為太空旅行做準備,歐洲太空總署想讓你一覺醒來到火星

作者 | 發布日期 2019 年 12 月 01 日 12:00 | 分類 生物科技 , 航太科技 follow us in feedly


要說打臉的速度,大概沒人比 ESA(歐洲太空總署)快。今年 6 月,ESA 發表一篇部落格文,潑了馬斯克的火星殖民計畫、NASA 登陸火星計畫一盆冷水。ESA 認為,前往火星的路上輻射太高了,現階段不可能把人類送上火星。

但過了沒多久,ESA 又出來放話,表示已有對策,不僅能讓太空人減少輻射吸收,甚至還能應付一串前往火星會遇到的問題。

看 ESA 的解決方法之前,讀者不妨先了解一下,到底在去火星的路上,會遇到什麼難題。

離家很遙遠

今年 11 月 15 日,澳航「日出計畫」第二次測試航班 QF7879 平安降落雪梨機場。

之所以成為「日出計畫」是因為這趟航班是倫敦直飛雪梨航班,旅客將飛行 19 小時 19 分鐘,並會在飛機上看到兩次日出。這也是目前世界最長的直飛航線。

▲ 日出計畫。

如果說完成這條航線的旅客是「鐵屁股」,那完成這次火星之旅的太空人,應該就是「超合金屁股」,因為去火星的路,比這遠太多了。

每經過 26 個月,就會出現一次到火星的最佳期,此時地球和火星之間會出現最短距離──5,700 萬公里。

以目前的航太飛行器平均時速 5.8 萬公里來算,約需 983 小時,也就是大概 40 天能飛到火星。

聽起來不算多,因為這是直線飛行的距離,而不幸的是,我們的太空船不可能這樣筆直向火星奔去。

目前從地球飛向火星的軌跡是稱為霍曼轉移軌道的橢圓繞日軌道。太空船需要經歷加速逃離地球引力、減速被火星擷取、最後繞火星減速飛行並最終著陸火星表面 3 個過程。

根據估算,旅程約需耗時 260 天,也就是 8~9 個月。

▲ 霍曼轉移軌道。

目前太空人每次上國際太空站也只會待大概 6 個月,在太空待過最長時間的是太空人瓦列里‧波利亞科夫,他在俄羅斯氣象站創下連續工作 437 天的紀錄。

當然這無法比較,因為太空站的條件,比起去火星的旅程要好得多。

聊天有 40 分鐘延遲,還容易成為「神經病」

首先由於距離遠帶來的另一個問題,就是溝通。

前往火星的路上,太空船和地球的通訊會延遲,根據 NASA 資料,延遲平均在 20 分鐘左右,且走得越遠,延遲也越高。

這也就意味著,太空人每說一句話,需等 40 分鐘才能收到回應。

加州大學舊金山分校精神病學名譽教授尼克‧卡納斯博士專門研究太空人執行工作時的心理表現,他表示:

和家人即時溝通,對太空人來說是非常難的事。如果將這個功能拿走,對太空人十分殘忍,並會對太空人的心理造成極大影響。

更重要的是,溝通延遲也意味著太空人面對生理和心理突發狀況時,將無法得到即時支援。這種遠在數千萬公里以外的孤立無援帶來的壓力,即便太空人的心理素質再強大,也很難受得了。

之前俄羅斯科學家也透過名為 Mars 500 的試驗,模擬密閉空間、通訊延遲對太空人的心理影響。

科學家選擇 6 名世界不同國家的成年健康男性,並將他們「關」在模擬前往宇宙太空船的密閉空間長達 520 天。

參與實驗的 6 名男性,與真正的太空人一樣,全部具備工程和軍事背景。他們待在密閉空間的 520 天中,也需要模擬進行太空實驗及例行維護。

另外,在密閉空間,參與實驗的人將會全程體驗明暗循環隔絕、通訊延遲等。

▲ Mars 500 試驗艙。

最終測試結果顯示,一名測試者大部分時間都是輕度至中度憂鬱狀態,兩名測試者的睡眠週期異常,還有一名長期失眠及莫名的身體疲憊。

科學家還發現,這些消極的心理狀況會傳染。

壓力指數最大的測試者及長期失眠的測試者,參與多人合作的工作時,多數會與其他測試者產生衝突,最終導致工作耗時變長,甚至失敗。

不僅如此,由於生理和心理因素造成睡眠品質下降,之後還會演變成嗜睡症及功能性睡眠喪失。不斷下降的睡眠品質與不斷上升的睡眠時間,讓整個團隊的氣氛昏昏欲睡,死氣沉沉。

缺乏重力,還會引發腎結石?

大家都知道,去火星的路上一大殺手,就是太空輻射。脫離大氣層保護之後,太空輻射對人類的 DNA、細胞和組織架構都有嚴重威脅。

NASA 其實一直在研究慢性放射暴露如何影響大腦功能。他們曾和加州大學歐文分校的 Charles Limoli 博士及團隊,將小鼠暴露於模擬宇宙輻射的帶電粒子下。

結果他們發現老鼠大腦出現結構性變化,例如降低神經元分支架構的複雜性。此外,小鼠還表現出行為改變,包括記憶力減退、焦慮增加和執行功能減退等。

其實影響生理健康的還不只輻射,缺少重力也是一大問題。

飄浮在空中看起來很好玩,但實際會導致肌肉萎縮和視覺感知改變等嚴重的生理問題。

科學家湯瑪斯‧威廉還認為,長期處於失重狀態,其實很容易引起腎結石,且還能引發一系列如尿路感染等問題。

既然醒著時就有這麼多危險,不如一路睡去火星吧

1999 年,放射科醫生 Anna Bagenholm 博士在挪威滑雪時不慎掉入冰凍的溪流。她被救出來時,已在冰裡泡了足足 80 分鐘。送到醫院後,她已沒有呼吸脈搏,體溫降到 13.7°C,基本上宣告死亡。

但當時醫生沒有放棄,而是將她接上體外維生系統,不斷為她供應溫暖的血液。最終在 100 多名醫護人員經歷 9 小時搶救後,把 Anna Bagenholm 成功救回來了。即便日後還是有腦損傷等後遺症,但 Anna Bagenholm 的搶救案例依舊視為醫學奇蹟,收錄至《刺胳針》期刊。

她的主治醫生、奧斯陸國家醫院教授 Petter Andreas Steen 博士認為,此醫學奇蹟之所以發生,與她之前在低溫下保持緩慢的新陳代謝,進入類似「冬眠」有密切的關係。

其實數十年來,人們對「人類冬眠」的探索從未停止,無論是科學,還是電影。太空人進入睡眠艙倒頭大睡,一覺醒來到達目的地,這樣的劇情,相信很快就不只在電影可看到了。

為了避開太空人前往火星的路上遇到各種生理和心理問題,ESA 正研究怎麼讓太空人進入「冬眠」狀態。

儘管人不會真的冬眠,但是透過適當降低溫度,使人進入新陳代謝更遲緩的「昏迷」狀態,確實有許多好處。

根據 ESA 資料,進入休眠狀態後,新陳代謝率約降低四分之三,研究表明,太空輻射對生理的影響都大大降低。另外在這種長期保持平靜的狀態下,心理健康也不容易因孤獨和空間封閉被影響。

更實際的是,太空人吃得少,需要帶的食物也變少了,太空船還能飛快一點。

根據 ESA 發表的方案,太空人需要模擬動物冬眠前的準備期,先「管住腿,張開嘴」,增加體內脂肪含量以儲存能量,然後再用特殊的藥物進入深層睡眠狀態。這種狀態會持續 180 天左右,並在前後設立適應期。

ESA 並非說說而已,甚至已設計出專門的冬眠艙,並公布草圖。

冬眠艙分為 6 人和 4 人兩種艙型。6 人艙為直徑 5.9 公尺、高 5.3 公尺的圓柱體,分為生命保障、居住、儲藏、工作等 9 個系統隔間。

ESA 還表示,會為太空人配備 AI 管家,幫助太空人冬眠時監測太空船。

當然,ESA 面前的困難還有很多,包括如何保障冬眠技術絕對安全、如何讓太空人長期睡眠後身心都能迅速適應環境並投入工作、如何確保 AI 能在人類「缺席」時接管所有工作等,這些都需要經過漫長試驗驗證。

但 ESA 似乎對此技術有相當大的決心,表示:

我們研究了如何讓太空人團隊進入冬眠狀態、在緊急情況下該怎麼辦、如何處理人身安全及冬眠會對團隊心理產生什麼影響,最後,我們建立了睡眠艙初步草稿,相信在 20 年內,就能讓人類登陸火星。

(本文由 愛范兒 授權轉載;首圖來源:ESA

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