NOWE KOSMICZNE SKAFANDRY KOMPRESYJNE

Opływowy skafander przyszłości może przypominać drugą skórę.

Tłumaczenie z artykułu Jennifer Chu | MIT News Office (18 września 2014).

Dla przyszłych astronautów, proces zakładania kombinezonów może wyglądać następująco: zamiast trudnego wspinania i wciskania się do konwencjonalnego, wielkogabarytowego kombinezonu wypełnionego gazem pod ciśnieniem, astronauta może założyć na siebie lekkie, rozciągliwe ubranie, pokryte drobnymi, cewkami podobnymi do mięśni, które podłcząone do zasilania elektrycznego kurczą się i zwijają wokół ciała astronauty.

Foto. Jose-Luis Olivares/MIT

Taki obcisły, dostosowujący sie do ciała wygodny kombinezon może dać astronautom więcej swobody przemieszczania się podczas misji planetarnych. Aby zdjąć taki skafander i przywrócić go do pierwotnej, luźniejszej formy, wystarczy użycie tylko niewielkiej siły. 

Teraz naukowcy z MIT są o krok bliżej do skonstruowania takiej aktywnej "drugiej skóry" dla astronautów. Dava Newman, profesor aeronautyki i astronautyki na MIT, wraz z jej kolegami zaprojektowała już taką aktywną odzieży uciskową. Odzież ta jest wyposażona w małe cewki przypominające sprężynki, które kurczą się w reakcji na ciepło. Cewki wykonane są ze stopu z pamięcią kształtu, tzw. SMA (Shape Memory Alloy) - rodzaj materiału, który "zapamiętuje" wymuszony kształt kiedy np. zostanie wygięty lub zdeformowany w podwyższonej tempreraturze, a poźniej powraca do pierwotnego kształtu po jej obniżeniu. 

Zespół Prof. Newman wyposażył w takie cewki opaski mankietów i podłączył do nich napięcie elektryczne w celu generowania ciepła. W określonej temperaturze progowej, wyzwalającej reakcję, cewki przyjmują ich wcześniej "zapamiętaną" postać, dociskając mankiet kombinezonu. Testy pokazały, że generowana przez tak umieszczone cewki siła spełnia wymagania, aby w pełni zabezpieczyć astronautę w przestrzeni kosmicznej.

Foto. Donna Coveney

"W przypadku tradycyjnych, obecnie stosowanych skafandrów kosmicznych, jesteś zasadniczo zanużony w balonie wypełnonym gazem, który ma zapewnić niezbędne do przeżycia ciśnienie w próżni", mówi Prof. Newman, która pracowała przez minioną dekadę nad zaprojektowaniem skafandra przyszłości dostosowującego się do sylwetki ciała.

"Chcemy osiągnąć te same parametry ciśnienia, ale przez zastosowanie mechanizmu generującego nacisk bezpośrednio na skórę, a tym samym całkowitego uniknięcia zastosowania gazów wypełniających kombinezon. W naszej pracy łączymy pasywną elastyczność z aktywnymi właściwościami materiałów ... Ostatecznie, dużą zaletą takiego podejścia jest znacznie zwiększona mobilność, i bardzo lekki kombinezon idealny do misji planetarnych".

Pomysłodawcą sprężystej cewki był Dr Bradley Holschuh, który pracował w tym czasie jako post-doc w laboratorium Prof. Newman. Holschuh i Newman, wraz ze studentem Edward'em Obropta, opracowali szczegóły projektu, które opisali w czasopiśmie IEEE / ASME: Transactions on Mechatronics (Pełen artykuł tutaj: http://ieeexplore.ieee.org/xpl/articleDetails.jsp?arnumber=6844155). 

Jak "szkolić" skafander ?

Skafandry ściśle przylegające do ciała były już proponowane w przeszłości, jednak wciąż powracającą przeszkodą we wszystkich projektach był problem jak wcisnąć się i łatwo zdjąć taki kombinezon, który jest zaprojektowany aby bardzo ściśle przylegać do ciała i przez to być ekstremalnie napiętym. Rozwiązaniem i przełomem mogą być stopy z pamięcią kształtów. Takie materiały kurczą się tylko po ogrzaniu, i mogą być łatwo rozciągnięte do luźniejszej formy po ochłodzeniu. 

Aby znaleźć taki aktywny materiał, który będzie najbardziej odpowiedni do zastosowania w przestrzeni kosmicznej Dr Holschuh przetestował 14 rodzajów materiałów zmieniających kształt - od dialektrycznych elastomerów przez polimery z pamięcią kształtu do stopów niklu i tytanu wykazujących się pamięcią kształtu, które to właśnie znalazły zastosowanie w projekcie kombinezonu. Materiał ten kiedy najpierw "szkolony" do funkcjonowania jako ciasno upakowane sprężynki o małej średnicy, po podgrzaniu generuje znaczną ilość siły w relacji do swojej niewielkej masy. To sprawia, że idealnie nadaje się do stosowania w lekkiej odzieży kompresyjnej.

Wybrany materiał jest zwykle wytwarzany jako rolki wykonane z bardzo cienkiego włókna. Aby przekształcić taki materiał we włókna cewek kombinezonu, Dr Holschuh wykorzystał technikę opracowaną przez inną grupę z MIT, która wcześniej użyła cewek niklowo-tytanowych do zaprojektowania robota robaka, aktywowanego ciepłem.

Foto. Jose-Luis Olivares/MIT

Stopy z pamięcią kształtu, takie jak np. stop niklowo - tytanowy mogą być zasadniczo "przeszkolony" do powrotu do pierwotnego kształtu w odpowiedzi na określoną temperaturę. Aby "wytrenować" taki materiał, Dr Holschuh zwinął najpierw surowe włókno SMA w bardzo napiętą, milimetrowej średnicy cewkę, którą podgrzał następnie do temperatury ok. 450 stopni Celsjusza. Ten proces spowodował "zapamiętanie" takiego stanu napięcia jako podstawowej, "wyszkolonej" formy. W temperaturze pokojowej tak "przetrenowana" cewka może być rozciągana i wyginana. Jednak w pewnej temperaturze "wyzwalania", która w tym przypadku jest stosunkowo niska i wynosi ok. 60°C, włókna zaczną powracać (odskakiwać) do dobrze zwiniętej, wcześniej "wyszkolonej" postaci.

Naukowcy zestawili tak spreparowane cewki ze sobą w taki sposób aby każda cewka była połączona z nitką mankietu kombinezonu. Następnie do końcówek cewek podłączyli przewody elektryczne dostarczające napięcie, którego celem jest wytwarzanie ciepła między 60°C, a 160°C. Po włączeniu napięcia i wytworzeniu ciepła, cewki przyciągnęły przyłączone nitki mankietu wywołując jego sciśnięcie.

"To są w zasadzie samozamykające się zapinki," mówi Dr Holschuh mówi. "Po założeniu kombinezonu, możesz włączyć prąd i pozwolić mu płyąnć przez te wszystkie małe rurki czego wynikiem będzie to, że kombinezon ściśnie i obejmie cię całego". 

Trzymać wszystko mocno razem.

Obecnym wyzwaniem dla grupy jest znalezienie sposobu, aby utrzymać kombinezon w stanie kontrakcji (ściśnięcia) przez dłuższy czas. Aby to zrobić, Dr Holschuh mówi, że są tylko dwie opcje: albo utrzymanie stałej temperatury opiekacza do grzanek (min. 60°C), lub wyposażenie kombinezonu w mechanizm zabezpieczający przed relaksacją zwojów cewki. Pierwsza opcja doprowadziłaby do przegrzania astronauty i wymagałaby także ciężkich akumulatorów - rozwiązanie, które znacząco utrudniłoby mobilność i prawdopodobnie uczyniło cały projekt niemożliwym do realizacji z uwagi na ograniczone zasoby energii dostępnej astronautom w przestrzeni kosmicznej. Dr Holschuh i Prof. Newman badają więc inną możliwość, dzięki której ściśnięte cewki zostaną zablokowane i nie będzie dochodziło do ich relaksacji wraz z obniżającą się temperaturą.

Co do tego w jakich miejscach kombinezonu, cewki mogą być "wszyte" w skafander, Dr Holschuh rozważa kilka możliwości. Na przykład, szereg cewek może być włączony do wnętrza kombinezonu w taki sposób aby każda cewka była "wysyłana" do części skafandra obejmujących kończyny. Podłcązone do napięcia elektrycznego cewki ściągną dołączone nitki kombinezonu wywołując jego ściśnięcie na obszarze całego ciała. Można też ewentualnie umieścić mniejsze obszary złożone z cewek w strategicznych miejscach skafandra, czego celem mołgoby być wywołanie lokalnego naprężenia w zależności od tego, gdzie jest ono potrzebne do utrzymania pełnej kompresji.

Podczas gdy naukowcy koncentrują się głównie na zastosowaniach w przestrzeni kosmicznej, Dr Holschuh mówi, że projekty grupy bazujące na wykorzystaniu materiałów aktywnych mogą być także wykorzystywane do innych celów, takich jak np. produkcja odzieży sportowej lub nawet tworzenia nowych mundurów wojskowych. 

"Nasze rozwiązania można także wykorzystać jako system aktywnej opaski uciskowej, jeśli ktoś wykrwawia się na polu bitwy," mówi Dr Holschuh. "Jeśli twój kombinezon będzie miał komplet czujników, taka opaska może cię uratować w przypadku jakiegoś uszkodzenia nawet bez konieczności myślenia o tym." 

"To ekscytujące myśleć, że taki zintegrowany kombinezon może także zwiększyć możliwości fizyczne człowieka," Prof. Newman dodaje. "Staramy się utrzymać naszych astronautów żywych, bezpiecznych i mobilnych, ale te projekty nie są przeznaczone tylko do zastosowania w przestrzeni kosmicznej."

Badania były finansowane przez NASA i MIT Portugal Program.

Więcej informacji i źródło: http://newsoffice.mit.edu/2014/second-skin-spacesuits-0918 

Wydział MIT AeroAstro na którym opracowano skafander: http://aeroastro.mit.edu/

Prof. Newman: http://aeroastro.mit.edu/faculty-research/faculty-list/dava-j-newman

Style cravings: http://stylenotes.typepad.com/style/2007/07/sexy-spacesuit-.html

BioSuit - Overview: http://mvl.mit.edu/EVA/biosuit/

PS. Wiemy, że w Polsce Dr Michał Kracik ( http://www.michalkracik.com/ ) współpracuje z grupą Prof. Newman nad projektami kasków do nowych kombinezonów kosmicznych, a Prof. Newman została właśnie nominowana przez Presydenta USA, Barack'a Obama na stanowisko zastępcy szefa NASA.