Un traje de contrapresión mecánica (MCP), traje de presión parcial, traje de compresión directa o traje de actividad espacial ( SAS ) es un traje espacial experimental que aplica una presión estable contra la piel por medio de prendas elásticas ceñidas. El SAS no está inflado como un traje espacial convencional: utiliza presión mecánica, en lugar de presión de aire, para comprimir el cuerpo humano en entornos de baja presión. El desarrollo fue iniciado por la NASA y la Fuerza Aérea a fines de la década de 1950 y luego nuevamente a fines de la década de 1960, pero no se utilizó ningún diseño. En el Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) se están llevando a cabo investigaciones sobre un sistema "Bio-Suit" que se basa en el concepto SAS original. [1]
Fondo
El cuerpo humano puede sobrevivir brevemente a la exposición al duro vacío del espacio sin protección, [2] a pesar de las descripciones contrarias en alguna ciencia ficción popular . La piel humana no necesita protección contra el vacío y es hermética a los gases por sí misma. La carne humana se expande a aproximadamente el doble de su tamaño en tales condiciones, dando el efecto visual de un fisicoculturista en lugar de un globo sobrellenado. Esto se puede contrarrestar mediante la contrapresión mecánica de una prenda de diseño adecuado. La conciencia se retiene por hasta 15 segundos a medida que se establecen los efectos de la falta de oxígeno . Para contrarrestar esto, se requiere un casco para contener los gases respiratorios y proteger los oídos y los ojos. [3] Estos efectos se han confirmado a través de varios accidentes en condiciones de gran altitud, espacio exterior y cámaras de vacío de entrenamiento. [4] [5]
Enfriamiento
El enfriamiento del astronauta con un SAS generalmente se logra con la evaporación de la transpiración corporal que emite el traje en todas las direcciones. El agua, las sales y las proteínas pueden depositarse en la óptica y otras superficies sensibles causando daños o degradación. Esto puede limitar la utilidad de un SAS. Para los trajes espaciales inflados utilizados en el transbordador espacial , la Estación Espacial Internacional y el programa Apollo , el enfriamiento se logró en el Sistema de soporte vital primario mediante la sublimación de agua en el vacío.
Diseños
Mauch
En 1959 Hans Mauch estaba trabajando en ropa interior "transpirable" para el traje espacial Mercury cuando se le ocurrió la idea de una forma de construir un diseño mecánico de contrapresión. El equipo de Mauch notó que las espumas de celda cerrada , que atrapan el gas dentro de su estructura, se expanden cuando se reduce la presión exterior. Al contener la espuma dentro de una capa exterior que no se expande, aumentaría la presión sobre el cuerpo a medida que la presión disminuyera. Esto pareció permitir un diseño que ofrecería una movilidad mucho mejor que el diseño casi rígido de Mercury. [6]
A finales de 1959 Mauch Laboratorios se le concedió un contrato por la Fuerza Aérea de los Estados Unidos para desarrollar un modelo de trabajo, como parte del secreto de la Fuerza Aérea X-20 Dynasoar esfuerzos. El programa duró hasta 1962, tiempo durante el cual la NASA se unió al esfuerzo. El traje fue construido con una capa de espuma intercalada entre dos capas de tela, la interior contra la piel del usuario (o ropa interior) para proporcionar soporte mecánico y la exterior para contención. Un casco separado y voluminoso proporcionaba presión y gases respirables. Al igual que la ropa interior que Mauch estaba desarrollando para Mercury, el control térmico lo proporcionaba la transpiración directa del sudor a través de la tela. El traje resultante era tan voluminoso como el diseño original de Mercury, excluyendo el casco grande. [6]
Las pruebas de vacío extendidas se llevaron a cabo con éxito, pero el traje demostró tener menos movilidad de lo esperado y se abandonó el desarrollo posterior. [6]
Webb
La introducción de tejidos mejorados llevó al concepto de Paul Webb de una nueva forma de construir un SAS. [7] Se contrató trabajo adicional para probar varios conceptos de diseño. Entre 1968 y 1971 se construyeron diez diseños de creciente sofisticación, que eventualmente condujeron a una serie de pruebas exitosas en cámaras de vacío. La prueba más larga fue de dos horas y cuarenta y cinco minutos.
Las pruebas tuvieron éxito: se demostró de manera concluyente la practicidad de un traje espacial mecánico de contrapresión. La energía necesaria para moverse era considerablemente menor que la de los diseños convencionales, lo que supuso una mejora importante para los paseos espaciales de larga duración. Las pruebas de punciones mostraron que hasta un milímetro cuadrado de piel podría estar expuesta directamente al vacío durante períodos prolongados sin un efecto permanente. Un pinchazo similar en un traje convencional daría como resultado una pérdida de presión y aire respirable. Pesaba la mitad que el traje de presión primario usado por los astronautas de la NASA para el Proyecto Apolo , el A7L .
También surgieron varios problemas, principalmente relacionados con el problema de mantener el traje en fuerte contacto mecánico en todos los puntos del cuerpo. Las concavidades o pequeños pliegues en la tela pueden provocar la acumulación de líquido en los espacios; el área de la ingle resultó extremadamente difícil de adaptar con éxito. Para corregir esto, se insertaron pequeñas almohadillas de espuma de poliuretano en las concavidades y tuvieron éxito en la mayoría de las áreas problemáticas. Los trajes tenían que adaptarse a cada individuo, aunque lo mismo ocurría con todos los trajes espaciales de la época. La mayor dificultad fue ponerse y quitarse el traje. Para proporcionar de manera efectiva la presión mínima de 29,6 kilopascales (220 mmHg ; 4,3 psi ) necesaria para la fisiología humana, el traje tenía que ser extremadamente ajustado, lo que hacía que ponerse y quitarse fuera una tarea muy extenuante.
En 1971, Webb, junto con James F. Annis, publicaron sus hallazgos en un informe. [8] El informe siguió siendo positivo y los investigadores consideraron que eran posibles más mejoras. Citando el informe:
En conclusión, el SAS en su actual etapa de desarrollo protegerá al hombre de los efectos del ambiente de vacío, en una prenda que permite una mejor movilidad y movimientos corporales naturales. Fisiológicamente, el enfoque es sólido y, aunque quedan muchos problemas por resolver, son principalmente de naturaleza mecánica. Se ha sugerido que la solución de los problemas mecánicos, combinada con una confección cuidadosa basada en el análisis biomecánico, más el desarrollo de tejidos elásticos específicos, podría eventualmente conducir a una versión espacial calificada del SAS.
El diseño original de SAS se basó en dos nuevos tejidos: un tipo de "powernet" (o "tejido de faja") para las zonas de alta tensión, y un tejido de bobbinet elástico para las zonas de menor tensión. Ambos se basaban en un hilo de urdimbre elástico pesado con un hilo de trama mucho menos elástico para formar una red. Los términos urdimbre y trama se utilizan aquí de forma vaga, ya que el material no se tejió con medios tradicionales. Powernet usó cordón de Spandex como urdimbre con cordón de nailon como trama, permitiendo el movimiento principalmente a lo largo del eje de urdimbre. Bobbinet usó urdimbre de goma envuelta en algodón y trama de nailon o dacrón , y era flexible en ambas direcciones. La envoltura de algodón limitó el estiramiento máximo al 200% de la longitud de descanso. La cantidad de bobbinet de sobrepresión podría crear fue de aproximadamente 2,0 kilopascales (15 mmHg; 0,29 psi) sobre el torso, el volumen más grande, y hasta 5,3 kilopascales (40 mmHg; 0,77 psi) sobre curvas de radio más pequeñas en la muñeca y los tobillos. Powernet podría producir alrededor de 6,7 kilopascales (50 mmHg; 0,97 psi) incluso en el torso. Se necesita un mínimo de 17,3 kilopascales (130 mmHg; 2,5 psi) para una respiración normal.
Se utilizaron múltiples capas y parches de los dos materiales para controlar la presión mecánica general alrededor del cuerpo. Comenzando en la piel, se utilizó una "capa deslizante" de powernet ligero para permitir que las capas externas se deslizaran sobre la piel sin atascarse. Debajo de esta capa se colocaron varias almohadillas de espuma en varias concavidades del cuerpo para mantenerlas en contacto con el traje. Encima de esto estaba la vejiga de contrapresión, parte del sistema respiratorio. Además de esto, había hasta seis capas adicionales de powernet sobre el tronco con brazos y piernas de bobbinet, o prendas de bobbinet que cubrían solo el tronco. Las prendas se pusieron como un body normal con una gran cremallera que cerraba la parte delantera, con cordones adicionales en algunos puntos para ayudar a cerrar la prenda. Las cremalleras en capas alternas fueron compensadas.
El sistema de respiración de presión positiva constaba de tres partes principales: el casco presurizado, la vejiga de respiración y el sistema de tanque en una mochila. La vejiga y el casco se conectaron para bombear aire fuera de la vejiga y sobre el torso cuando el usuario inhalaba, reduciendo la cantidad de presión sobre el pecho del usuario. El casco estaba asegurado por medio de una prenda no elástica de tela Nomex que se envolvía alrededor del pecho y debajo de los brazos, y por las capas elásticas por encima y por debajo del mismo.
Traje biológico del MIT
El Bio-Suit es un traje de actividad espacial experimental en construcción en el Instituto de Tecnología de Massachusetts bajo la dirección del profesor Dava Newman , con el apoyo del Instituto de Conceptos Avanzados de la NASA . Similar al SAS en concepto, el BioSuit aplica avances en ingeniería y medición [ ¿cuál? ] para producir una versión simplificada del diseño SAS. [9]
Newman ha trabajado extensamente en biomecánica , especialmente en el campo de la medición computarizada del movimiento humano. Al igual que con los trajes llenos de gas, Newman ha utilizado el principio de " líneas de no extensión ", un concepto originado por Arthur Iberall en un trabajo que se remonta a finales de la década de 1940, para colocar los elementos de tensión a lo largo de las líneas del cuerpo donde lo hace la piel. no se estire durante la mayoría de los movimientos normales.
La estructura principal del BioSuit se construye colocando cordones elásticos a lo largo de las líneas de no extensión. Por lo tanto, cualquier presión que proporcionen será constante incluso cuando el usuario se mueva. De esta forma, pueden controlar la contrapresión mecánica que aplica el traje. El resto del traje se construye a partir de spandex que se encuentra entre los cordones de presión primarios. Hasta ahora, el equipo de Bio-Suit ha [ ¿cuándo? ] construyó una serie [ aclaración necesaria ] de prototipos de la parte inferior de la pierna utilizando diferentes materiales, incluidos nailon-spandex, elásticos y espuma pintada con uretano. [10] En un diseño experimental, se usó tejido de kevlar entre cordones para áreas donde la expansión era limitada. Se ha construido al menos un traje de cuerpo entero para Newman, que ha usado para numerosas fotografías; se desconoce si todo el traje cumple con los mismos estándares de contrapresión para los que se diseñaron los prototipos de la parte inferior de la pierna. Cada traje debe personalizarse para el usuario, pero la complejidad de esta tarea se reduce mediante el uso de escáneres láser de cuerpo entero.
El resultado es una versión de una capa del SAS; es más ligero que el original y más flexible, lo que permite un movimiento más natural y reduce el coste energético del movimiento. Las versiones de porciones del BioSuit han alcanzado constantemente los 25 kilopascales (190 mmHg; 3,6 psi), y el equipo está actualmente [ ¿cuándo? ] con el objetivo de 30 kilopascales (230 mmHg; 4,4 psi). Como la contrapresión mecánica ha resultado difícil para las articulaciones pequeñas como las de las manos, el diseño básico de BioSuit utiliza guantes y botas llenos de gas, además de un casco lleno de gas. [11]
Una variante posterior del biosuit emplea bobinas de aleación con memoria de forma activadas por calor (SMA) . [12] En este diseño, el traje se ajusta holgadamente al cuerpo cuando se pone inicialmente. Cuando se conecta un módulo de potencia, las bobinas en forma de resorte del traje se contraen para ajustar el traje al cuerpo. El diseño de la bobina se definió con más detalle en un artículo de la revista IEEE / ASME: Transactions on Mechatronics. [13] A partir de 2008, se informó que el Biosuit tenía el potencial de estar listo para su uso en misiones a Marte en un futuro próximo. [14] [15]
A partir de 2019, se ha realizado una mejora adicional con la adición de tubos de boro nucleados [ aclaración necesaria ] , que pueden proteger al usuario del traje de la radiación presente en el espacio y en las superficies de la Luna y Marte. Según Cathy Lewis del Museo Nacional del Aire y el Espacio , "puede que no sea el próximo traje, pero será uno de los trajes posteriores", lo que indica que el desarrollo permanece activo y enfocado en futuras misiones a la Luna y Marte. [dieciséis]
En ficción
Escritores como Dan Simmons , Stephen Baxter , Larry Niven y Spider y Jeanne Robinson , han hecho uso de trajes de actividad espacial en sus historias. El potencial para una mayor movilidad y una operación más simple con un traje de actividad espacial lo convierte en una opción atractiva para la ficción, donde la flexibilidad de uso puede ser una bendición para el desarrollo de la trama. Las cualidades estéticas de un traje de actividad espacial elegante y que se ajusta a la forma también contrastan con la imagen tradicional de los trajes espaciales rígidos al estilo de un traje de buceo, lo que le da un aspecto futurista a los disfraces. La mayoría de los animes con temas futuristas incluyen el traje espacial ceñido (con la notable excepción de Planetes y, en menor medida, la franquicia Gundam ). En la Trilogía de Marte de Kim Stanley Robinson, un traje similar a este se denomina "caminante" y está destinado exclusivamente para su uso en el entorno marciano. En el cuarto libro de la serie Jumper de Steven Gould, el desarrollo de un traje de contrapresión mecánica es parte integral de la trama principal. [17]
Ver también
- Nave espacial de una sola persona
Referencias
- ^ David, Leonard (26 de enero de 2005). "Trajes espaciales de alta tecnología en busca de 'exploración extrema ' " . Space.com . Consultado el 8 de abril de 2007 .
- ^ "Exposición al espacio exterior" .
- ^ Traje de actividad espacial , Astronautics.com
- ^ "Pregunte a un astrofísico, cuerpo humano en el vacío" . Imagine the Universe de la NASA . Consultado el 14 de diciembre de 2008 .
- ^ "Exposición al espacio exterior" . Maldita sea interesante . Consultado el 14 de diciembre de 2008 .
- ^ a b c Kenneth Thomas y Harold McMann, "Trajes espaciales de Estados Unidos" , Springer, 2012, págs. 209-211
- ^ Webb, Paul (abril de 1968). "El traje de actividad espacial: un maillot elástico para actividad extravehicular" . Medicina aeroespacial : 376–382 . Consultado el 22 de diciembre de 2016 .
- ^ Annis, James F .; Webb, Paul (noviembre de 1971). "Desarrollo de un traje de actividad espacial" (PDF) . NASA . CR-1892 . Consultado el 22 de diciembre de 2016 .
- ^ Traje biológico de astronauta para misiones de clase de exploración: Informe Fase I del NIAC, 2001 http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.111.7588&rep=rep1&type=pdf
- ^ Patel, Samir S (20 de octubre de 2005). "Este traje está hecho para caminar (en Marte)" . El Monitor de la Ciencia Cristiana . Consultado el 14 de octubre de 2006 .
- ^ "Bio-Suit - Descripción general (archivado)" . Investigación de Actividad Extravehicular (EVA) en el Laboratorio Hombre-Vehículo . Instituto de Tecnología de Massachusetts . Archivado desde el original el 27 de marzo de 2013 . Consultado el 24 de noviembre de 2011 .CS1 maint: URL no apta ( enlace )
- ^ Chu, Jennifer (18 de septiembre de 2014). "Trajes espaciales con envoltura retráctil" . Noticias del MIT . Consultado el 19 de febrero de 2018 .
- ^ Holschuh, B .; Obropta, E .; Newman, D. (1 de junio de 2015). "Actuadores de bobina de NiTi de índice de resorte bajo para uso en prendas de compresión activa" (PDF) . Transacciones IEEE / ASME sobre mecatrónica . 20 (3): 1264-1277. doi : 10.1109 / TMECH.2014.2328519 . hdl : 1721,1 / 88470 . ISSN 1083-4435 .
- ^ Thilmany, J. (2008). "MODA ESPACIAL". Ingeniería Mecánica .
- ^ Newman, Dava (2009). "Mitigación de lesiones de EVA, mejora de la movilidad, pruebas de campo de planificación de la misión e investigaciones de trajes de contramedida de IVA para misiones de clase de exploración" (PDF) . Dsls.usra.edu . Archivado desde el original (PDF) el 13 de mayo de 2016 . Consultado el 20 de agosto de 2017 .
- ^ "Los trajes espaciales han sido voluminosos desde antes del Apolo 11. Un diseño ceñido puede cambiar eso" . USA Today . Consultado el 3 de octubre de 2020 .
- ^ Gould, Steven (9 de septiembre de 2014). Exo . Tor Books. ISBN 978-0-7653-3654-5.
Otras lecturas
- Webb, Paul. "El traje de actividad espacial: un maillot elástico para actividad extravehicular". Medicina aeroespacial , abril de 1968, págs. 376–383.
enlaces externos
- Un gran salto para la moda espacial: el equipo del MIT diseña un traje espacial elegante y ceñido
- The Space Activity Suit: An Elastic Leotard for Extravehicular Activity , el documento original de 1968 (formato Microsoft DOC)
- Desarrollo de un traje de actividad espacial , el informe del contratista de la NASA de 1971, NASA CR-1892, como archivo PDF
- Efectos fisiológicos de un traje mecánico de contrapresión , archivo PDF