Σήμερα έμαθα: Πως αναπνέουν οι αστροναύτες στο διάστημα;

Το 1997, ξέσπασε πυρκαγιά στον διαστημικό σταθμό Mir, τον προκάτοχο του Διεθνούς Διαστημικού Σταθμού. Ο ένοχος ήταν η ενσωματωμένη γεννήτρια οξυγόνου του διαστημικού σκάφους, η οποία έκαιγε στερεά δοχεία υπερχλωρικού λιθίου για να δημιουργήσει μια αναπνεύσιμη ατμόσφαιρα.

Υλικό από γάντι λατέξ, που πιθανώς έμεινε μέσα στη γεννήτρια κατά τη συναρμολόγηση της, αναφλέχθηκε όταν ενεργοποιήθηκε το μηχάνημα, προκαλώντας μια φωτιά που έκαιγε για περίπου 14 λεπτά προτού μπορέσει να σβήσει πλήρως.

Αν και κανένας από το πλήρωμα δεν τραυματίστηκε, το ατύχημα υπογράμμισε τη δυσκολία και τους κινδύνους ασφάλειας από την παροχή στους αστροναύτες συνεχούς παροχής οξυγόνου καθ' όλη τη διάρκεια της τροχιάς τους. Παρόμοια με τα ενσωματωμένα συστήματα φιλτραρίσματος νερού, τα μηχανήματα που παράγουν αυτό το σωτήριο απόθεμα έχουν εξελιχθεί σημαντικά από τότε που ξεκίνησε ο Διαστημικός Αγώνας στη δεκαετία του 1960.

Το πρόγραμμα Apollo, συμπεριλαμβανομένης της αποστολής του 1969 που προσγείωσε για πρώτη φορά ανθρώπους στη Σελήνη, χρησιμοποίησε μια Μονάδα Ελέγχου Περιβάλλοντος (ECU) για να διατηρήσει μια ατμόσφαιρα καθαρού οξυγόνου στις μονάδες εντολών. Η ECU ήταν εφοδιασμένη με υδροξείδιο του λιθίου και δοχεία άνθρακα για να φιλτράρει το διοξείδιο του άνθρακα από την αναπνοή των αστροναυτών και να απορροφά τις οσμές. Παρήγαγε επίσης νερό και διατηρούσε τη θερμοκρασία της καμπίνας, επιτρέποντας σε τρεις αστροναύτες να επιβιώσουν στο διάστημα για 14 ημέρες.

Ο Διαστημικός Σταθμός Mir, ο οποίος εκτοξεύτηκε το 1986, σχεδιάστηκε για μεγαλύτερες διαστημικές αποστολές και παρήγαγε οξυγόνο μέσω της χημείας. Μια γεννήτρια θέρμαινε δοχεία υπερχλωρικού λιθίου, μεγέθους περίπου μεγάλων δοχείων ψεκασμού, τα οποία απελευθέρωναν οξυγόνο καθώς καίγονταν. Ένα από αυτά τα «κεριά οξυγόνου» παρείχε αρκετή αναπνεύσιμη ατμόσφαιρα για ένα μέλος του πληρώματος για μία ημέρα, αλλά το σύστημα έδειξε την ευπάθεια του κατά τη διάρκεια του περιστατικού με τα γάντια λατέξ.

Μετά από εκείνο το ατύχημα, οι μηχανικοί αεροδιαστημικής απομακρύνθηκαν από τη χρήση χημικών αντιδράσεων για την παραγωγή οξυγόνου στο διάστημα. Το ISS αντικατέστησε το Mir στις αρχές της δεκαετίας του 2000 και είναι εξοπλισμένο με μια ασφαλέστερη ECU βασισμένη στην ηλεκτρόλυση, η οποία χρησιμοποιεί μια ηλεκτρική γεννήτρια για να διασπάσει τα μόρια του νερού μέσω μιας μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων σε οξυγόνο και υδρογόνο. Ενώ το οξυγόνο που παράγεται μέσω αυτής της διαδικασίας απελευθερώνεται στην ατμόσφαιρα, το υδρογόνο συνδυάζεται με το διοξείδιο του άνθρακα που εκπνέεται από το πλήρωμα για την παραγωγή πόσιμου νερού και μεθανίου. Το τελευταίο εξαερίζεται επί του παρόντος από τον σταθμό, αλλά θα μπορούσε κάποια μέρα να αποδειχθεί χρήσιμο για διαδικασίες βιοκατασκευής επί του σκάφους. Ο ISS φέρει επίσης το μοντέλο παραγωγής οξυγόνου Mir ως εφεδρικό.

Η παροχή οξυγόνου στους αστροναύτες όταν βρίσκονται μέσα σε ένα διαστημόπλοιο είναι ένα πράγμα. Το όταν εγκαταλείπουν το διαστημικό σκάφος για να κάνουν διαστημικούς περιπάτους, για να δοκιμάσουν εξοπλισμό, να πραγματοποιήσουν πειράματα ή να πραγματοποιήσουν εξωτερικές επισκευές, είναι κάτι διαφορετικό.

Μια μοντέρνα διαστημική στολή σχεδιασμένη για διαστημικούς περιπάτους, γνωστή και ως μονάδα κινητικότητας εκτός οχημάτων (EMU), είναι εξοπλισμένη με ένα σακίδιο που περιέχει πολλαπλά συστήματα υποστήριξης ζωής. Μεταξύ άλλων λειτουργιών, παρέχει οξυγόνο στο κράνος του αστροναύτη ενώ φιλτράρει το διοξείδιο του άνθρακα. Η στολή προστατεύει επίσης το σώμα τους από τις δυνάμει απειλητικές για τη ζωή δυνάμεις του κενού στο οποίο επιχειρούν.

Ακόμη και πριν μπουν σε μια EMU, οι αστροναύτες περνούν αρκετές ώρες αναπνέοντας καθαρό οξυγόνο μέσα σε μια κλειδαριά αέρα υπό πίεση για να ελαχιστοποιήσουν τις πιθανότητές τους να ζαλιστούν. Σύμφωνα με τον συνταξιούχο αστροναύτη Mike Mullane, μια μονάδα εντολών διατηρεί ατμοσφαιρική πίεση 6,7 κιλών ανά τετραγωνική ίντσα (psi), όπως η Γη στο επίπεδο της θάλασσας, αλλά η πίεση σε μια διαστημική στολή είναι μόνο 5 psi. Οι αστροναύτες πρέπει να «προαναπνεύσουν» καθαρό οξυγόνο για να αφαιρέσουν το άζωτο από το σώμα τους και να αποτρέψουν το σχηματισμό φυσαλίδων αερίου στο αίμα τους, προτού κάνουν έναν διαστημικό περίπατο. Διαφορετικά, οι φυσαλίδες αζώτου θα μπορούσαν να μπλοκάρουν τα αιμοφόρα αγγεία και να προκαλέσουν βλάβη στους ιστούς, οδηγώντας μεταξύ άλλων σε πόνο στις αρθρώσεις, πονοκεφάλους, μυϊκή αδυναμία, μούδιασμα, κόπωση και σύγχυση.

Η σημασία των διαστημικών στολών φαίνεται ίσως καλύτερα από το τι θα συνέβαινε χωρίς αυτές. Οι αστροναύτες θα λιποθυμούσαν αμέσως από τη στέρηση οξυγόνου ενώ οι δυνάμεις του κενού θα έκαναν το αίμα και τα σωματικά τους υγρά, που εξελίχθηκαν σύμφωνα με τις ατμοσφαιρικές συνθήκες της Γης, να παγώσουν, να βράσουν και να σπάσουν.

Οι συνθήκες του διαστήματος μετατρέπουν μια πράξη τόσο απλή όσο η αναπνοή σε μια περίπλοκη, δυνητικά θανατηφόρα δοκιμασία. Ευτυχώς, αυτό δεν είναι κάτι που η επιστήμη δεν μπορεί να χειριστεί.