Нейромониторинг — нейроинтерфейсы, отслеживающие усталость, концентрацию и эмоциональное состояние экипажа.
5. Жизнеобеспечение: замкнутые экосистемы
- Биореакторы на основе водорослей (Chlorella, Spirulina) — производят кислород, поглощают CO₂, служат источником белка.
- Установки переработки отходов — превращают мочу и органику в воду, удобрения и стройматериалы. Технологии уже работают на МКС (например, системы ВКД).
- 3D-печать из лунного грунта — позволяет строить укрытия, инструменты и запчасти прямо на месте, снижая зависимость от поставок с Земли.
6. Защита на поверхности Луны и Марса
- Подземные базы — строительство под поверхностью, защищающее от радиации и метеоритов. Используются лавовые трубки на Луне и Марсе как готовые «пещеры».
- Гибкие модули с радиационным экраном — надувные жилые модули (например, BEAM от Bigelow Aerospace), покрытые защитными слоями.
- Локальные магнитные щиты — предложения по размещению сверхпроводящих катушек вокруг баз для создания защитного поля.
🔮 Будущее: интеграция технологий
В ближайшие 20–30 лет защита астронавтов станет многослойной и интегрированной:
- Физическая защита (материалы, магнитные поля),
- Биологическая (лекарства, генетика),
- Техническая (ИИ, мониторинг),
- Психологическая (виртуальная реальность, поддержка).
Так, например, миссия на Марс может включать:
- Корабль с активной магнитной защитой,
- Экипаж с инъекциями радиопротекторов и митохондрий,
- Жилой модуль, напечатанный из марсианского грунта,
- Искусственную гравитацию в отсеке отдыха,
- ИИ-ассистента для психологической поддержки.
Заключение
Без надёжной защиты человек не сможет жить в космосе. Будущее — за гибридными системами, сочетающими физику, биологию и искусственный интеллект. Россия, США, ЕС, Китай и частные компании (SpaceX, Blue Origin) активно инвестируют в эти технологии. Пока космос остаётся враждебной средой, но уже в XXI веке он может стать доступным — благодаря новым щитам, невидимым, но эффективным.
Автор: Вячеслав Голованов @SLY_G
Источник: https://habr.com/
