Higiena astronautyczna - Astronautical hygiene

Higiena astronautyczna ocenia i łagodzi zagrożenia i zagrożenia dla zdrowia osób pracujących w środowiskach o niskiej grawitacji . Dyscyplina higieny astronautycznej obejmuje takie tematy, jak stosowanie i konserwacja systemów podtrzymywania życia , ryzyko związane z aktywnością poza pojazdem , ryzyko narażenia na chemikalia lub promieniowanie, charakterystyka zagrożeń, kwestie czynnika ludzkiego oraz opracowywanie strategii zarządzania ryzykiem . Higiena astronautyczna działa równolegle z medycyną kosmiczną, aby zapewnić astronautom zdrowie i bezpieczeństwo podczas pracy w kosmosie.

Przegląd

Gdy astronauci podróżują w kosmosie, są narażeni na liczne zagrożenia, takie jak promieniowanie, drobnoustroje w statku kosmicznym, toksyczny pył na powierzchni planety itp. Podczas podróży kosmicznej higieniści astronautyczni zbierają dane dotyczące wielu tematów. Po zebraniu danych analizują je, aby określić między innymi zagrożenia dla zdrowia ludzkiego wynikające z narażenia na różne chemikalia w statku kosmicznym, a także inne toksyny podczas ich lotu. Na tej podstawie higieniści mogą określić odpowiednie środki, jakie należy podjąć, aby złagodzić narażenie astronautów na szkodliwe chemikalia.

Będąc na powierzchni księżyca lub planety, higienistka astronautyczna zbierałaby również dane na temat natury pyłu i poziomu promieniowania na powierzchni. Na podstawie tej analizy określą zagrożenia dla zdrowia astronautów i wyciągną wnioski, jak zapobiegać lub kontrolować narażenie.

Główne role higienistki astronautycznej są następujące:

  1. Inicjowanie i uczestniczenie w badaniach, w których kompetentna ocena zagrożeń dla zdrowia ma kluczowe znaczenie, np. przy opracowywaniu skutecznych strategii ograniczania zapylenia w eksploracji Księżyca.
  2. Aktywny udział w projektowaniu technik łagodzenia zagrożeń, np. skafandrów kosmicznych o niskim zatrzymywaniu/uwalnianiu pyłu i łatwości poruszania się.
  3. Zapewnienie rozwiązywania problemów podczas lotu, np. w celu identyfikacji zagrożenia, oceny ryzyka dla zdrowia i określenia środków łagodzących.
  4. Doradzać rządom, takim jak brytyjska Agencja Kosmiczna, w sprawie najbardziej opłacalnych środków ograniczania ryzyka w przypadku załogowych lotów kosmicznych.
  5. Działać jako centralny łącznik między innymi dyscyplinami nauk o kosmosie.
  6. Dostarczanie informacji, instrukcji i szkoleń w zakresie ustanawiania norm, skutków narażenia na zdrowie, identyfikacji zagrożeń i stosowania środków kontroli.
  7. Zapewnienie holistycznego podejścia do ochrony zdrowia astronautów.

Statek kosmiczny Orion (lub Multi-Purpose Crew Vehicle ) to amerykańsko-europejski międzyplanetarny statek kosmiczny przeznaczony do przewozu załogi składającej się z czterech astronautów do miejsc na lub poza niską orbitą okołoziemską (LEO). Obecnie w trakcie opracowywania przez Narodową Agencję Aeronautyki i Przestrzeni Kosmicznej ( NASA ) oraz Europejską Agencję Kosmiczną (ESA) w celu wystrzelenia w kosmos . Orion będzie zawierał potencjalnie niebezpieczne materiały, takie jak amoniak , hydrazyna , freon , tetratlenek azotu i lotne związki organiczne i konieczne będzie zapobieganie lub kontrolowanie narażenia na te substancje podczas lotu. Higieniści astronautyczni ze Stanów Zjednoczonych wraz z kolegami z Unii Europejskiej, indywidualni higieniści astronautyczni z Wielkiej Brytanii oraz eksperci medycyny kosmicznej opracowują środki, które zmniejszą narażenie na te substancje.

Dr John R. Cain (ekspert ds. zarządzania ryzykiem zdrowotnym rządu Wielkiej Brytanii) był pierwszym naukowcem, który zdefiniował nową dyscyplinę higieny astronautycznej. Utworzenie Brytyjskiej Agencji Kosmicznej i Brytyjskiego Stowarzyszenia Nauk Życia i Biomedycyny Kosmicznej (UK Space LABS) postrzega rozwój i stosowanie zasad higieny astronautycznej jako ważny środek ochrony zdrowia astronautów pracujących (i ostatecznie żyjących) w kosmosie .

Sprzątanie i gospodarka odpadami

Higiena osobista

Zobacz też: Kosmiczna toaleta

Problemy z czyszczeniem i usuwaniem odpadów pojawiają się w środowiskach o niskiej grawitacji. Na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej nie ma pryszniców, a astronauci zamiast tego biorą krótkie kąpiele gąbkowe, przy czym jedna szmatka służy do mycia, a druga do płukania. Ponieważ napięcie powierzchniowe powoduje przyleganie wody i baniek mydlanych do skóry, potrzeba bardzo mało wody. Stosuje się specjalne mydło bez spłukiwania, a także specjalne szampony bez spłukiwania. Ponieważ spłukiwana toaleta nie działałaby w środowiskach o niskiej grawitacji, zaprojektowano specjalną toaletę, która ma zdolność zasysania. Chociaż projekt jest prawie taki sam, koncepcja wykorzystuje przepływ powietrza, a nie wody. W przypadku promu kosmicznego ścieki są odprowadzane za burtę w przestrzeń kosmiczną, a odpady stałe są kompresowane i usuwane z obszaru składowania po powrocie promu na ziemię. Obecny model toalety został po raz pierwszy oblatany na STS-54 w 1993 roku i ma nieograniczoną pojemność w porównaniu do pojemności oryginalnych toalet wahadłowych tylko przez 14 dni, a nowy model jest pozbawiony zapachów.

Wewnątrz ISS astronauci noszą zwykłe ubrania. Chociaż ubrania nie są prane i były noszone, dopóki nie zostaną uznane za zbyt brudne, po tym są albo zabierane z powrotem na Ziemię jako śmieci, albo są pakowane i wyrzucane wraz z innymi odpadami, aby spalić się w atmosferze. Dopiero wraz z 2020 r. dla NASA opracowywane są detergenty do prania ubrań w kosmosie bez użycia wody.

Kontrola gazów w statku kosmicznym

Toksyczne gazy są wytwarzane jako odgazowywanie astronautów i materiałów niemetalicznych, takich jak powłoki powierzchniowe, kleje, elastomery, rozpuszczalniki, środki czyszczące, płyny do wymienników ciepła itp. Powyżej określonych stężeń, wdychane gazy mogą wpływać na zdolność załogi, aby skutecznie wykonywać swoje obowiązki.

Większość danych toksykologicznych dotyczących narażenia na gaz opiera się na 8-godzinnym okresie pracy pracownika naziemnego i dlatego nie nadaje się do pracy na statkach kosmicznych. Trzeba było ustalić nowe czasy ekspozycji (dane higieny astronautycznej) dla misji kosmicznych, w których ekspozycja może być nieprzerwana przez okres do 2 tygodni lub dłużej, bez okresów dziennych lub weekendowych.

Limity ekspozycji oparte są na:

  • „Normalne” warunki eksploatacji statku kosmicznego.
  • Sytuacja „awaryjna”.

W normalnych warunkach występują śladowe zanieczyszczenia gazowe, takie jak amoniak z normalnego odgazowywania w temperaturach otoczenia i podwyższonych temperaturach. Inne gazy pochodzą ze zbiorników zasilających w gaz oddechowy oraz z samych członków załogi. W sytuacjach awaryjnych gazy mogą powstawać w wyniku przegrzania, rozlania, pęknięcia obiegu chłodziwa ( glikol etylenowy ) oraz pirolizy składników niemetalicznych. Tlenek węgla jest głównym problemem załóg kosmicznych; było to widoczne podczas misji Apollo . Emitowane gazy śladowe można kontrolować za pomocą filtrów z wodorotlenku litu do wychwytywania dwutlenku węgla i filtrów z węglem aktywnym do wychwytywania innych gazów.

Gazy w kabinie można badać za pomocą chromatografii gazowej , spektrometrii masowej oraz spektrofotometrii w podczerwieni . Próbki powietrza ze statku kosmicznego są badane zarówno przed, jak i po locie pod kątem stężenia gazów. Filtry z węglem aktywnym można badać pod kątem obecności gazów śladowych. Zmierzone stężenia można porównać z odpowiednimi limitami narażenia. Jeśli ekspozycja jest wysoka, wzrasta ryzyko dla zdrowia. Ciągłe pobieranie próbek substancji niebezpiecznych jest niezbędne, aby można było podjąć odpowiednie działania w przypadku wysokiego narażenia.

Duża liczba lotnych substancji wykrytych podczas lotu mieści się w większości w ich progowych wartościach granicznych i maksymalnych dopuszczalnych stężeniach statków kosmicznych NASA. Jeżeli narażenie kabiny statku kosmicznego na określone chemikalia jest poniżej ich TLV i SMAC, oczekuje się, że ryzyko dla zdrowia w następstwie narażenia przez drogi oddechowe ulegnie zmniejszeniu.

Maksymalne dopuszczalne stężenia statku kosmicznego

SMAC kierują narażeniami chemicznymi podczas normalnych i awaryjnych operacji na pokładzie statku kosmicznego. Krótkoterminowe SMAC odnoszą się do stężeń substancji unoszących się w powietrzu, takich jak gaz i opary, które nie zagrażają wykonywaniu określonych zadań przez astronautów w warunkach awaryjnych ani nie powodują poważnych skutków toksycznych. Długoterminowe SMAC mają na celu zapobieganie niekorzystnym skutkom zdrowotnym i zapobieganie wszelkim zauważalnym zmianom w wydajności załogi przy ciągłym narażeniu na działanie chemikaliów nawet przez 180 dni.

Dane dotyczące higieny kosmicznej potrzebne do opracowania SMAC obejmują:

  • charakterystyka chemiczno-fizyczna toksycznej substancji chemicznej
  • badania toksyczności na zwierzętach
  • badania kliniczne na ludziach
  • przypadkowe narażenia ludzi
  • Badania epidemiologiczne
  • badania toksyczności in vitro

Zagrożenia pyłem księżycowym Lu

Pył księżycowy lub regolit to warstwa cząstek na powierzchni Księżyca i wynosi około <100 µm. Kształty ziaren mają tendencję do wydłużania się. Narażenie inhalacyjne na ten pył może powodować trudności w oddychaniu, ponieważ pył jest toksyczny. Może również zachmurzyć wizjery astronautów podczas pracy na powierzchni Księżyca. Ponadto przylega do skafandrów zarówno mechanicznie (ze względu na kolczaste kształty), jak i elektrostatycznie . Podczas Apollo stwierdzono, że kurz powoduje zużycie tkaniny skafandra kosmicznego.

Podczas eksploracji Księżyca konieczna będzie ocena ryzyka ekspozycji na pył księżycowy, a tym samym wszczęcie odpowiedniej kontroli ekspozycji. Wymagane pomiary mogą obejmować pomiary stężenia pyłu egzosferycznego, powierzchniowych pól elektrycznych, masy pyłu, prędkości, ładunku i charakterystyki jego plazmy .

Osadzanie wdychanych cząstek

Zakres odpowiedzi zapalnej w płucach będzie zależał od tego, gdzie osadzają się cząstki pyłu księżycowego. W depozycji 1G bardziej centralne drogi oddechowe zmniejszą transport drobnych cząstek do obwodu płuc. Na Księżycu z ułamkową grawitacją wdychane drobne cząstki osadzają się w bardziej peryferyjnych obszarach płuc. W związku z tym, ze względu na zmniejszoną szybkość sedymentacji w grawitacji księżycowej, drobne cząstki pyłu osadzają się w obszarze pęcherzykowym płuc. Zwiększy to ryzyko uszkodzenia płuc.

Kontrolowanie narażenia na pył

Stosowanie dużych gradientem separacji magnetycznej technik powinien być opracowany w celu usunięcia kurzu z kosmicznych następujących badań jako frakcja drobnych pyłów księżyca jest magnetyczna. Ponadto odkurzacza można używać do usuwania kurzu ze skafandrów kosmicznych.

Spektrometria mas została wykorzystana do monitorowania jakości powietrza w kabinie statku kosmicznego. Uzyskane wyniki można następnie wykorzystać do oceny ryzyka podczas lotu kosmicznego, na przykład poprzez porównanie stężeń lotnych związków organicznych z ich SMAC. Jeśli poziomy są zbyt wysokie, wymagane będą odpowiednie działania zaradcze w celu zmniejszenia stężeń i zagrożenia dla zdrowia.

Zagrożenia mikrobiologiczne

Podczas lotu kosmicznego nastąpi transfer drobnoustrojów między członkami załogi. Załoga Skylab 1 doświadczyła kilku chorób bakteryjnych . Stwierdzono, że skażenie mikrobiologiczne w Skylab jest bardzo wysokie. Staphylococcus aureus i Aspergillus spp były powszechnie izolowane z powietrza i powierzchni podczas kilku misji kosmicznych. Mikroby nie sedymentują w warunkach mikrograwitacji, co skutkuje utrzymywaniem się aerozoli w powietrzu i wysokim zagęszczeniem mikrobiologicznym w powietrzu w kabinie, zwłaszcza jeśli systemy filtrowania powietrza w kabinie nie są dobrze utrzymane. Podczas jednej misji stwierdzono wzrost liczebności i rozprzestrzeniania się grzybów i paciorkowców chorobotwórczych .

Urządzenia do pobierania moczu gromadzą bakterię Proteus mirabilis , która jest związana z infekcją dróg moczowych . Z tego powodu astronauci mogą być podatni na infekcje dróg moczowych . Przykładem jest misja Apollo 13, podczas której pilot modułu księżycowego doświadczył ostrej infekcji dróg moczowych, która wymagała dwutygodniowej antybiotykoterapii .

Biofilm, który może zawierać mieszankę bakterii i grzybów, może uszkodzić sprzęt elektroniczny poprzez utlenianie różnych elementów, np . kabli miedzianych . Takie organizmy rozwijają się, ponieważ żyją na materii organicznej uwolnionej ze skóry astronauty. Kwasy organiczne wytwarzane przez drobnoustroje , w szczególności grzyby, mogą powodować korozję stali, szkła i plastiku. Ponadto, ze względu na wzrost narażenia na promieniowanie na statku kosmicznym, prawdopodobnie będzie więcej mutacji drobnoustrojów .

Ze względu na potencjał drobnoustrojów do wywoływania infekcji u astronautów i do degradacji różnych elementów, które mogą być kluczowe dla funkcjonowania statku kosmicznego, należy ocenić ryzyko i, w stosownych przypadkach, zarządzać poziomem rozwoju drobnoustrojów kontrolowanym przez stosowanie dobrej higieny astronautycznej. Na przykład poprzez częste pobieranie próbek powietrza i powierzchni w kabinie kosmicznej w celu wykrycia wczesnych oznak wzrostu skażenia mikrobiologicznego, utrzymywanie powierzchni w czystości poprzez stosowanie zdezynfekowanych ubrań, zapewnienie, że cały sprzęt jest dobrze utrzymany, w szczególności systemy podtrzymywania życia oraz regularne odkurzanie statku kosmicznego w celu usunięcia kurzu itp. Jest prawdopodobne, że podczas pierwszych misji załogowych na Marsa ryzyko skażenia mikrobiologicznego może być niedoszacowane, jeśli nie zostaną zastosowane zasady dobrej praktyki higieny astronautycznej. Potrzebne są zatem dalsze badania w tej dziedzinie, aby można było ocenić ryzyko narażenia i opracować niezbędne środki ograniczające wzrost drobnoustrojów.

Mikroby i mikrograwitacja w kosmosie

Istnieje ponad sto szczepów bakterii i grzybów, które zostały zidentyfikowane podczas załogowych misji kosmicznych. Te mikroorganizmy przeżywają i rozmnażają się w kosmosie. Dokłada się wielu starań, aby zapewnić znaczne zmniejszenie ryzyka związanego z narażeniem na drobnoustroje. Statki kosmiczne są sterylizowane w ramach dobrej praktyki kontrolnej poprzez płukanie środkami przeciwdrobnoustrojowymi, takimi jak tlenek etylenu i chlorek metylu , a astronauci są poddawani kwarantannie na kilka dni przed misją. Jednak środki te tylko zmniejszają populacje drobnoustrojów, a nie je eliminują. Mikrograwitacja może zwiększać zjadliwość określonych drobnoustrojów. Dlatego ważne jest, aby zbadać mechanizmy odpowiedzialne za ten problem i wdrożyć odpowiednie kontrole, aby zapewnić, że astronauci, w szczególności ci, którzy mają obniżoną odporność , nie zostaną dotknięci.

Zagrożenia anatomiczne związane ze środowiskiem

Prace Caina (2007) i innych dostrzegły potrzebę zrozumienia zagrożeń i ryzyka pracy w środowisku o niskiej grawitacji. Ogólny wpływ na ciało lotu kosmicznego lub zmniejszenie grawitacji, które mogą wystąpić na Księżycu lub podczas eksploracji Marsa, obejmuje zmienione czynniki fizyczne, takie jak zmniejszona waga, ciśnienie płynu, konwekcja i sedymentacja. Zmiany te wpłyną na płyny ustrojowe , receptory grawitacyjne i struktury nośne. Ciało przystosuje się do tych zmian w czasie spędzonym w kosmosie. Pojawią się również zmiany psychospołeczne spowodowane podróżowaniem w ograniczonej przestrzeni statku kosmicznego. Higiena astronautyczna (i medycyna kosmiczna) musi zająć się tymi kwestiami, w szczególności prawdopodobnymi zmianami w zachowaniu załogi, w przeciwnym razie środki opracowane w celu kontroli potencjalnych zagrożeń i ryzyka dla zdrowia nie zostaną utrzymane. Na przykład jakikolwiek spadek komunikacji, wydajności i rozwiązywania problemów może mieć katastrofalne skutki.

Podczas eksploracji kosmosu istnieje możliwość rozwoju kontaktowego zapalenia skóry, w szczególności w przypadku narażenia na czynniki uczulające skórę, takie jak akrylany . Taka choroba skóry może zagrozić misji, o ile nie zostaną podjęte odpowiednie środki w celu zidentyfikowania źródła narażenia, oceny ryzyka dla zdrowia, a tym samym określenia środków łagodzenia narażenia.

Hałas

Wentylatory , sprężarki , silniki , transformatory , pompy itp. na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS) generują hałas. Ponieważ na stacji kosmicznej potrzeba więcej sprzętu, istnieje możliwość zwiększenia hałasu. Astronauta Tom Jones wskazał, że hałas był większym problemem we wczesnych dniach stacji kosmicznej, kiedy astronauci nosili ochronniki słuchu. Obecnie ochrona słuchu nie jest wymagana, a komory sypialne są dźwiękoszczelne.

Rosyjski program kosmiczny nigdy nie nadawał wysokiego priorytetu poziomowi hałasu doświadczanego przez jego kosmonautów (np. na Mirze poziom hałasu sięgał 70–72 dB). Mniej niż 75 decybeli prawdopodobnie nie spowoduje utraty słuchu. Zobacz Ubytek słuchu spowodowany hałasem, aby uzyskać więcej informacji. Może to spowodować, że alarmy ostrzegawcze nie będą słyszalne na tle szumu tła. Aby zmniejszyć ryzyko hałasu, inżynierowie NASA zbudowali sprzęt z wbudowaną redukcją hałasu. Bezciśnieniowa pompa wytwarzająca 100 dB może obniżyć poziom hałasu do 60 dB poprzez zamontowanie czterech wsporników izolacyjnych. Nie zaleca się używania ochronników słuchu, ponieważ blokują one sygnały alarmowe. Konieczne są dalsze badania w tej dziedzinie, a także w innych obszarach higieny astronautycznej, np. środki mające na celu zmniejszenie ryzyka narażenia na promieniowanie, metody tworzenia sztucznej grawitacji, bardziej czułe czujniki do monitorowania substancji niebezpiecznych, ulepszone systemy podtrzymywania życia i więcej danych toksykologicznych dotyczących Zagrożenia związane z pyłem marsjańskim i księżycowym.

Zagrożenia radiacyjne

Promieniowanie kosmiczne składa się z cząstek o wysokiej energii, takich jak protony , cząstki alfa i cięższe, pochodzących z takich źródeł, jak galaktyczne promieniowanie kosmiczne , energetyczne cząstki słoneczne z rozbłysków słonecznych oraz uwięzione pasy promieniowania . Narażenie załogi stacji kosmicznej będzie znacznie wyższe niż na Ziemi, a nieosłonięci astronauci mogą doświadczyć poważnych skutków zdrowotnych, jeśli nie będą chronieni. Galaktyczne promieniowanie kosmiczne jest niezwykle przenikliwe i może nie być możliwe zbudowanie osłon o wystarczającej głębokości, aby zapobiec lub kontrolować ekspozycję.

Uwięzione promieniowanie

Pole magnetyczne Ziemi jest odpowiedzialne za tworzenie uwięzionych pasów promieniowania, które otaczają Ziemię. ISS krąży w odległości od 200 mil morskich (370 km) do 270 mil morskich (500 km), znanej jako Low Earth Orbit (LEO). Dawki promieniowania uwięzionego w LEO zmniejszają się podczas maksimum słonecznego i zwiększają się podczas minimum słonecznego . Najwyższe ekspozycje występują w regionie anomalii południowoatlantyckiej.

Galaktyczne promieniowanie kosmiczne

Promieniowanie to pochodzi z zewnątrz układu słonecznego i składa się z naładowanych naładowanych jąder atomowych z wodoru , helu i uranu . Galaktyczne promieniowanie kosmiczne ze względu na swoją energię jest bardzo przenikliwe. Cienkie do umiarkowanego ekranowanie skutecznie zmniejsza przewidywaną dawkę równoważną, ale wraz ze wzrostem grubości osłony skuteczność osłony spada.

Zdarzenia cząstek słonecznych

Są to wstrzykiwanie energetycznych elektronów , protonów , cząstek alfa w przestrzeń międzyplanetarną podczas erupcji rozbłysków słonecznych. W okresach maksymalnej aktywności słonecznej wzrośnie częstotliwość i intensywność rozbłysków słonecznych. W słoneczne wydarzenia protonowe ogół występują tylko raz lub dwa razy w cyklu słonecznego.

Intensywność i zakłócenia spektralne SPE mają znaczący wpływ na skuteczność osłony. Rozbłyski słoneczne pojawiają się bez większego ostrzeżenia, więc są trudne do przewidzenia. SPE będą stanowić największe zagrożenie dla niezabezpieczonych załóg na orbitach polarnych, geostacjonarnych lub międzyplanetarnych . Na szczęście większość SPE jest krótkotrwała (mniej niż 1 do 2 dni), co pozwala na stworzenie niewielkich „schronień burzowych”.

Inne

Zagrożenie promieniowaniem może również pochodzić ze źródeł stworzonych przez człowieka, na przykład badań medycznych, radioizotopowych generatorów mocy lub małych eksperymentów na Ziemi. Misje księżycowe i marsjańskie mogą obejmować reaktory jądrowe do zasilania lub powiązane jądrowe systemy napędowe . Higienistyczni kosmonauci będą musieli ocenić ryzyko związane z tymi innymi źródłami promieniowania i podjąć odpowiednie działania w celu złagodzenia narażenia.

Testy laboratoryjne opublikowane w Journal of Plasma Physics and Controlled Fusion wskazują, że można opracować magnetyczny „parasol” do odchylania szkodliwego promieniowania kosmicznego z dala od statku kosmicznego. Taki „parasol” chroniłby astronautów przed superszybkimi naładowanymi cząsteczkami, które wypływają ze Słońca. Zapewniłoby pole ochronne wokół statku kosmicznego podobne do magnetosfery otaczającej Ziemię. Ta forma kontroli przed promieniowaniem słonecznym będzie konieczna, jeśli człowiek ma badać planety i zmniejszać zagrożenia dla zdrowia wynikające z narażenia na śmiertelne skutki promieniowania. Konieczne są dalsze badania, aby opracować i przetestować praktyczny system.

Zobacz też

Bibliografia

Źródła

  • Loty kosmiczne Brytyjskiego Towarzystwa Międzyplanetarnego (BIS) – listy i e-maile (wrzesień 2006, s. 353)
  • BIS Spaceflight – Listy i e-maile (grudzień 2007, s. 477)

Linki zewnętrzne