Einen besseren Raumanzug bauen

Es ist 50 Jahre her, seit Menschen den Mond betraten. Seitdem haben Astronauten hauptsächlich die erdnahe Umlaufbahn erkundet. Jetzt, da sich die NASA auf die Rückkehr zum Mond vorbereitet, bewerten Experten die Praktikabilität des Raumanzugs neu.

Ana Diaz Artiles, Assistenzprofessorin am Department of Aerospace Engineering der Texas A&M University, und der Doktorand Logan Kluis haben an Entwicklungen für den SmartSuit gearbeitet, eine neue Raumanzugarchitektur, die eine sicherere und bessere Raumanzugumgebung für Extravehicular Activity (EVA) schaffen würde. auf Planetenoberflächen.

Der SmartSuit ist eine von Diaz Artiles vorgeschlagene Raumanzugarchitektur, die sich auf drei wesentliche Verbesserungen des aktuellen Anzugdesigns konzentriert; erhöhte Mobilität, verbesserte Sicherheit und informierte Interaktion zwischen der Umgebung und dem Astronauten. Zuletzt haben Diaz Artiles und Kluis in Zusammenarbeit mit Robert Shepherd, außerordentlicher Professor an der Cornell University, Prototypen von Soft-Robotik-Hilfsaktuatoren für die Kniegelenke entwickelt.

„Der aktuelle Raumanzug wurde für Mikrogravitationsbedingungen entwickelt; unter diesen Bedingungen müssen Astronauten nicht mit ihrem Unterkörper gehen oder sich bewegen, sie verschieben sich normalerweise mit ihrem Oberkörper“, sagte Diaz Artiles. „Wenn Sie sich jetzt auf einer Planetenoberfläche befinden, müssen Astronauten gehen, sich bücken, knien, Steine ​​​​aufheben und viele andere ähnliche Aktivitäten, die eine bessere Beweglichkeit des Unterkörpers erfordern.“

Die von ihnen entwickelten Soft-Roboter-Knie-Prototypen arbeiten, indem sie die inneren Kammern mithilfe von Gasdruck erweitern, sodass sie gegeneinander drücken. Wenn sich jeder ausdehnt, biegt sich der Aktuator. Und durch die Verwendung eines weichen Materials passt sich der Aktuator dem menschlichen Körper an, was eine bequemere Passform schafft und möglicherweise das Verletzungsrisiko verringert.

„Soft-Robotik würde es den Aktuatoren ermöglichen, sich an den Körper des Astronauten anzupassen, was ihren Komfort im Vergleich zu starreren Aktuatoren mit harter Oberfläche erheblich erhöht“, sagte Kluis.

Im aktuellen Raumanzug zu sein, ist wie in einem Druckballon zu sein. Der Astronaut muss gegen den Anzug kämpfen, was nicht nur schwierig ist, sondern auch Energie verbraucht, die Astronauten bei der Durchführung von EVA-Missionen sparen möchten. Diese Energie, die aufgewendet wird, um sich gegen den Anzug zu bewegen, trägt zu den Stoffwechselkosten bei, die die unterstützenden Roboteraktuatoren um 15 % reduzieren könnten, basierend auf Simulationen, die speziell entwickelt wurden, um die Auswirkungen dieser Aktuatoren zu untersuchen.

„Wenn Sie Proben sammeln und Tests durchführen, verbrauchen Sie viel Energie“, sagte Kluis. „Wenn wir also zu Missionen wie dem Mond und dem Mars gehen, müssen wir entweder all das Essen mitbringen oder wir müssen es anbauen, also wäre jede Art von Einsparung, die Sie mit dieser Energie erzielen können sehr hilfreich.“

Ihre jüngste Arbeit konzentrierte sich auf Aktuatoren für die Kniegelenke, aber letztendlich besteht ihr Ziel darin, Aktuatoren in eine Ganzkörperschicht zu integrieren und so die Bewegung in mehreren Körpergelenken zu verbessern. Diese Schicht würde relativ stark gegen den Astronauten drücken und einen zusätzlichen mechanischen Gegendruck (MCP) bieten, der die Mobilität erhöht.

„Druck und Beweglichkeit haben eine umgekehrte Beziehung“, sagte Diaz Artiles. „Je mehr Druck man im Raumanzug hat, desto geringer ist die Beweglichkeit. Je weniger Druck man hat, desto leichter lässt es sich bewegen.“

Dieser Druck bezieht sich auf den Gasdruck, den der Raumanzug bereitstellt, um den Träger zu schützen. Der Druck der Atmosphäre beträgt etwa 14,7 Pfund pro Quadratzoll (psi). Der aktuelle Raumanzug liefert etwa 4,3 psi, was gegen den Körper des Astronauten drückt und zum Balloneffekt beiträgt. Aber wenn eine Ganzkörper-Soft-Roboter-Schicht beispielsweise 1,0 psi liefern könnte, würde dies die für den Anzug benötigte Menge auf nur 3,3 psi senken: weniger Druck und mehr Beweglichkeit.

„Stellen Sie sich vor, Sie tragen wirklich enge Under Armour oder wirklich enge Leggings. Dieser Druck, der auf Ihren Körper drückt, wäre ein Ersatz für oder zusätzlich zum Gasdruck“, sagte Kluis. „Die Idee mit dem SmartSuit ist also, dass er sowohl mechanischen Druck als auch Gasdruck verwendet.“

Ein weiterer Vorteil der Verwendung von MCP ist, dass es auch das Risiko einer Dekompressionskrankheit (DCS) senken könnte. DCS kann auftreten, wenn der uns umgebende Gasdruck relativ schnell abnimmt, sodass der Stickstoff in unserem Körper als Blasen in unserem Körpergewebe austritt. Die derzeitige Lösung zur Vermeidung von DCS im Raumanzug besteht darin, bis zu vier Stunden lang reinen Sauerstoff zu atmen, bevor eine EVA durchgeführt wird. Durch die Implementierung von MCP können Astronauten weniger Zeit mit Voratmungsanforderungen und mehr Zeit mit der Erkundung verbringen, ohne sich um DCS kümmern zu müssen.

Diaz Artiles und ihr Team arbeiten weiter an der SmartSuit-Architektur, und die Aktuator-Prototypen sind eine vielversprechende Entwicklung bei der Schaffung eines anpassungsfähigeren und einfallsreicheren Raumanzugs für zukünftige Planetenmissionen. Ihr Endziel wäre, dass es sich anfühlt, als würde sich der Träger ohne Raumanzug bewegen und ohne zu sehr ins Schwitzen zu geraten.

„Raumanzüge stehen in direktem Zusammenhang mit der Raumfahrt, was aufregend ist, und sie stehen dabei an vorderster Front“, sagte Kluis. „Es macht also immer Spaß, an neuen Technologien zu arbeiten, die implementiert werden können, oder Teil dieser Entwicklung zum nächsten Raumanzug zu sein.“

Die Ergebnisse ihrer Recherchen wurden in veröffentlicht npj Mikrogravitation, Luft- und Raumfahrtmedizin und menschliche Leistungsfähigkeitund präsentiert auf der 50. Internationalen Konferenz für Umweltsysteme.