بی وزنی چه تاثیری بر بدن فضانوردان در فضا دارد؟

تکراتو/ حس بی زونی یا گرانش صفر زمانی رخ می‌دهد که تاثیرات جاذبه احساس نشود. به بیان فنی، گرانش به عنوان نیرویی تعریف می‌شود که در بین دو جرم باعث نزدیک شدن آنها به سمت یکدیگر می‌شود. نیروی گرانش در همه کائنات وجود دارد؛ اما فضانوردان در فضا معمولا تاثیرات آن را احساس نمی‌کنند.

به عنوان مثال، ایستگاه فضایی بین‌المللی به طور دائم به سوی زمین سقوط آزاد می‌کند. سرعت این سقوط با سرعت حرکت رو به جلوی آن تقریبا برابر است. به این معنا که فضانوردان داخل آن در هیچ جهتی کشیده نمی‌شوند و معلق هستند.

شاید در نگاه اول به نظر برسد عدم تاثیر هرگونه نیرویی بر روی پاهای انسان، احساس خوشایندی باشد، اما در دراز مدت می‌تواند مشکلات جسمی زیادی را با خود به همراه بیاورد. تاثیراتی مانند ضغف در استخوان ها و ماهیچه‌ها و مواردی این چنینی در بدن رخ خواهد داد.

از همین رو یکی از کاربردهای ایستگاه فضایی بین‌المللی مطالعه چگونگی تاثیر طولانی مدت بی‌وزنی بر سلامتی فضانوردان است.

تجربه بی‌وزنی در فضا

شما برای رهایی از دام گرانش نیازی به ترک سیاره ندارید. تصور کنید هنگامی را که سوار بر ترن هوایی در بالای یک تپه قرار می‌گیرید و ترن ناگهان به سرعت به سمت پایین شیرجه می‌زند، در این صورت بی‌وزنی را احساس خواهید کرد. یا به عنوان مثالی دیگر اگر سوار بر یک هواپیما کوچک باشید و به طور ناگهاتی در برابر جریان سریع باد قرار بگیرید.

اما اگر بی‌وزنی پایدار و طولانی‌تری می‌خواهید، این امکان را باید در پروازهای پارابولا تجربه کنید. به عنوان مثال در برنامه پرواز گرانش کاسته شده ناسا، پرواز‌های هواپیماها با حدود ۳۰ تا ۴۰ پارابولا انجام می گیرد تا بدین وسیله محققان آزمایش‌های خود را بر روی بی‌وزنی انجام دهند. زمانی که هواپیما در مسیر سهمی شکل پرواز خود به نقطه بالای سهمی می‌رسد و پس از آن به سمت پایین فرود می آید، مسافران در حدود ۲۵ ثانیه میکروگراویتی (گرانش نزدیک به صفر) را احساس خواهند کرد. این گونه پروازها که عمدتا منجر به حالت تهوع در مسافران می‌شود، به Vomit Comet مشهور هستند. کمپانی‌هایی نظیر Zero G Corp برای افرادی که مایل هستند چنین تجریه‌هایی داشته باشند، امکان حضور در پرواز‌ها را مهیا کرده‌ است، البته با هزینه‌های خاص خودش!

برنامه پرواز گرانش کاسته شده ناسا (NASA’s Reduced Gravity Flight Program) امکان تحقیق در یک شبیه‌ساز محیط دارای بی‌وزنی را برای دانشمندان به وجود آورده است. هواپیما گرانش کاسته شده بر اساس یک الگوی سهمی یا پارابولیک به بالا و پایین پرواز می‌کند. در الگوی پارابولیک، هنگام قرار گرفتن هواپیما در بخش بالایی سهمی، درحدود ۳۰ ثانیه سرنشینان در شرایط هایپرگرویتی (hypergravity) قرار می‌گیرند. در این حالت گرانش بین ۱.۸g تا ۲g متغیر است. (هر g واحد گرانش و معادل ۹.۸ متر بر مجذور ثانیه است). همچنین در آن لحظه که در بالای سهمی دماغه هواپیما رو به سمت زمین قرار می‌گیرند سرنشینان حدود ۲۵ ثاینه شرایط میکروگرویتی (microgravity) را تجریه می‌کنند. در شرایط میکروگرویتی مطلقا هیچ گرانشی وجود ندارد. (g=0). یک پرواز معمول شامل ۳۰ تا ۴۰ مانور پارابولیک می‌شود.

بازیگران و دست اندرکاران فیلم آپولو ۱۳ (Apollo 13 – ۱۹۹۵) ساعت‌های زیادی را در هواپیما و در حال انجام متمادی پروازهای پارابولا بودند و بارها بی وزنی مصنوعی را تجربه کردند. این موضوع به بازیگران این امکان را می‌داد تا در عوض روش‌های پرزحمتی مثل آویزان بودن از سیم، به طور واقعی هنگام حضور در فضاپیما در فیلم، معلق باشند.

با این حال، فضانوردان برای بازه‌های زمانی بسیار طولانی بی‌وزنی را تجربه می‌کنند. طولانی‌ترین زمان متمادی حضور در فضا در حد واسط سال‌های ۹۵-۱۹۹۴ رخ داد، جایی که والری پلیاکوف (Valeri Polyakov) مدت ۴۳۸ روز متوالی را در فضا سپری کرد.

حتی حضور چند روزه در فضا نیز می‌تواند مشکلات موقتی را برای سلامت فضانوردان در پی داشته باشد. به عنوان مثال می‌توان به اتفاقی که برای هیدماری استفانیشین‌ پایپر (Heidemarie Stefanyshyn-Piper) رخ داد، اشاره کرد. او یکی از اعضای ماموریت STS-115 در سال ۲۰۰۶ بود وطی این ماموریت نه چندان طولانی، مدت دو هفته‌ در فضا حضور داشت. او پس از آنکه به زمین بازگشت در کنفرانس مطبوعاتی پس از فرود‌ش، به دلیل آنکه به طور کامل به نیروی گرانش عادت نکرده بود، غش کرد.

یک روز پس از آنکه هیدماری استفانیشین‌ پایپر (Heidemarie Stefanyshyn-Piper) بوسیله شاتل فضایی آتلانتیس، از ۱۲ روز حضور در شرایط گرانش صفر به زمین بازگشت، در جشن خوش‌ آمد گویی‌اش در الینگتون فیلد غش کرد و به بیمارستان منتقل شد. پایپر پس تقریبا حدود ۳۰ ثانیه صحبت کردن، سرش گیج رفت و به جایگاه سخنرانی چسبید. سایر خدمه شاتل آتلانتیس قبل از آنکه او به زمین بخورد، زیر بازو‌هایش را گرفتند. (منبع: واشنگتن پست)

تاثیرات کوتاه‌ مدت بی وزنی

بی وزنی برای چندین دستگاه کلیدی بدن انسان آرامش و تمدد اعصاب را به بار می‌آورد؛ به این دلیل که در حالت بی وزنی نیازی به مقابله با نیروی کشش گرانش زمین ندارند. طبق گفته ناسا، به دلیل آنکه سیستم تعادلی انسان توانایی تشخیص سطوح کف و سقف را از دست می‌دهد؛ فضانوردان در درک احساس بالا و پایین رفتن دچار سردرگمی می‌شوند. طراحان فضاپیماها این موضوع را لحاظ می‌کنند. به عنوان مثال بر روی جداره‌های ایستگاه فضایی بین‌المللی (ISS)، نوشته‌هایی وجود دارد که همه‌ آنها جهت یکسانی را نشان می دهند.

تصویری از یک محیط بی‌وزن در پرواز گرانش صفر (Zero-G) که توسط شرکت X PRIZE ترتیب داده شده است. افراد حاضر در تصویر از چپ به راست: رابرت مک‌اوین (رئیس یو‌اس گلد)، جیمز کامرون (کارگردان و تهیه‌کننده سری فیلم‌های آواتار)، پیتر دایموند (مدیر عامل X PRIZE)، ایلان ماسک (مدیر عامل اسپیس‌ایکس) و جیم جیانوپولوس (رئیس و مدیر عامل کمپانی فیلم سازی فاکس)

فضانوردان همچنین اختلالاتی را در سیستم انعکاسی خود نیزاحساس می‌کنند. سیستمی که در جهت‌گیری دست‌ها، پاها و سایر اندام‌های بدن را نسبت به یکدیگر مشخص می‌کند. در همین زمینه یکی از فضانوردان آپولو در مصاحبه‌ای با ناسا گفت:

اولین شبی که در فضا بودم و تصمیم گرفتم بخوابم، ناگهان متوجه شدم که جهت دست‌ها و پاهایم را درک نمی‌کنم. محل هیچ یک از اندام‌هایم را نمی‌توانستم در ذهنم تجسم کنم.

این عدم درک محل اندام‌ها، به مدت چند روز حالت تهوع را برای فضانوردان به ارمغان می‌آورد. یکی از مشهورترین مثال‌های این موضوع در پروژه آپولو ۹ در سال ۱۹۶۹ رخ داد. روستی اشوایکارت (Rusty Schweickart) برنامه خود برای راهپیمایی فضایی را به دلیل احساس تهوع تغییر داد. نگرانی از این بابت بود که مبادا در طول راهپیمایی و در لباس فضایی خود دچار حالت تهوع و استفراغ شوند. در این حالت محتویات خارج شده از لوله گوارش او در کلاه فضایی‌اش پخش می‌شد، دید را مختل می‌کرد و حتی می‌توانست با اختلال در عملکرد دستگاه تنفسی همراه باشد و منجر به مرگ شود.

در طراحی فضاپیماها همچنین باید میکروگراویتی (گرانش صفر) نیز در نظر گرفته شود. به عنوان مثال در جداره سفینه‌های فضایی دستگیره‌هایی اضافی (Foothold و Handhold) تعبیه می‌شود تا به این وسیله فضانوردان به آنها متصل شوند و به صورت معلق در فضا باقی نمانند (همچنین در صورتی که فضانوردان از محل‌های اتصال اصلی (Grip) جدا شوند به این دستگیره‌ها چنگ خواهند زد).

تاثیرات طولانی مدت

فضانوردانی که برای چندین هفته و یا چندین ماه در فضا حضور دارند، با مشکلات متعددی مواجه خواهند شد. به عنوان مثال، یون کلسیم ذخیره شده در استخوان‌ها آزاد شده و از طریق ادرار دفع می‌شود. این موضوع منجر به ضعیف شدن استخوان‌ها می شود. در این حالت فضانوردان مانند افرادی مبتلا به پوکی استخوان بسیار حساس هستند، به طوری که با یک لیز خوردن و یا افتادن ساده امکان شکستن استخوان‌های آنها وجود دارد. مثالی دیگر از مشکلاتی که حضور طولانی مدت در فضا برای فضانوردان به ارمغان می‌آورد، کاهش توده ماهیچه‌های آنها است.

اما ایستگاه فضایی بین‌المللی مدت‌ها بستر مناسبی برای مطالعات ناسا بر روی چگونگی تاثیر طولانی مدت بی‌وزنی بر سلامت فضانوردان بوده است. در راستای این مطالعات تاکنون تغییرات زیادی انجام شده است. به عنوان مثال در سال ۲۰۰۸ سکوی تمرین مقاوتی موقت (iRED) جای خود را به سکوی تمرین مقاومتی پیشرفته (ARED) داد.

این سکو محلی برای انجام ورزش به صورت بلند کردن وزنه است، پاهای فضانوردان در حالت ایستاده بر روی آن محکم می‌شود. با استفاده از چند استوانه خلا، فضانوردان بایستی میله‌‌ای که در این دستگاه تعبیه شده را بالا و پایین ببرند. در نهایت حسی به مانند حس برداشتن وزنه بر روی زمین به فضانورد القا می‌شود. افزایش تراکم استخوان‌ها و قدرت ماهیچه‌ها از نتایج اولیه استفاده از سکوی تمرینی مقاوت پیشرفته است. با این وجود، نتیجه‌گیری از آزمایش‌های انجام شده در فضا، به دلیل سلامت جسمانی بالای فضانوردان و جمعیت اندک ‌آنها کار بسیار دشواری است.

به طور معمول فضانوردان برای مقابله با این اثرات بایستی روزانه ۲ ساعت تمرین‌های اختصاصی انجام دهد. این‌ها نه تنها  شامل تمرین‌های قلبی‌عروقی و بلند کردن وزنه می‌شوند، بلکه عوض کردن لباس‌ها و تنظیم و راه‌اندازی تجهیزات را نیز شامل می‌شود.

با وجود این تمرین‌ها، هنوز هم فضانوردانی که پس از ماموریت‌های معمول ۶ ماه به زمین باز می‌گردند به ماه‌ها توانبخشی برای عادت کردن دوباره به زندگی در زمین نیاز دارند. همچنین پزشکان اخیرا تغییراتی در فشار چشم مشاهده کرده‌اند. ناسا نیز تغییرات بینایی فضانوردانی که در ایستگاه فضایی بودنذ را مشاهده و پیگیری کرده، اما موضوعی جدی و نگران ‌کننده را گزارش نکرده است.

پی بردن به علت این موضوع هنوز در دست بررسی است ولی یک دلیل احتمالی می‌تواند مربوط به واکنش مایع نخاعی به شرایط گرانش کم باشد، در حالی که به طور معمول در سطح زمین هنگام دراز کشیدن و یا ایستادن، مایع نخاعی تغییر مکان می‌دهد. در شرایط گرانش اندک مکان آن دارای پایداری نسبی است.

در سال ۲۰۱۷ یک رشته مطالعات بر روی تاثیرات پرواز‌های کوتاه و طولانی مدت بر روی مایع نخاعی به طور مداوم انجام گرفت. بعضی مطالعات از افزایش اندکی در میزان کربن‌ دی اکسید فضانوردان ایستگاه فضایی حکایت می‌کردند. این موضوع به دلیل وجود سیستم‌های تصفیه ایستگاه است. افزایش مقدار گاز کربن دی اکسید می‌تواند در بروز مشکلات چشم موثر باشد.

اسکات کلی (Scott Kelly) فضانورد سابق ناسا، در حدفاصل سال‌های ۲۰۱۵ تا ۱۶ در یک ماموریت نادر یکساله در ایستگاه فضایی بین‌المللی شرکت داشت. مارک کلی (Mark) بردار دوقلوی او و فضانورد سابق ناسا که پیش از اسکات بازنشسته شده بود. این دو در یک سری آزمایش شرکت کردند که در آنها وضعیت سلامتی اسکات (که در ایستگاه فضایی حضور داشت) با وضعیت سلامتی مارک (که در سطح زمین بود) مورد مقایسه قرار می‌گرفت.

دوقلوهای فضانورد ناسا، مارک و اسکات. اسکات کلی (Scott Kelly) در دو ماموریت بر شاتل فضایی نشسته است. در یکی به عنوان خلبان و در دیگری به عنوان فرمانده عملیات. او همچنین در سه ماموریت در ایستگاه فضایی بین‌المللی (Internatinal Space Staion) به عنوان فرمانده حضور داشته است. در آخرین ماموریت او ۳۴۰ روز متوالی را در ایستگاه فضایی سپری کرد. این بخشی از یک آزمایش منحصر به فرد بود. ناسا منحصرا تغییرات به وجود آورده در بدن او که در ایستگاه فضایی حضور داشت را با بدن برادرش، مارک، که بر روی زمین بود مقایسه می‌کرد. هدف از این آزمایش پی بردن به این موضوع بود که آیا تغییرات فیزیکی در فضا بر توالی ژنتیکی اثرگذار است یا خیر. به همین دلیل بود که مدت زمان حصور او در فضا اینقدر طولانی شد. (منبع: دانشگاه آرکانساس)

نتایج اولیه یک مطالعه که در اکتبر ۲۰۱۷ منتشر شد نشان داد که ژن‌های مختلف در فضا روشن و خاموش می‌شود. سایر مطالعات در اوایل سال جاری نیز تغییرات دقیقی را نشان می‌دهند. به عنوان مثال ترومر‌ها که توالی‌های غیر کد کننده در انتهای کروموزوم‌ها هستند در کروموزوم‌های اسکات به طرز چشم‌گیر و موقتی در فضا طویل‌تر بودند. همچنین توانایی‌های شناختی (سرعت و دقت تفکر) و شکل‌گیری استخوان‌ها، در اسکات، دچار ضعف بود. هر چند این مقدار در اندازه‌ای نبود که نگران‌کننده باشد.

تیمور خسروی