Mire kell az ûrhajósoknak a szkafander? Miért van szükség erre a nehézkes öltözékre, sokszor még az ûrhajóban is, ahol megteremtették az élethez
és a munkához szükséges feltételeket? A válasz megadásához előbb föl kell elevenítenünk néhány fizikai alapismeretet.A légnyomás a Föld felszínétől mért magassággal arányosan csökken. A tenger szintjén megállapodás szerint a légköri nyomást éppen 1 atmoszférának vesszük. A levegő ekkor egy üvegcsőben 760 milliméter magasságra képes feltolni egy higanyoszlopot. Ez a nyomás 12 kilométer magasságban már az ötödére, 50 kilométer magasban pedig az ezredrészére csökken. Az ûrhajók szokásos keringési magasságában a légköri nyomás mindössze egymilliárdod része a földfelszínen mérhetőnek.
Nem a levegő ritkul, hanem a légnyomás csökken
Az ember nyugalmi állapotban mintegy 450 liter levegőt fogyaszt óránként. A levegő 21 százalék oxigént tartalmaz, és ez az arány gyakorlatilag minden magasságban állandó, így az oxigénre a légköri nyomás egyötöde jut, ami a Föld felszínén 160 higanymillimétert (Hgmm) jelent. Ezt nevezik az oxigén részleges nyomásának, s szervezetünk a törzsfejlődés évmilliói során pontosan ilyen nyomású oxigénhez szokott hozzá. A magasság növekedésével azonban csökken a nyomás, és ezzel együtt az oxigén részleges nyomása is. Bekövetkezik az oxigénhiány! Hogy megkapjuk a szükséges mennyiségû oxigént, gyakrabban és mélyebben lélegzünk. Ha pedig az oxigén még így is kevés, ez eszméletvesztéshez vezet s néhány perc alatt beáll a fulladás.
Az oxigénhiány mellett vannak más tényezők is, amelyek nehezítik, vagy éppen lehetetlenné teszik, hogy nyomáscsökkenés esetén életben maradjunk. Ha például a légköri – azaz a külső – nyomás olyan szintre csökken, ami 7–8 kilométeres magasságnak felel meg, a szövetekben addig oldott állapotban levő nitrogén kiválik, és a keletkező gázbuborékok megakadályozhatják legfontosabb szerveink vérellátását, nem is beszélve a fájdalomról, amit a buborékok az idegvégződésekre gyakorolt mechanikai nyomással okoznak. Sőt nagy magasságokban valósággal felforr a szervezet. A szövetekben található víz például 47 Hgmm nyomáson, ami 19,2 kilométeres magasságnak felel meg) forrásnak indul normál testhőmérsékleten.
A légszomj megakadályozására a belélegzett levegőhöz annyi oxigént adagolnak, hogy a részleges nyomás elérje az ember számára szükséges 160 Hgmm-t. 12 kilométer magasságban azonban – ahol a légnyomás mindössze egyötöd atmoszféra (145 Hgmm) – már tiszta oxigénnel sem lehet ezt biztosítani; 16 kilométer magasban pedig a tiszta oxigént belélegző ember is 15 másodperc alatt elveszíti eszméletét.
Az ember körül tehát az adott magasság légköri nyomásánál nagyobb nyomású közeget kell teremteni. Ez a szkafander egyik legfőbb feladata. Hermetikusan elzárja az embert környezetétől, belsejében pedig olyan mesterséges légkör uralkodik, amely az ember számára éppen a megfelelő nyomást és gázösszetételt biztosítja. A szkafander belsejében uralkodó nyomásnak azonban nem szabad túl nagynak lennie, mert a felfújt ûrruha olyan merevvé válhat, mint a gépkocsi gumiabroncsa, és mozdulni is alig lehet benne.
Számos bonyolult tudományos és technikai problémát kellett megoldani, amíg elkészültek napjaink ûrruhái, és a nyílt világûrben való munkához hordott szkafanderek. Például megfelelő mikroklímát kellett teremteni a szkafanderben, de meg kellett óvni az ûrhajóst a világûr vákuumától és a forró napsugaraktól is. Az emberi test által leadott hő elvezetése a világûr körülményei között nem is olyan köny-nyû. Végül biztosítani kell az ûrhajósok szabad mozgását és munkavégző képességét, amit a túlnyomásos szkafander merevsége erősen korlátoz. Az sem elhanyagolható szempont, hogy könnyen lehessen felölteni és hordani a szkafandert, sőt át lehessen állítani különböző magasságú ûrhajósok méretére, szükség esetén meg lehessen javítani, vagy egyes elemeit ki lehessen cserélni.
Egyik oldalon gyilkos hő, a másikon dermesztő hideg
A szkafander belsejében az úgynevezett autonóm létfenntartási rendszer gondoskodik a megfelelő nyomásról, gázösszetételről, az anyagcseretermékek eltávolításáról, valamint a szükséges nedvesség és hőmérséklet fenntartásáról.
Különösen nehéz feladat a hőegyensúly fenntartása. A szkafander olyan, mint a termosz: megőrzi a meleget, mert az ûrhajós teste és a világûr között nem megy végbe hőcsere. A világûrben nincs levegő, nincs tehát jelen az a közeg, amely a Földön elvezeti testünkből a fölösleges hőt! A súlytalanság állapotában a szkafander mesterséges atmoszférája is mozdulatlan, nincs légáramlás az ûrruha belsejében, mert a felmelegedett levegő nem száll föl, hiába lesz kisebb a fajsúlya. Az egyetlen megoldás tehát a hőkisugárzás.
Itt viszont figyelembe kell venni, hogy az ûrhajón kívül tartózkodó ûrhajós hol napsütéses zónában dolgozik (ahol szkafandere minden négyzetméterére óránként körülbelül 1200 kilokalória hőmennyiség jut), hol pedig árnyékban, ahol a világûr dermesztő hidegének van kitéve. Ezért a szkafandert érő, illetve a szkafanderből távozó hőáramlatok rendkívül erősek és ingadozók lehetnek. Hogy az említett jelenségeket megakadályozzák, többrétegû, különleges hőszigetelő anyaggal vonják be a szkafander alapszövetét.
De a szkafander készítésére alkalmas anyagoknak a túlzott lehûlés ellen is védeniük kell. Tetézi még a problémákat, hogy a szkafander lágy részeit rugalmas anyagokból kell kialakítani, ezek viszont nehezebben tûrik a hirtelen hőmérséklet-változásokat. A szkafander belsejében állandó szellőztetéssel tartható fenn legegyszerûbben a szükséges gázösszetétel. Az elhasznált – és a környezetbe kiengedett – gáz helyett folyamatosan friss gázkeveréket kell befújni.
Ezt a nyílt típusú rendszert – amely egyben a legegyszerûbb módon teszi lehetővé az emberi test által termelt hő, nedvesség, szén-dioxid és káros melléktermékek eltávolítását – általában a nagy magasságú repüléseknél alkalmazzák. Ebben az esetben ugyanis fel lehet használni a szellőztetéshez a környezetből vett, oxigénnel dúsított levegőt. Az ûrhajós-szkafander esetében azonban ez a megoldás túlságosan drága lenne, hiszen a világûrben nincs levegő, tehát a szellőztetéshez szükséges gázkeveréket is a Földről kellene felvinni az ûrhajóban.
Ennek ellenére nyílt rendszerû szkafanderben tette meg első ûrsétáját Alekszej Leonov, és az amerikai Gemini-programban is hasonló öltözéket viseltek az ûrhajósok. De ezekben az esetekben csak kis időt töltöttek az ûrhajón kívül, így megengedhetők voltak a többletköltségek.
Napjaink ûrhajósszkafanderei úgynevezett regenerációs rendszerûek: zárt rendszerben kering bennük a gáz, s a létfenntartó berendezések nem az egész gázkeveréket frissítik fel, hanem csak egyes összetevőit, amelyek az emberi anyagcsere folyamán elhasználódnak vagy megváltoznak. Felfrissítés után így ismét belélegezhető lesz az oxigénnel dúsított gázkeverék.
A szkafander mikroklímája különleges gondot okozott a tervezőknek. Már viszonylag kis hőtöbblet (óránként 150 kilokalória) esetén is egy óra alatt 2 Celsius-fokkal emelkedik egy 70 kg súlyú ember hőmérséklete, ezt pedig a munkaképesség elvesztése követi. A test melegét kétféleképpen lehet elvezetni a létfenntartó rendszer hûtőberendezéséhez. Kézenfekvőnek tûnik a belső léghûtés, csak az a baj, hogy az emberi test erőteljes verejtékkiválasztással adja le fölösleges hőjét, ez pedig kellemetlenséget okoz. Ráadásul ahhoz, hogy a megerőltető munkát végző ûrhajós testéből elvezessék a hőfelesleget, percenként 700-1000 liter gázt kellene keresztüláramoltatni a szkafanderen. Technikailag az a probléma, hogy ehhez több száz watt teljesítményû ventilátorra lenne szükség, amely igen sok áramot fogyasztana, de az sem közömbös, hogy a szkafanderben valóságos orkán tombolna szüntelenül.
Marad tehát a vízhûtés, mint az egyetlen lehetséges módja annak, hogy erőteljes munkavégzéskor is fenntartsák a szkafanderben a megfelelő hőmérsékleti viszonyokat. Ahhoz, hogy óránként 300-500 kilokalória hőt vezessenek el, általában percenként 1,5-2 liter vízre és körülbelül 100 méter hosszúságú csőhálózatra van szükség. A víz megfelelő áramlásának biztosításához viszont néhány watt teljesítményû motor is tökéletesen elegendő.
Mesterséges izületek, csuklók és mellszekrények
A szkafander sajátos módon korlátozza a mozdulatokat. Lágy külső burkolata a belső túlnyomás hatására mindig arra törekszik, hogy hengerformát – de legalábbis forgástest alakot – öltsön, és kiegyenesedjen. Ha be akarjuk hajlítani valamelyik részét – mondjuk az ujját vagy a nadrág szárát – ez nem is megy olyan könnyen. Minél nagyobb a szkafander belsejében uralkodó nyomás, annál nehezebb ez az egyszerû mûvelet. A test mozgásképességének megőrzése érdekében a legfontosabb csuklópontoknál – a váll, a könyök, a térd izületeinél, a kéz ujjainál stb. – légmentesen záró forgatható csatlakozást alkalmaznak. Ezeknek a forgó csuklóknak a szerkezete többféle lehet, a mozgás jellegétől függően. Több ízületnél csapágyakat is alkalmaznak (például a váll- és a csuklóízületnél).
Az ûrhajósszkafanderek három nagy csoportra oszthatók:
1) mentő szkafanderek, amelyek a kabin sérülésekor vagy abban az esetben védik az ûrhajóst, ha a kabinban levő gáz tulajdonságai jelentősen eltérnek a normálistól;
2) olyan szkafanderek, amelyek a nyílt világûrben,
az ûrhajó felületén vagy
az ûrhajó közelében végzett munka során viselhetők;
3) égitestek felszínén végzett munkához tervezett szkafanderek.
A Vosztok ûrhajókon használt első ûrszkafandereket még egyértelmûen mentő típusúra tervezték. Alkalmasak voltak arra, hogy megóvják az ûrhajóst, ha megsérül a kabin és megszökik a levegő, ha a fellövés utolsó szakaszában hirtelen katapultálnia kell, valamint akkor, ha a katapultálás után az ûrhajós a tengerbe zuhan. Ezzel magyarázható egyébként, hogy az első ûrszkafanderek meglehetősen bonyolult és ormótlan öltözékek voltak.
Néhány napnál nem hosz-szabb ûrutazások idején az ûrhajósok állandóan viselték a szkafandert, ami számos újabb követelményt támasztott az öltözékkel szemben. Úgy kellett megtervezni, hogy a tetőtől talpig beöltözött kozmonauta kezelni tudja az ûrhajó valamennyi mûszerét, tudjon enni, inni és használhassa az anyagcseretermékek eltávolítására szolgáló berendezést. Később – különösen a Szojuz ûrhajók repülései során – az ûrhajósok már csak akkor vették fel
a szkafandert, ha veszélyes mûveletre került sor; például, amikor az ûrhajó Föld körüli pályára állt, amikor dokkolt, vagy a földre szállás megkezdésekor, és természetesen akkor, ha az ûrhajósok kiléptek a világûrbe.
A mentőszkafandernek az a rendeltetése, hogy kényelmesen lehessen vele dolgozni a hermetikusan zárt kabinban, tehát csak veszélyhelyzetben fúvódik fel. Abban a szkafanderben viszont, amelyet az ûrhajós a nyílt világûrben használ, jelentős túlnyomás uralkodik.
A Szojuz típusú ûrhajókból és a Szaljut ûrállomásból álló ûrkomplexumok számára két különböző típusú szkafandert dolgoztak ki. Mentőszkafanderként egy nagyon könnyû, puha öltözéket használnak, amelyet testreszabottan készítenek el minden egyes ûrhajós számára. Ez tulajdonképpen lágy anyagból készített, sisakkal összekapcsolt, hermetikusan zárt kezeslábas, amelynek az arcot takaró sisakrésze hátrahajtható. A szkafander súlya egyébként nem haladja meg a 8-10 kilogrammot, minthogy külső rétege nagy szakítószilárdságú szintetikus szövetből készült.
A mentőszkafander belső szellőztetéséhez az ûrhajó fedélzeti rendszerében megtisztított levegőt használják. Ha az ûrhajó kabinjának légszigetelése megsérül, akkor az ûrhajó fedélzeti rendszerével oldható meg a szkafanderen belüli megfelelő nyomás létrehozása, az oxigén befújása, valamint a szén-dioxid, a nedvesség és a hő eltávolítása.A Szaljut–6 állomásokon a világûrbe való kilépéshez alapvetően új típusú ûröltözéket használtak. Ez az úgynevezett félmerev szkafander, amelynek egyik legjellegzetesebb, más ûröltözékektől lényegesen eltérő része egy merev, fémből készült mellvért. A mellvért egységes összefüggő rendszert alkot a sisakkal és a hátoldalán elhelyezett létfenntartási rendszer tartályával. Ezt az ûrruhát nem húzza magára az ûrhajós, hanem belebújik, méghozzá a mellvért hátára szerelt szekrényen át.
A mûködőképes félmerev szkafander súlya kisebb, mint a felfújt puha szkafanderé, és a Szaljut–6 váltakozó legénysége mindig az ûrállomáson hagyja használat után. Az ûrhajósok mozgásának megkönnyítésére csapágyakkal és forgó csuklókkal látták el az ûrruha ízületi részeit. A karokat és a lábakat borító puha nyúlványokat hevederek segítségével minden egyes ûrhajós a saját méretére beszabályozhatja. Az ûrruhához tartozó kesztyûk levehetők.
A szkafander zárt regenerációs létfenntartási rendszerében több egység található. Ilyen például az oxigénbefuvó,
a szellőztető és a szkafanderben levő gáz összetételét, a hőmérsékletet szabályozó egység, valamint az elektromos berendezések egysége és a kapcsolatteremtő rádiókészülék.
A szkafanderen belül vízhûtést alkalmaznak. Amikor az ûrhajós először egy hálószerû anyagból készült kezeslábast ölt magára, voltaképpen egy frizsidert vesz fel, mert a kezeslábasban futó kis csövekben kering a hőkicserélő rendszer hûtővize.Ma már megállapítható, hogy az új típusú szkafanderek létrehozása és sikeres kipróbálása a Szaljut–6 ûrállomás fedélzetén jelentős lépés volt a szkafanderek tervezésében. §
- Mars-szkafander 2007
Biztonság és kényelem. Ennek a két kritériumnak kell megfelelnie a jövőben a Marson használt ûrruháknak. George Bush elnök új, a Mars meghódítását is felvázoló ûrprogramja új ûrruhák tervezésére ösztönzi a kutatókat. Új kihívást jelent a Mars. Annak felszíni gravitációja a Holdon mérhetőnek több mint kétszerese, tehát az Apollo-missziók szkafandere igen megnehezítené a felszíni tevékenységet. A Massachusettsi Technológiai Intézetben Dava Newman és néhány kutatótársa olyan ûrruhával kísérleteznek, ami a rendkívül vékony marsi légkör nyomását egy igen szûk ruhával próbálja kiegyenlíteni a szükséges egy atmoszférára.A marsi ûröltözet, hasonlóan az eddigi szkafanderekhez, több rétegből állna. Minden külső réteg nyomást gyakorol a belsőre, s így próbálják elérni a megfelelő végső nyomást.Egy, még további fejlesztésre váró spray hivatott az ûrruha legkülső rétegének létrehozására. Mielőtt az ûrhajós kilép az ûrhajó leszállóegységéből, be kell permeteznie ruháját a spray segítségével. Az új réteg akadályozná meg az ûrruha munka közbeni károsodását.
Egyelőre több dolog kérdéses. Eddig nem sikerült megoldani, hogy a ruha nyomása a test minden pontján teljesen azonos legyen. Kérdéses továbbá a mozgás könnyedsége. Egyrészt a kis gravitáció miatt talán érdemes volna nagyobb tömegû ûrruhát gyártani.Másrészt egy testhez feszülő ûrdresszben vajon, hogy tudnának dolgozni az ûrhajósok, hogy lehetne benne kényelmesen lehajolni, és ezt a ruha hogy bírná?
