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《科学24小时》

开博时间:2016-07-01 14:43:00

旨在向全国广大群众,特别是具有中等文化程度的广大青年,普及科学技术知识,繁荣科普创作,启迪思想,...

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忙碌的太空生活

2017-12-12 21:13:00

  进入太空后,针对宇航员进行的种种训练就会结束吗,他们会轻松很多吗?当然不!事实上,宇航员在太空中只会更加忙碌。除了进行日常的训练和规定的科学活动外,他们还要接受周密的监测,而参与许多具有高科技含量的实验则更是宇航员的家常便饭。当然,这些监测和训练的数据不仅能支持未来的宇航员走得更远,也能为我们普通人提供帮助。

  本文借欧洲航天局(ESA)几名宇航员在空间站所做的几个实验项目,为读者展示一下宇航员忙碌的太空活动及其科学价值。

  呼吸道监测

  2014年7月2日,在美国宇航局约翰逊航天中心9号楼,来自欧洲航天局的宇航员萨曼莎·克里斯托弗里蒂,接受了使用航天器宇宙飞船模拟设施(SVMF)的训练。训练包括约200个不同的科目,为宇航员在轨道上应对任何问题或紧急情况做好各种准备。

  人类在呼吸时会释放出一些一氧化氮微粒,它们的数量变化可以作为检测肺部炎症的指标,但这种方法的原理尚未完全弄清楚。为此,此次新设的呼吸道监测实验项目,增加了对宇航员呼出一氧化氮数据的采集。萨曼莎和其他宇航员呼吸时将佩戴分析微粒的便携式防毒面具,测试太空中一氧化氮的含量变化,评估其作为诊断工具的价值。

  有人担心,灰尘可能会危及宇航员在其他行星或月球上活动时的健康。例如,“阿波罗计划”的登月宇航员就表示,月尘无孔不入,它们会粘附在设备和衣服上,被带入航天器。于是该实验不但要在国际空间站的正常压力下进行,而且为了模拟月球基地环境,还会将其置于探索密闭舱半压力的环境里面,这也是探索密闭舱第一次被用于科学研究。

  这些有关呼吸道监测的实验,将为未来宇航员登上月球或其他星球铺平道路。

  软骨训练

  人体的软骨可以吸收震动,减少骨关节的摩擦,为骨骼提供必要的保护。但人体自身不会修复受损的软骨,因此会出现关节疼痛和关节炎等病症。

  不过在太空生活时,微重力环境不会对宇航员的关节产生什么压力,因此科学家判断,人体骨骼中的钙质会不断流失,甚至还会自行减少一些软骨。为了检验这一理论,在执行宇航任务的前后,科学家会分别用核磁共振成像扫描宇航员的膝盖,以记录他们软骨的变化。

  为了保证软骨健康,适应重返地球后的生活,宇航员通常会接受软骨训练。这种训练的相关指标非常精细,负载不能太重,以防挫伤软骨、损害运动组织;也不能太轻,太轻无法达到训练效果。

  事实上,软骨训练不仅对宇航员非常有用,而且对那些长期卧床的患者也会有很大帮助。训练可以研究防止软骨损伤的方法,提高对关节炎的认识。

  生物周期节律

  人体的生物钟会跟随地球的24小时周期运转,并对阳光做出反应,让我们在白天精神抖擞,在夜晚昏昏欲睡。

  但在宇宙空间中,比如在国际空间站环绕地球时,宇航员每24小时会经历16次日出和日落,这就打破了人体原有的生物周期,但同时也成了一个研究生物周期节律的宝贵机会。

  生物周期节律的实验将测量宇航员的体温和褪黑激素,后者是一种与睡眠相关的激素。在测量宇航员的体温等数据时,科学家会使用一种名叫Thermolab的新传感器。依据检测信息,生物学家可以为宇航员提供有效的休息解决方案,尽量降低在宇宙空间中混乱生物周期造成的影响,并让宇航员在关键时刻保持警觉,打起精神。

  其实目前关于生物周期节律的实验对于下一代宇航员,以及在地球上工作不定时的医生和急救人员等都很有意义,特别是在南极康科迪亚研究基地工作的研究人员,他们一年中有近4个月的时间见不到阳光。

  这些实验数据将被共享,与ESA“火星500计划”等单独进行的研究相比较,帮助我们了解人体的生物钟奥秘。

  皮肤-B实验

  在国际空间站执行任务期间,萨曼莎参与了皮肤-B实验。皮肤能够保护肌体,调节温度,还能让我们感知物体。但随着年龄的增长,我们的肌肤会变得脆弱,损伤后需要花更长的时间愈合。特别是在宇宙空间中,宇航员会失去更多的皮肤细胞,导致肌肤迅速衰老。皮肤开裂、起皮疹、皮肤发痒等是所有宇航员都会遇到的问题。

  该实验旨在收集关于皮肤结构、氧化作用、水合作用和弹性的数据,目标是建立皮肤如何变老的计算机模型,这将有助于探究保护人体皮肤的有效方法。

  太空头痛

  近四分之三的宇航员在太空患头痛病,最初的几个星期常常更糟糕。这种头痛于我们在地球上的感觉不同,一些宇航员将其描述为“爆炸般的疼痛”。

  针对太空头痛现象,科学家采用了最常规的问卷调查,以了解宇航员所经历的头痛情况和频率,分析太空头痛出现的真正原因——难道和在微重力环境里流体向头部运动有关?地面上和太空中的头痛之间有没有什么必然联系?

  在2012年执行任务时,ESA宇航员安德烈·库伊佩尔斯成为了第一个调查对象。研究人员会根据头痛疾病的国际分类,对宇航员的太空头痛进行归类和分析。目前,所有宇航员都将定期填写一份问卷,供研究人员进行数据收集。

  能量监测

  对于宇航员来说,如何保证他们在执行任务时拥有充足的能量非常重要。以探索火星的任务为例,到达火星需耗时18个月,在只有一定载重量的前提下,我们又该如何确保宇航员充足的食物呢?

  能量监测实验要解决的主要问题,就是了解宇航员在这18个月里需要多少食物。想象一下,在火星着陆这种关键时刻,如果宇航员能量耗尽,那么后果将非常可怕。

  来自ESA的宇航员安德烈·库伊佩尔斯、卢卡·帕米塔诺和亚历山大·格斯特,都参与了这项复杂的实验。工作人员既要规划足够的食物供宇航员的能量消耗之需,又不能供应过量。如同大多数生理学实验一样,测量要贯穿于飞行之前、期间和之后的全过程,这是记录在地球和在微重力环境里生活差异的唯一方式。

  实验的太空部分总计持续了11天,宇航员将食用专门包装的太空食品,包装袋上会有条形码,让宇航员了解其具体成分。在太空中,宇航员还会饮用含有氘同位素的水,并定期收集水及尿液样本同位素能帮助科学家研究宇航员在11天中的能量水平是如何变化的。

  灵巧测试

  在过去15年的20多项试验中,一组科学家一直在跟踪了解宇航员在太空中是如何抓紧物体的,借此了解失重环境会对人体的抓握产生何种影响。宇航员经常会在太空舱内进行抓取小物体的精准练习,因为在不允许有任何闪失的环境里,宇航员对精细运动的控制至关重要。

  2017年下半年,萨曼莎还将在国际空间站执行相似任务。在灵巧测试中,她将在失重环境下手握一个特制传感器,准确抓取漂浮的球状物体。该项测试的数据还将实时传回地球,帮助工程师设计假肢。

  骨质疏松检测

  宇航员在进行太空飞行前后,一定会接受骨质早期检测。医生通过研究宇航员的血液和尿液指标,配合X线断层扫描,来了解其骨骼结构的变化。

  事实上,宇航员在微重力环境下的骨量流失非常严重,所有宇航员在太空中每个月损失的骨量至少达到1%,极易患上骨质疏松症。目前,人类的活动范围还只限于月球,未来倘若要前往更加遥远的行星或天体,执行耗时更长的任务,那么保证宇航员的身体健康就会更加关键。当前,医生主要会靠改进饮食等手段来保持宇航员的骨质,但他们希望找到一个更有效、人体更易于吸收的方法。为此,研究人员将24小时监测宇航员体内的骨质变化情况,以了解造成骨质流失的最大“凶手”。

  一旦科学家找到了行之有效的解决方法,那不仅能为将来的深空探测打好基础,还能为普通人进入老龄阶段后的骨质流失提出解决方案。免疫实验

  太空是一个极其微妙的环境,在太空中生活也是一个非常有趣的体验。然而,这一切并不见得美好,除了要忍受剧烈头痛等问题外,宇航员还会面临各类身体损害,有超过一半的宇航员在完成国际空间站任务后,会患上多种疾病。

  科学家猜测,是否是太空的特殊环境破坏了人体的免疫系统,从而导致了宇航员患病率的爆发。为此,免疫实验将全面观测微重力环境会如何影响人类的免疫系统。工作人员将使用脑部扫描、呼吸监测、宇航员头发样本分析等方法,来了解宇航员的免疫系统变化。也有人认为,此类免疫实验的研究结果极有可能有助于防治艾滋病。宇航员的日常生活虽然机械、枯燥、无趣,但他们却承担无比重要的任务。也许在未来的某一天,我们普通人所享受的某个科技成果,正是源于宇航员在太空中的繁复实验。

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