لباس فضانوردی جدید ناسا برای ماموریت مریخ دقیقا چطور ساخته می‌شود؟

در تلاش بشر برای گام گذاشتن روی مریخ و اکتشاف آن، رسیدن به سیاره سرخ تنها نیمی از کار است. برای اینکه بتوانیم فضانوردان را هنگام گشت‌وگذار در این سیاره امن نگه داریم، نیازمند زیستگاه‌های پیچیده، سیستم‌های پشتیبانی حیات مخصوص و ارتباطات موثر خواهیم بود. علاوه بر این نیازمند نوع جدیدی از لباس‌ها فضانوردی نیز هستیم.

برای درک چالش‌های ساخت لباسی که قادر به تحمل محیط مریخ است و همینطور آموختن اینکه مهندسین به همین زودی چه گام‌هایی برای مقابله با چالش‌ها برداشته‌اند، وب‌سایت دیجیتال ترندز به سراغ دو مهندس ناسا رفته و این پرسش را مطرح می‌کند که ساخت چنین لباسی نیازمند چه کارهاییست.

اجزای لباس فضانوردی

طراحی یک لباس فضانوردی به هیچ وجه کار آسانی نیست، این را کریستین دیویس، مهندس لباس فضانوردی در مقر Johnson Space Center ناسا می‌گوید که در طراحی جدید ناسا، یعنی لباس‌های xEMU روی پوشش تحمل فشار کار می‌کند.

یک لباس فضانوردی مدرن متشکل از اجزای مختلفی است: نخست سیستم تحمل فشار (PGS) را داریم که همراه با کلاه ایمنی روی سر فضانورد قرار می‌گیرد و بعد به سیستم‌های پشتیبانی حیات می‌رسیم که درون نوعی کوله پشتی قرار گرفته‌اند و هوای قابل تنفس و دیگر نیازهای اساسی را هنگام فضانوردی برآورده می‌کنند. یک تیم دیگر هم روی اجزایی نظیر نورافکن‌ها و دوربین‌ها و دیگر سیستم‌های فرعی لباس کار می‌کند.

البته که فضانوردان ممکن است قد و وزن‌ها گوناگون داشته باشند و لباس فضانوردی هم نباید در سایزی واحد ساخته شود. دیویس در این باره توضیح می‌دهد که: «لباس‌های ما ماژولار هستند و بنابراین می‌توانیم اجزا را ترکیب و جابه‌جا کنیم. ما اجزای کوچک، متوسط و بزرگی داریم که می‌توانیم کنار هم قرار دهیم تا فیت یک نفر شوند. ما می‌توانیم لباسی فیت برای گستره عظیمی از افراد با جثه‌های گوناگون بیابیم. با xEMU ما واقعا روی افراد کوچک جثه خدمه تمرکز کرده‌ایم تا بتوانیم لباسی مناسب برای همه افراد داشته باشیم. هم مرد و هم زن.»

یکی از دلایل تمرکز بر لباس‌هایی با سایز کوچک‌تر، افزایش همکاری ناسا با فضانوردان زن است. اما لازم به اشاره است که این لباس‌ها بسته به جنسیت تقسیم‌بندی نشده‌اند. «لباس‌های ما جنسیت‌بندی شده نیستند، بنابراین یک لباس داریم که هم برای زنان است و هم مردان.» دیویس ادامه می‌دهد: «به خاطر اینکه این لباس‌ها براساس کالبدشناسی ساخته نشده‌اند و مثل لباس‌های عادی نیازی به ایجاد تغییر در آن‌ها برای اندام‌های مختلف نیست.» در عوض این لباس‌ها از نظر آنتروپومتریک شخصی‌سازی می‌شوند که در واقع مرتبط با اندازه‌گیری دست و پا و قفسه سینه فضانوردان است.

چالش‌های محیط مریخ

مریخ سیاره‌ای غیر قابل سکونت است (هرچند که برخی دانشمندان امیدوار به تغییر این وضعیت هستند) و در سطح، دمایی میان ۳۰ الی منفی ۱۴۰ درجه سلسیوس دارد. از سوی دیگر طوفان‌های خاکی، تشعشعات و اتمسفری باریک که غنی از کربن دی‌اکسید است را نیز باید به معادلات اضافه کرد. تمام این‌ها باعث می‌شوند یک لباس فضانوردی مقاوم یک ضرورت باشد. لباس فضانوردی نه‌تنها باید در برابر تمامی فاکتورهای بالا مقاوم باشد، بلکه دست و پای فضانوردان را نگیرد و آن‌ها همچنان به راحتی قدم زده و از انگشتان و دستان‌شان استفاده کنند.

دیویس می‌گوید که در قیاس با طراحی لباس فضانوردی ماموریت کره ماه، «ما محیطی متشعشع‌تر در سطح مریخ داریم که نه‌تنها پرتوهایی با انرژی بالاتر دارد، بلکه پرتوهای فرابنفش هم نیز دارد. برای ماموریت‌های طولانی‌مدت، باید مطمئن شویم که مواد به کارفته قادر به تحمل آن محیط است».

اتمسفر هم چالش‌های خاص خودش را دارد. مریخ زمانی اتمسفری قطور داشت که گرچه اکنون باریک شده، اما همچنان متمایز از نبود اتمسفر در کره ماه یا فضا است. بنابراین سیستم‌هایی مانند کوله‌پشتی‌های پرتابل پشتیبانی حیات می‌توانند هم در کره ماه و هم در ایستگاه فضایی بین‌المللی استفاده شوند، اما وقتی صحبت از کره مریخ باشد، نیاز به تغییر دارند.

به تمام این‌ها مشکل گرد و خاک را هم اضافه کنید که باعث می‌شود قطعات الکترونیکی آسیب ببیند و مریخ‌نوردان هم حین ماموریت به نقاط مختلف چسبیده و استهلاک می‌یابند. خاک کره ماه به گفته دیویس مثل «خرده‌های کوچک شیشه» است و علت آن به نبود اتمسفر و باد در ماه بازمی‌گردد. بنابراین در مجموع مشکل بزرگی هم با گرد و خاک وجود ندارد.

به گفته دیویس خاک در مریخ کماکان یک مشکل است. «اما این مشکلی متفاوت به حساب می‌آید. شما شاهد سایش بیشتری توسط باد و طوفان‌ها هستید که در نوع خودش خطرناک است. در این خاک پرکلرات یافت می‌شود و به خاطر اتمسفر غنی از دی‌اکسید کربن مریخ، تنفس‌شان شدیدا خطرناک بوده و منجر به سرطان می‌شود. سیستم کنترل گرد و خاک ما باید بهبود یابد تا اعضای خدمه ذرات گرد و خاک را تنفس نکنند.»

تحمل وزن

یک چالشی که طراحی لباس برای مریخ را متفاوت از طراحی آن برای ایستگاه بین‌المللی فضایی می‌کند، دخالت گرانش است. ایستگاه بین‌المللی فضایی، محیطی با گرانش اندک است و بنابراین فضانوردان نیاز کمی به استفاده از پاهایشان داشته و عمدتا با دست و بازو به نقاط مختلف حرکت می‌کنند. «تنها استفاده ما از پا در ایستگاه فضایی بین‌المللی، در نقاطی است که باید پایتان را در جای خاصی محکم کنید تا ثابت بمانید. شرایط کاملا متفاوت از محیط‌هایی مثل ماه و مریخ است که گرانش نسبی دارند».

در محیطی مانند مریخ با گرانش نسبی، مهندسین لباس فضانوردی باید به بالانسی میان حفاظت از فضانوردان و برآورده‌سازی نیازهای کلی آنان برای انجام ماموریت‌شان برسند، یکی از آن نیازها اینست که لباس چندان سنگین و ناراحت نباشد. مریخ گرانشی حدودا یک سوم کره زمین دارد و گرانش ماه حدود یک ششم زمین است. این یعنی لباس فضانوردان در مریخ، از هر جای دیگری که قبلا اکتشاف کرده‌ایم سنگین‌تر خواهد بود - و این موضوع تاثیرات خودش را هم روی بدن انسان می‌گذارد.

لباس‌های فضانوردی تکمیل شده کنونی شامل سیستم پشتیبانی حیاتی می‌شوند که حدودا ۱۳۶ کیلوگرم وزن دارند و گرچه لباس‌های نسل بعدی هنوز نهایی نشده‌اند، اما احتمالا در وضعیتی مشابه باشند. روی ماه، این وزن معادل حدودا ۲۶ کیلوگرم است، اما در مریخ معادل حدودا ۴۵ کیلوگرم.

دیویس در این باره هم توضیح می‌دهد: «با این همه اینطور نیست که موقع راه رفتن کاملا این وزن را احساس کنید -چون لباس وقتی تحت فشار قرار می‌گیرد مقداری از وزنش را از دست می‌دهد. پاها بیشتر نقش فنر را ایفا می‌کنند و هنگام راه رفتن تمام وزن را حس نخواهید کرد.»

افزون بر این‌ها، مهندسان معمولا راه‌هایی برای کاهش وزنی که فضانوردان باید تحمل کنند می‌یابند، مثلا با استفاده از تسمه‌های مشابه کوله‌پشتی‌های کوهنوردی که وزن را روی شانه‌ها و ران‌ها تقسیم می‌کنند.

آزمایش مواد روی زمین

برای تست کردن احساس لباس در محیطی با گرانش کمتر، ناسا از سیستمی به نام Active Responce Gravity Offload System (یا به اختصار ARGOS) استفاده می‌کند. این سیستم می‌تواند شرایط گرانش در ماه یا مریخ را بازسازی کند و به سوژه‌های آزمایش اجازه می‌دهد به همان اندازه که در ماه می‌توانند، به هوا بپرند و گرانش اندک ایستگاه بین‌المللی فضایی را تجربه کنند تا با حرکت کردن در هوا با دستان‌شان آشنا شوند.

دیویس می‌گوید: «ما سطل‌هایی پر از شن داریم که فضانوردان واردشان می‌شوند و تردمیل‌هایی که درجات مختلف از گردش را شبیه‌سازی می‌کنند. بنابراین ما گام برداشتن در محیط فضا را آن‌طور که در سطح قمری تجربه می‌کنید شبیه‌سازی می‌کنیم. متخصصین نمونه برمی‌دارند و از ابزارهایی که توسعه می‌دهیم استفاده می‌کنند. این سیستم بی‌نقص نیست اما ایده‌ای بهتر به ما می‌دهد که لباس فضانوردی در عمل چگونه خواهد بود.»

آن‌ها راه‌های مختلفی برای آزمایش مواد در محیط فضایی دارند و تست‌هایی به نام «تست‌های زمینی» برگزار می‌کنند که محیط هدف در آن‌ها با بیشترین دقت ممکن روی زمین بازسازی می‌شود. برای تست تجهیزات در محیط مریخ، نیاز به ساخت قرارگاه‌هایی وجود دارد که فشار، تشعشعات فرابنفش و اتمسفر مریخ در آن‌ها شبیه‌سازی می‌شود و کار حتی تا بازسازی متغیرهای دمایی و طوفان‌های خاکی مریخ هم پیش می‌رود.

لوثر بیگل، یکی از محققین ناسا که روی این شبیه‌سازهای مریخ کار کرده می‌گوید: «مشکل بازسازی گرد و خاک مریخ اینست که دقیقا نمی‌دانیم از چه چیزی تشکیل شده و در نقاط مختلف سیاره چه تفاوت‌هایی می‌یابد. [شبیه‌ساز ما] تنها بخشی از موادی که در سطح مریخ یافته‌ایم را شبیه‌سازی می‌کند. آن بیرون همواره چیزهایی یافت می‌شود که نمی‌دانیم آن‌جا هستند. به صورت ۱۰۰ درصدی مطمئن نیستیم که تمام واکنش‌های شیمیایی این ذرات خاک چگونه خواهند بود.»

خاک مریخ در سراسر این سیاره شکلی یکپارچه دارد و همین به مشکل دامن می‌زند. «ما شبیه‌سازی ساختیم که اجزای فیزیکی و شیمیایی گرد و خاک‌های به پا شده با باد را بازسازی می‌کند. این دستگاه ۸۰ الی ۸۵ درصد از مواد را شبیه‌سازی می‌کند. اما بسته به اینکه در کدام نقطه از مریخ باشید، مناطق مختلف، کانی‌شناسی بومی و متفاوت خودشان را دارند.»

بنابراین گرچه تست‌های زمینی راهی ارزشمند برای سخت‌افزارهای جدید مانند لباس فضانوردان هستند، برای اینکه کاملا مطمئن شوید مواد مورد استفاده از ماموریت‌های فضایی سخت جان سالم به در می‌برند، باید آن‌ها را در همان محیط حقیقی که به کار گرفته می‌شوند نیز تست کنید.

آزمایش مواد در سیاره‌ای دیگر

برای آزمایش مواد به کار رفته در لباس فضانوردان روی مریخ، محققین ناسا نقشه‌ای نبوغ‌آمیز تدارک دیده‌اند. مریخ‌نورد «استقامت - Perseverance» که تابستان امسال پرتاب شده و به کشف مریخ می‌پردازد، شامل دستگاه‌های علمی گوناگون و طیف‌سنجی به نام SHERLOC خواهد بود. و این طیف‌سنج اهداف مشخصی را روی مواد شناخته شده معدنی کالیبره خواهد بود.

اما به جای ارسال کالیبره‌های موادهای خالص معدنی -یعنی مشابه کاری که با مریخ‌نورد کنجکاوی انجام شد- سازندگان SHERLOC در همکاری با مهندسین لباس فضانوردان از مواد لباس فضانوردی برای کالیبره استفاده می‌کنند. به این ترتیب، بدون افزودن هیچ وزن اضافه به این مریخ‌نورد، امکان تست مواد روی لباس‌ها در محیط خود مریخ مهیا می‌شوند.

سیستم SHERLOC کالیبره‌سازی خود را روی مداری شامل نمونه‌های ۲ سانتی‌متر در ۲ سانتی‌متر از مواد مختلف انجام می‌دهد. این مواد پلی کربنات، وکتران، ارتو-فابریک و تفلون هستند که از همه آن‌ها در ساخت لباس فضانوردان استفاده شده است.

در هر بازه سه ماهه الی شش ماهه، کالیبره دوباره انجام می‌شود و این یعنی محققین ناشا قادر به بررسی مجدد نمونه‌ها خواهند بود. هدف از این کار، بررسی میزان استهلاک است. ناسا می‌خواهد مطمئن شود که مواد به کار رفته بدون تغییر باقی می‌مانند. برای مثال اگر یکی از مواد مستهلک شده و به نقطه فروپاشی برسد، تجهیزات SHERLOC قادر به تشخیص آن از طریق تصویربرداری میکروسکوپی خواهد بود.

در حال حاضر امید می‌رود که تمام نمونه‌ها قادر به تحمل شرایط محیطی بوده و در جریان آزمایش‌هایی که دو الی ۶ سال طول می‌کشند مستهلک نشوند. اما اگر استهلاک اتفاق بیفتد، تیم تولید لباس فضانوردی قادر به آزمایش‌های زمینی بیشتر خواهد بود تا منشا ایراد شناسایی و اطمینان حاصل شود که لباس فضانوری برای مدت زمانی طولانی در محیط مریخ به کار خود ادامه می‌دهد.

آینده طراحی لباس‌های فضانوردی

گذشته از مشارکت در طراحی کنونی xEMU، دیویس در تیمی نیز عضو است که تکنولوژی‌هایی تازه را در مراحل ابتدایی توسعه دارد - این تیم به دنبال ایده‌های منحصربه‌فردی است که در طراحی‌های آتی استفاده خواهند شد. برای مثال یکی از مفاهیمی که او و تیمش روی آن کار می‌کنند، نوعی سیستم واقعیت افزوده است که به کلاه ایمنی فضانوردان اجازه می‌هد اطلاعات مختلف را به کاربر نمایش دهند.

او توضیح می‌دهد: «امیدواریم یک روز نوعی نمایشگر برای استفاده از سوی خدمه داشته باشیم، خصوصا برای زمانی که مشغول کار روی چیزهایی مشخص هستند. این نمایشگر می‌تواند چیزهایی نظیر رویه کار یا تصاویر یک دوربین را به نمایش درآورد. شاید هم سیستم‌های هشدار داشته باشد و سطح اکسیژن را نمایش دهد. در مجموع تمام اطلاعاتی که دسترسی سریع به آن‌ها مفید تلقی می‌شود.»

تیم مورد اشاره تکنولوژی‌های مختلفی را برای رسیدن به این مهم در نظر گرفته و با استفاده از یک سیستم پروژکتور، نوعی لباس پروتوتایپ هم ساخته است. چنین سیستمی به صورت خاص در مریخ ارزشمند خواهد بود، چرا که در هر جهت، حداقل ۷ دقیقه تاخیر میان مکالمات زمین به مریخ و برعکس وجود دارد.

در حال حاضر وقتی فضانوردان در حال انجام کارهای پیچیده در لوکیشن‌هایی مانند ایستگاه بین‌المللی فضایی هستند، مقر زمینی آن‌ها را به صورت گام به گام و از طریق دستورالعمل‌های صوتی راهنمایی می‌کند. اما تاخیر در مکالمات روی مریخ باعث می‌شود این رویه نوعی اتلاف وقت و اساسا غیر بهینه باشد. ایده کلی اینست که یک نمایشگر واقعیت افزوده روی کلاه فضانوردان متصل شود که همان دستورالعمل گام به گام را به نمایش درمی‌آورد و نیاز فضانوردان به ارتباط با زمین را از بین می‌برد.