A gravidade artificial é um tema recorrente na ficção científica. Mas há muito tempo este assunto foi além de livros e filmes, tornando-se uma tarefa prática para cientistas. As tecnologias que criam o efeito da gravidade são desenvolvidas e estudadas no Instituto de Problemas Biomédicos (IBMP) da Academia Russa de Ciências com interesse voltado aos próximos voos espaciais para além da Lua.

Para voar para Marte
Por que criar gravidade artificial? Até o momento as tripulações da Estação Espacial Internacional utilizam os meios usuais de prevenção para enfrentar a influência da gravidade zero. A força gravitacional da Terra atua sobre todo o corpo da pessoa, porém, em condições de gravidade zero, esse efeito está ausente, o que causa muitos problemas de saúde. Como os músculos e as articulações podem ser mantidos em boa forma através de exercícios físicos, o mesmo não ocorre com os órgãos internos. Para que um vôo a Marte, por exemplo, não represente um risco excessivo à saúde, é necessário desenvolver um dispositivo que crie gravidade artificial em uma espaçonave.

A força da gravidade pode ser simulada a partir da força centrípeta, que ocorre devido à rotação uniforme de um objeto ou parte dele. O pai da cosmonáutica russa Konstantin Tsiolkovsky foi o primeiro a sugerir a ideia de criar uma força de gravidade artificial pela força centrípeta em seus livros “Sonhos da Terra e o Céu” (1895) e “Fora da Terra” (1920).

O estudioso russo Konstantin Tsiolkovsky e um esboço de estação espacial rotativa com “gravidade artificial”

A ideia proposta pelo cientista era construir uma estação espacial toroidal (em forma de câmara de pneu ou boia salva-vidas), semelhante a uma roda de bicicleta. Ao girar esta roda em torno do seu eixo no espaço, a inércia e a força centrípeta criam uma espécie de gravidade artificial, que pressiona os objetos contra a superfície externa. Isso permitirá que humanos possam caminhar pelo chão da estação como se caminhassem na Terra, ao invés de flutuar como ocorre na ISS. No entanto, este método apresenta muitos problemas ainda não resolvidos.

Quando a cabeça está girando
Experimentos realizados no IBMP desde 1960 mostraram que o movimento de uma pessoa em um ambiente rotativo leva ao aparecimento de um problema denominado cinetose no aparelho vestibular, responsável por nossa orientação. Quanto mais alta a velocidade de rotação, mais forte é o efeito. Ao longo dos anos, foi estudado o efeito sobre o corpo humano submetido a uma longa permanência (até um mês) em sistemas rotativos.

O primeiro sistema criado para este estudo foi a câmara MVK-1. Ela tinha uma cabine cilíndrica com um eixo de rotação passando pelo centro do piso. O acionamento de instalação proporcionou rotação uniforme com velocidade angular de 0,9 a 6 rpm, ocupando uma área de cerca de 3 m2 para dois ocupantes sentados. A duração da permanência contínua neste sistema foi limitada a uma semana.

Nos anos posteriores, foram construídas novas câmaras de teste. A Orbita foi montada em uma centrífuga com 20 m de braço. Em 1989 foi construída a câmara Júpiter-2, onde foram simuladas as condições de habitabilidade de uma estação espacial. Esta instalação é um cilindro metálico com diâmetro de 4,6 m e altura de 2,2 m; o eixo de rotação passa pelo centro da cabine e a velocidade de rotação varia de 1 a 15 rpm.

Conforme citado por Oleg Orlov, diretor do IBMP e acadêmico da Academia Russa de Ciências: “O Júpiter-2 é praticamente uma sala girando lentamente. Com uma rotação de 6 rpm, as pessoas se adaptavam à rotação por várias horas e passavam vários dias com relativo sucesso. Com rotação de 9 rpm, já era necessário o uso de remédios para que as pessoas não tivessem enjôos, porém isso não garantia que as pessoas não apresentassem esses sintomas. Raramente alguém conseguiu suportar uma rotação maior que 12 rpm. Para manter a aceleração da gravidade próximo às condições da Terra em baixa rotação, é necessário aumentar o raio da estrutura. O resultado são grandes estruturas dinâmicas, cuja criação neste momento é tecnicamente difícil.”

Atualmente, o sistema Júpiter-2 foi doado ao Museu Estatal de História da Cosmonáutica Tsiolkovsky na cidade de Kaluga, onde fará parte de uma nova exposição a ser inaugurada para o 60º aniversário do voo de Yuri Gagarin. Hoje o IBMP desenvolve uma outra concepção de testes, o uso de uma centrífuga de raio curto a bordo de uma estação orbital para criar realizar testes de curto prazo, mas periodicamente repetidos.

Terapia gravitacional
Na URSS, a primeira centrífuga terrestre de raio curto foi desenvolvida em 1978, com um braço de 2 m de comprimento e criando uma sobrecarga de 4g ao nível dos pés. Na extremidade dos pés havia uma bicicleta ergométrica para treinamento físico durante a rotação. Havia também um conjunto de equipamentos para monitoramento médico da pessoa submetia a teste.

Como resultado das pesquisas, foi resolvida a questão da direção da ação das sobrecargas durante a rotação em uma centrífuga de raio curto em gravidade zero, ou seja, a direção deve ser ao longo do eixo longitudinal do corpo, ou seja, da cabeça aos pés. Somente este vetor de ação das sobrecargas cria uma pressão arterial hidrostática, semelhante à experimentada por uma pessoa em pé na Terra, e desaparece na gravidade zero. Nos estudos de modelos foi comprovada a possibilidade fundamental do uso efetivo da gravidade artificial para fins preventivos.

“A eficiência da rotação da centrífuga para prevenir o efeito negativo da gravidade zero foi confirmada em objetos biológicos durante um voo espacial real sob o programa BION em 1977.”, observou Oleg Orlov.

“No entanto, novas pesquisas neste sentido foram interrompidas, uma vez que se acreditava que para estações espaciais a criação de gravidade artificial é algo redundante. A documentação desse sistema foi transferida para a cidade de Samara, onde posteriormente foram criadas várias centrífugas clínicas. Foi assim que surgiu um novo método clínico, a terapia gravitacional.”

O problema da gravidade artificial usando uma centrífuga de raio curto já voltou aos nossos dias em conexão com o tema dos voos interplanetários. A moderna bancada de laboratório da centrífuga foi criada na RSC Energia por encomenda dos especialistas do IBMP, absorvendo tanto a experiência nacional russa quanto à prática de agências estrangeiras (existem centrífugas de raio curto na Alemanha, EUA, Japão, França e China).

Em 2014, os primeiros ensaios médicos foram realizados em uma centrífuga IBMP de nova geração com a participação de quatro homens com idades entre 30 e 34 anos, com sobrecargas na direção cabeça-pelve de até 1,5 a 2g. Após os testes, foi realizada uma modernização quase completa da bancada de testes.

Parecendo que está no chão
“Com as modificações, a cabine ficou fechada, mais funcional e confortável para as pessoas em termos de estímulos optocinéticos externos. Os efeitos de aceleração e desaceleração da cabine também são minimizados. A centrífuga funciona tão suavemente que uma pessoa na cabine fechada nem percebe a rotação. A alteração da geometria da cabine, de uma posição deitada para a posição sentada é feita no console do sistema ou pelo próprio sujeito em teste. O uso de um design especial permite a rotação em uma posição “semi-sentada”, o que facilita significativamente a tolerância da pessoa às forças g longitudinais quando o impacto é direcionado da cabeça para as pernas. Mudar a postura pode reduzir significativamente o raio da centrífuga, o que é importante no desenvolvimento de sua versão de bordo, onde o módulo pode ter dimensões de raio limitadas.”, disse Milena Koloteva, chefe do laboratório do IBMP.

A centrífuga de nova geração foi colocada em operação em 2015, mas continua sendo aprimorada. Por exemplo, está em desenvolvimento a criação de elementos de realidade virtual em uma cabine fechada, ou seja, a pessoa não apenas sentira “um peso nas pernas”, mas também será capaz de ver imagens da superfície do planeta.

Os testes com homens na nova centrífuga de raio curto foram realizados entre 2014 e 2019. Em 2019, três pessoas foram periodicamente giradas em centrífuga de raio curto. No ano passado, foi feita uma interrupção forçada devido à pandemia de coronavírus, mas em 2021 a série de experimentos continuará. Um estudo semelhante está sendo planejado com mais dois testadores.

As mulheres há muito tempo são membros das tripulações da ISS e também participarão de futuras missões espaciais interplanetárias; portanto, elas também são submetidas a testes de gravidade artificial. Pela primeira vez, seis mulheres voluntárias participaram de estudos em uma centrífuga de raio curto como parte dos experimentos para a missão Luna-2015. Os resultados da rotação nos modos de teste confirmaram a capacidade de suportar sobrecargas de modo favorável. Mas há características das reações do corpo feminino que não permitem extrapolar totalmente os resultados do grupo masculino para as mulheres.

“No futuro, será possível que as mulheres participem não apenas da série controle, onde giraram em uma centrífuga de raio curto, mas também da imponderabilidade simulada por meio da hipocinesia anti-ortostática (ANOH). É necessário selecionar esse modelo de ausência de peso, onde grupos de homens e mulheres pudessem participar simultaneamente.”, diz Milena Koloteva. “Em seguida, comparam-se os resultados, verificando quem retém o efeito “gravitacional” por mais tempo, quais os critérios de tolerância. Este é um grande trabalho à parte.”

Módulo de gravidade
A pesquisa e o desenvolvimento experimental da tecnologia de módulos transformáveis (infláveis) com a colocação de uma centrífuga de raio curto a bordo foram realizados na RSC Energia entre 2012 e 2015. Como resultado, os materiais foram selecionados e certificados. A análise mostrou a possibilidade fundamental de se criar um módulo inflável de média com uma centrífuga de raio curto. Esse módulo é lançado dobrado e deve girar após o encaixa na estação. Um módulo inflável semelhante, denominado BEAM, foi testado por vários anos como parte do segmento americano da ISS.

“A questão de quando este módulo será criado está em aberto.”, enfatizou Oleg Orlov, “Muito provavelmente, pode ser visto na configuração da nova estação espacial russa. Na fase de criação de um mock-up de uma versão a bordo de uma centrífuga de raio curto, juntamente com a equipe da RSC Energia, temos que trabalhar os requisitos médicos e técnicos e resolver questões não apenas das dimensões do produto para o módulo projetado, ergonomia de operação, mas também uma série de outros: por exemplo, consumo de energia, formação de fluxos de ar durante a rotação, etc.Entre as questões importantes estão as características dinâmicas da centrífuga: velocidade e tempo de rotação, velocidades de aceleração e desaceleração permitidas. A possível transmissão de vibração para a estrutura do módulo também é uma questão importante. Nossos projetistas tem experiência na criação de suspensões independentes para suportes médicos dinâmicos (principalmente esteiras), que podem ser úteis em trabalhos futuros. As limitações impostas ao projeto e às características operacionais do produto pelos recursos de um módulo específico e as condições de operação como parte de uma estação espacial devem ser resolvidas na fase de criação de um modelo da instalação e, finalmente, resolvidas na fase de projetar uma centrífuga a bordo.”

Separados, mas juntos
Os especialistas do IBMP observaram que uma centrífuga de raio curto não deve ser considerada uma solução universal contra todas as possíveis manifestações adversas da falta de peso.

“O sistema preventivo que agora está a bordo da ISS não será abandonado.”, explica Milena Koloteva; “A centrífuga de raio curto deve ser integrada às medidas preventivas existentes. O desaparecimento da pressão arterial hidrostática, a ausência de carga de peso no sistema muscular-esquelético e as alterações no funcionamento dos sistemas aferentes não podem ser nivelados pelos meios de prevenção atualmente disponíveis. Compensar a ausência de estímulos gravitacionais só é possível criando uma gravidade artificial a bordo da estação. Os resultados da pesquisa mostram que a combinação da centrífuga e da profilaxia tradicional, como o exercício em uma bicicleta ergométrica, ajuda a manter a estabilidade gravitacional mais do que o uso dessas ferramentas sozinhas.”

O IBMP está desenvolvendo a frequência de uso da centrífuga de raio curto. É possível que seja aplicado nas fases iniciais do voo espacial, partindo literalmente do 2º ou 3º dia de gravidade zero até o final da missão.

“Agora estamos falando sobre o uso diário da centrífuga, porque devemos ter resultados relevantes.”; frisou Milena Koloteva, “Temos a oportunidade de nos comunicar com o sujeito durante o experimento e registrar seus sentimentos e observações. Mas é bem possível que cada membro de uma expedição ao espaço profundo tenha seu próprio protocolo para usar uma centrífuga de raio curto. Alguém durante o voo, por exemplo, para Marte fará 50 rotações; outra pessoa, 150 rotações. Depende das características individuais da pessoa e da reação do sistema fisiológico. Tudo isso ainda está para ser determinado.”

A atração gravitacional na arte
A gravidade artificial é apresentada em muitos livros, filmes, séries de TV, quadrinhos e jogos de computador. Por exemplo, em 2001: uma odisseia no espaço, de Stanley Kubrick, e no romance de mesmo nome de Arthur Clarke, a nave Discovery gira criando gravidade artificial. As pessoas andavam em um “piso” curvo que girava constantemente dentro da nave.

Em Interestelar, dirigido por Christopher Nolan, a estação espacial e o Endurance formam a gravidade artificial, girando em uma frequência específica para simular uma gravidade semelhante à da Terra.

No romance de Andy Weir, O marciano, e no filme de mesmo nome, a espaçonave Hermes cria deliberadamente a gravidade artificial. Ele usa uma estrutura anular, na qual existem forças iguais a cerca de 40% da gravidade da Terra. Esta gravidade artificial é semelhante em força à de Marte. No centro da estrutura anelar, a ausência de gravidade torna os astronautas praticamente sem peso.

No universo de Star Trek, a gravidade artificial é obtida por meio do uso de uma “placa de gravidade” embutida no convés de uma nave estelar. E na série de televisão Far Away, que estreou no ano passado na Rússia, a gravidade artificial está presente apenas nos alojamentos da tripulação, que giram em torno do corpo da espaçonave, que não tem gravidade.

Tradução: Eng. Rafael Cândido
Fonte: Roscosmos – http://www.roscosmos.ru/30985/

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