https://bodybydarwin.com
Slider Image

The Deep-Space Suit

2021

Da alarmerne går, er han tilbage på fødderne i håb om, at roveren ikke var med at filme, men ved at vide, at det var det - at hans første ansigtssprøjt på overfladen af ​​Phobos er blevet optegnet for eftertiden. Visirets fiberoptiske display blinker ildevarslende: brud på dragt. Hans krop, eller en lille smule deraf, er blevet udsat for det rå, luftløse vakuum fra en Marsmåne.

En astronaut kan dø på mange måder, men dekomprimering er en af ​​de mere grusomme. En punkteret rumdragt betyder et løb mod helligdom, inden kuvertet med rent ilt, der omgiver kroppen, bløder væk og hypoxi får personen til at slukke. Hurtigt tryktab er ikke eksplosivt, men det er grimt: Vand i kroppen begynder at fordampe og forsøger at flygte, lungerne kollapser, og cirkulationen lukker ned.

Ingen dør i dag, i det mindste ikke på Phobos. Dragt, han har på, er ikke en ballon under tryk. Det er det omvendte, egentlig - en klemmedrakt, med et gitter af smarte hukommelseslegeringer, der binder det til kroppen og erstatter en iltpude med direkte, mekanisk modtryk. Resultatet er formfittigt og smidigt; det kræver mindre energi at bevæge sig og øger en astronaut rækkevidde til fods. Og i tilfælde af brud forbliver dragtets levedygtige: Den kan lappes på stedet med en rumfares ækvivalenter af et Ace-bandage, hvor dens egne form-hukommelseslegeringer trækkes tæt for at forsegle overtrædelsen.

Da plasteret er på plads, er alarmerne stoppet. Epidermale biosensorer og sti-planlægningsalgoritmer har forkortet astronautens vandring over overfladen fra seks miles ud til lidt over fire. Han kalder missionskontrol for at argumentere imod denne genvej, når hans hjerterytme sænker sig. Et grimt blå mærke vil ikke dræbe ham. Og han rejste ikke 100 millioner miles hjemmefra for at vende tilbage nu.

* * *

For at mennesker skal skubbe længere ind i solsystemet - til en asteroide, til en Marsmåne eller endda til Mars selv - har de brug for en ny rumdragt: en, der giver dem mulighed for at rejse gennem dybe rum, og let bevæge sig over fremmede overflader, og overlever en lang række potentielt dødelige farer. "Hvis et lille hul optrådte i en kulstof under tryk, er det en alvorlig nødsituation. Mission over; kom tilbage til din sikre havn ASAP siger Dava Newman, en biomedicinsk ingeniør i luftrum og direktør for MITs Teknologi- og politikprogram.

Selv nutidens mest sofistikerede dragter er begrænset til bane med lav jord - og man blev aldrig designet til at forlade rumfartøjet. NASA begyndte at bruge Advanced Crew Escape Suit (ACES) efter Challenger- katastrofen i 1986 for at beskytte shuttle-astronauter under lancering og genoptagelse. Men det var knap nok til tjeneste. Da skyttelens betjeninger ikke var bygget til passende drift, fløj piloter rutinemæssigt uden deres klodsede handsker, hvilket efterlod dem sårbare over for en hurtig tryk lækage. Dragtens livsstøttesystem var ad hoc med slanger tapet ned i hele kabinen. Nu hvor shuttle-programmet er afsluttet, bærer astronauter det russiske ækvivalent med ACES, der blev introduceret i 1973.

NASAs anden dragt, Extravehicular Mobility Unit (EMU), er mindre af et tøj end et rumskib på flere millioner dollars pakket med væskekølet VVS. Brugt under rumvandringer rørte det først tomrummet i 1983; størstedelen af ​​dets stoffer var i forkant under den kolde krig. Selvom dragtens producent, ILC Dover, har eksperimenteret med selvhelbredende polymerer, og selvom NASA har fremmet udviklingen af ​​avancerede materialer som aerogeller til ultrathin termisk isolering, er disse teknologier endnu ikke vandret ind i EMU.

Den næste æra med rumfart burde ikke have at gøre med hånd-me-downs, ikke med det væld af materialer og design, der ruges i laboratorier rundt om i verden. Med den forestående private overtagelse af orbital- og suborbital-lanceringer og de første ekko af et mandat til at lande mennesker på Mars, vil der være mange flere mennesker, der går til rummet, nogle af dem rejser store afstande. De fortjener dragter, der ikke kun holder dem i sikkerhed, men også lever op til deres ambitioner.

* * *

De første nye dragter vil være strømlinede efterfølgere til ACES, kun de er ikke designet til stærk-øjet missilmænd, men til en ny gruppe piloter og passagerer, der betalte hundreder af tusinder af dollars for at blive pisket ud i rummet. Kaldt intravehikulær aktivitet eller dragter til start-entry, dette er drop-down iltmaskerne i rumfartsindustrien, enheder, hvis ægte funktion ion ality hvv inkluderer pres sur isering og en vis grad af livsst tte sparker ind under nødsituationer.

I sin oprindelige kontrakt med en dragtproducent bestemte SpaceX, at trykbeklædningen skal se "badass" ud. Da designere for første gang handler med andre klienter end NASA, bliver de tvunget til at tage nye udfordringer. I en indledende kontrakt med dragtmanden Orbital Outfitters bestemte SpaceX, at trykbeklædningen skal se "badass ud. Du får ikke den slags ordspil i regeringskontrakter siger Chris Gilman, chefdesigner hos Orbital Outfitters." Jeg elsker det. " Der er dog forhindringer i design af badass-rumdragt. En start-entry-dragt er ugudelig, en overdimensioneret enhed, der er indlejret med stive grænseflader til hjelmen og handskerne, og nok plads til at oppustes, basketballlignende, når det er presureret især i sædet, så en astronaut ikke er tvunget til at rejse sig. Gilman planlægger at imødegå denne "baggy rumpe" med taktisk syning. Ted Southern, medstifter af Final Frontier Design, der sikrede den oprindelige finansiering til sin 3G Drag gennem Kickstarter-crowd-finansieringsplatformen, håber at bruge mønstre, da modedesignere altid har for at forbedre pasform. ”Jeg tror ærligt, at det er nøglen, han siger. "Jo mere antropomorf det er, jo køligere ser det ud."

Dette er den nye forretning inden for rumdragtdesign: at tilfredsstille de kommercielle kunders behov, hvad enten det betyder at klæbe overlevelsesevne i en svelterpakke eller komme med nye, omkostningsbesparende innovationer inden for struktur og materialevalg. 3G-dragt den første er beregnet til levering allerede i januar til den spanske rumfarts opstart zero2infinity eliminerer nogle metalkomponenter. Final Frontier overvejer at udskifte andre med højtydende plastik. I forbindelse med IS3-dragt, som Orbital Outfitters leverer til XCOR Aerospace til brug i sin suborbital to-sæder, Lynx undersøger virksomheden engangselementer. Komponenter som blærelaget, som forsegler dragt, kunne udskiftes før hver lancering.

* * *

For at gå ud over kredsløb med lav jord, har astronauter brug for mere end en ny start-entry-dragt. De har brug for en all-suit til efterforskning. NASA afslørede for nylig sin Z-1-dragt, den første i en række testbeddesign. Z-1 indeholder lejer i samlingerne, der gør den langt mere mobil end den nuværende ekstravehikulære aktivitet (EVA) -model, ØMU. Den har også en bagudgangsport, der kan omdanne dragt til sin egen luftlås, så den kan anbringes til siden af ​​et levested for at undgå sporing i slibende månegolit eller ætsende Marsjord. Derefter vil agenturet begynde at arbejde på Z-2, og de bedste funktioner i begge disse dragter vil blive foldet ind i Z-3. Hvis alt går efter planen, vil Z-3 gøre sin åbningsrum gå fra den internationale rumstation inden 2017.

Men uanset hvilke funktioner Z-3 tager i kredsløb, er det ikke sandsynligt, at det inkluderer nutidens mest banebrydende materialer eller løser den største ulempe ved EVA-dragter: De er personformede blirker, fyldt med nok ilt til at opretholde et overleveligt tryk. Når de flytter, brænder astronauter 75 procent af deres energi, der kæmper mod deres egne beklædningsgenstande, og muskler deres gigantiske ballon-dyrs lemmer til flexion og udvidelse, og kun 25 procent på den egentlige efterforskning.

MITs Newman ønsker at vende dette forhold. Siden 1999 har hun udviklet BioSuit, en rumdragt, der erstatter gasfyldt tryksætning med et andet system: mekanisk modtryk (MCP). I stedet for at pumpe i en beskyttende luftbuffer udøver MCP en ensartet klem fra hele kroppen og gengiver tilstrækkeligt atmosfærisk tryk gennem mekanisk kraft. Den resulterende dragt ville bevæge sig lettere og bruge kun 25 procent af en astronaut's energi. Det ville også være langt mere holdbart, da mekanisk modtryk let kunne gendannes i tilfælde af brud.

Astronauter har brug for en dragt, der kan vende ud mod den hånede overflade af en sårende asteroide og en støvstorm på den røde planet. For at gøre MCP til virkelighed, har Newman brug for et nyt materiale - et, der binder sig tæt, i overensstemmelse med de intrikate kurver i menneskets fysiologi, mens også giver efter for bevægelse. "I de sidste par år kiggede vi på 14 kandidatteknologier, siger hun." Nu har vi det ned til tre. "En mulighed er dielektriske elastomerer, der udvides eller trækkes sammen gennem elektrisk strøm, der fungerer som lav effekt aktuatorer. En anden er legeringsformer med formhukommelse, et fangstbegrep
til fleksible metaller, der kan genoptage deres oprindelige form og egenskaber. Newmans team fokuserer på at flette flere legeringer, herunder nikkel-titanblandingen, Nitinol, som deformerer og reformerer baseret på temperaturskift.

"Jeg tror, ​​vi har bevist den tekniske gennemførlighed, som Newman siger. Hun vurderer, at med endda et par millioner dollars om året, kunne hun skalere teknologien op for at producere en rigtig dragt på tre til fem år.

* * *

Hindrene, der står i vejen for en bemandet dyb-rum-mission, er skræmmende: fremdrift, der er i stand til økonomisk at foretage en rundtur til Mars, et rumfartøj, der kan beskytte sit besætning mod dødelige galaktiske kosmiske stråler under den årlige flyvning. Det vil ikke være næste år eller sandsynligvis endda næste årti, men når dagen for vidtrækkende rumudforskning kommer, har astronauter brug for en kulør, der kan møde en række miljøer, fra den pocked overflade af en sårende asteroide til et støv storm på den røde planet. For at opbygge det har designere brug for et arsenal af nye materialer, der hver giver en ny kapacitet.

Ledende nanodråber og elektroaktive polymerer, der snøres i dragt, kunne høste energi fra astronautens bevægelser og omdanne trykhjelmens visir til et gennemskinneligt fiberoptisk heads-up display. Lokale kort og forudindstillede ruter, der er lagt på visiret, kan slå til og fra med stemmekommandoer. Andre data kan komme fra epidermale biosensorer, filtreret gennem algoritmer, der anbefaler et langsommere tempo for at optimere energi og luftforsyning. Selv ingeniører, der er skeptiske over for at realisere MCP med fuld krop, når som helst snart forestiller sig begrænsede applikationer, såsom gasfrie handsker.

Afhængigt af destinationen kunne designere bytte ind andre komponenter. En dragt, der er på vej mod en asteroide, kan have støvlesåler, der udnytter den samme tør vedhæftningseffekt af gekkohud, hvilket giver dem mulighed for at fastgøre på overflader i næsten enhver tilstand, herunder tyngdekraft næsten nul på en hurtigt roterende himmellegeme. Stabilisatorer, der er under udvikling på Draper Laboratory, kunne monteres på dragtens arme og ben: Miniaturiserede gyroskoper, der har små spindeskiver, de ville give modstand for at skabe indtryk af jordens tyngdekraft og potentielt reducere desorientering i nul-G.

Mars præsenterer sine egne udfordringer, herunder temperaturer, der svinger fra 70 ° F til –225 ° F. "På Mars er der sæsoner, siger Amy Ross, en rumfartsingeniør på NASA, der er involveret i Z-1." Du har muligvis brug for din lette forårsjakke og tunge vinterfrakke. "Mens Ross forestiller sig at levere aftagelige, fuldkrops-overalls af forskellige vægter, Newman presser på for en faktisk frakke - et airgel-lagdelt tøj, der ville være bare et par millimeter tykt, med tilstrækkelig gasimpregneret isolering til at modstå de værste Mars temperaturfald. En lotus-bladinspireret belægning udviklet af ILC Dover —Den efterligner plantens glatte, selvrensende egenskaber — kunne begrænse mængden af ​​støv, der spores ind i køretøjer og faciliteter.

Final Frontier forfølger nanostrukturerede eller pulveriserede forbindelser til let, fleksibel afskærmning mod stråling - en af ​​de største udfordringer for fremtidige dragter. Ekstraordinære dragter har i øjeblikket ingen strålingsbeskyttelse, hvilket tvinger NASA til blot at begrænse antallet af pladsvandringer i løbet af en astronauts karriere.

Som Gilman fra Orbital Outfitters påpeger, at rumdragter er fyldt med usynlige subtiliteter. ”Hver ounce masse, og enhver potentiel interaktion mellem materialer, tilføjer kompleksitet til et system, der allerede er forbløffende kompliceret. Alligevel er det, hvad rumets fremtid har dragt kunne være ikke en stigende op grad til Apollo-æra gear, men det bedste, som flere forskningsfronter har at tilbyde. Astronauternes evne til virkelig at udforske solsystemet vil blive defineret af de materialer, ingeniører har bortskaffelse af dem. Nogle af disse materialer fungerer måske aldrig i rummet, men dem, der gør det, kan betyde forskellen mellem et par blanding, symbolsk trin og en vandretur værd at en flyvning på 100 millioner kilometer.

Erik Sofge skriver om videnskab, teknologi og kultur fra Massachusetts.

Se et detaljeret kig på fremtidens rumdragt på næste side.

For astronauter at udforske dybe rum, skal dragter være slankere, smartere og langt mere manøvrerbare. Mange af de materialer, der kunne få dette til, er i laboratorier lige nu.
Elbert Chu

Skræddersyet
I stedet for gastryk, kan fremtidige drag bruge formhukommelseslegeringer, såsom en vævning af Nitinoltråd fremstillet af Boston-baseret Mid Technology, til at anvende et stabilt mekanisk modtryk. Legeringen ville blive behandlet med varme til tæt pasformede astronauter, når de donerer deres dragt, men også i overensstemmelse med bevægelse.

Forstørret vision
Astronauter kigger i dag gennem plast; fremtidige visirer kunne være lavet af en klar keramik kaldet ALON, som er tyndere end skudsikkert glas og tre gange så stærk. En heads-up-skærm af Lumus Optical, der bruges af F-16-piloter, kunne migrere til rumhjelme som en fuldfarveskærm, der leder lys til øjnene med optiske prismer.

Skumbuffere
Konkave områder af kroppen kan kræve et andet formhukommelsesmateriale for at regulere dragtets modtryk. Syracuse Biomaterials Institute har udviklet grundlaget for denne teknologi: kulstof nanofibre, der producerer varme, når de aktiveres af elektricitet, hvilket kan få skum til at udvide sig til en forudindstillet form.

Kølesystem
Nuværende drag cirkulerer vand gennem 300 fods rør for at trække kropsvarmen væk. Purdue
Universitetsingeniører skabte en teknologi, der kunne isolere rørene og også producere energi: glasfibre (i fremtiden, polymerer) belagt med termoelektriske nanokrystaller, der absorberer varme og udleder elektricitet.

Beskyttende skal
Ét forkert klem fra mekanisk modtryk kan skade vitale organer. En stiv, fuldt trykskaldet skal give beskyttelse uden at begrænse en astronautens bevægelse. For at minimere bulk og holde kontaktpunkterne mellem hårde og bløde materialer behagelige, ville hver skal være 3D-trykt, så den passer til dens bruger.

Selvhelende handsker
Indtil videre er det bedste forsvar mod en revet dragt eller handske at befæste det med stærkere lag. Ingeniører hos ILC Dover undersøgte en bedre tilgang: Integrer selvhelbredende materialer, såsom polymerer indlejret med mikroindkapslede kemikalier. Når kapslerne sprænger, skummer kemikalierne og helbreder den revne dragt.

Ekstrem isolering
Silica aerogels, bestående af ca. 95 procent luft, kunne isolere mod svære temperatursvingninger. Ved at overtrække et siliciumdioksid med en fleksibel polymer gjorde et team på University of Akron aerogeller holdbare og fleksible nok til plads. Indbygget brint kan også blokere farlige niveauer af stråling.

Kunstig tyngdekraft
Langvarig eksponering for lav tyngdekraft forårsager knogletab og muskelatrofi, som astronauter afværger ved at træne 2, 5 timer hver dag. Enheder, der er udviklet på Draper Laboratory, kunne bygge fitness til rumdragter. Gyroskoper fastgjort til arme og ben kunne give modstand svarende til tyngdekraften på Jorden.

Limstyrke
Et tørt klæbemiddel oprettet på University of Massachusetts, strategisk placeret på rumdragter, kunne hjælpe astronauter med at holde fast på overflader og værktøjer. Dens væv af kulstoffiber og Kevlar efterligner hudens og senestrukturen for geckofødder, hvilket giver den en hidtil uset styrke - alligevel skrælmer den let væk fra overflader.

Ekstra kraft
Batterierne, der leverer livssupportsystemer, skal gentagne gange oplades. Zinkoxid-nanotråd, der udvikles ved Michigan Technological University, kan omdanne bevægelse til elektricitet. Indlejring af sådanne piezoelektriske ledninger i stoffet over knæ og albuer kan give værdifuld redundans i rummet.

At opbygge god mobilnavigation er super hårdt.  Så hvorfor prøver Uber det?

At opbygge god mobilnavigation er super hårdt. Så hvorfor prøver Uber det?

Wifi-puder og smarte hårbørster gør CES til en botnet-drøm

Wifi-puder og smarte hårbørster gør CES til en botnet-drøm

Slanke, kødfulde læber, der drypper af snørr, hjælper disse fisk med at spise stikkende koraller

Slanke, kødfulde læber, der drypper af snørr, hjælper disse fisk med at spise stikkende koraller