Domaines Scientifiques d’ASGARDIA : Gravité Artificielle
Ver 18, 0008 – Jan 18, 2024
Texte de Natalya Burtseva
Centrifugeuse à bras court comme moyen de créer de la gravité dans un environnement de gravité zéro
Le chef de la Nation Spatiale, le Dr Igor Ashurbeyli, a déclaré que la mission scientifique principale d’Asgardia est d’avoir le premier enfant humain né dans l’espace pour assurer la perpétuation éternelle de l’espèce humaine dans l’univers. Pour cela, il est nécessaire de créer des technologies de gravité artificielle et de protection contre les radiations spatiales. Nous discuterons des inventions actuellement disponibles dans ce domaine dans le monde scientifique. Aujourd’hui, nous parlerons de la centrifugeuse à bras court, un développement du partenaire stratégique d’Asgardia, l’Institut des Problèmes Biomédicaux de l’Académie des Sciences de Russie.
Notre correspondante Natalya Burtseva a elle-même expérimenté l’action de la centrifugeuse.
Préparation pour le test
Dans l’un des bâtiments de l’IBMP – l’Institut des Problèmes Biomédicaux – se trouve un « manège » inhabituel : deux cabines, avec une unité de connexion au centre, où se trouve le moteur.
« La centrifugeuse à bras court a été développée avec l’aide de nos constructeurs de fusées. C’est un produit innovant qui a une marge de sécurité plutôt significative », déclare Dmitry Merekin, ingénieur en chef à l’IBMP. « L’installation est absolument sûre pour les sujets de test et offre des possibilités scientifiques illimitées pour l’utilisation. »
Tout est fait pour l’avenir – avec la perspective de créer une version embarquée de la centrifugeuse pour une utilisation dans un module séparé d’une station spatiale ou d’un vaisseau spatial interplanétaire : la conception de la centrifugeuse implique une modernisation ultérieure. Le laboratoire de l’IBMP dispose d’un modèle de banc de la centrifugeuse. Pour être installée à bord d’une station spatiale, ses dimensions doivent être considérablement réduites.
Avec une telle installation, un stimulus gravitationnel peut être recréé à bord de la station spatiale pendant une courte période. Tourner sur une centrifugeuse à bras court est une mesure préventive pour protéger le corps humain des conséquences d’un long séjour en gravité zéro. Son efficacité a déjà été prouvée par de nombreux tests au sol, y compris ceux impliquant des cosmonautes.
L’installation expérimentale permet de faire tourner deux personnes en même temps. L’ordinateur définit les paramètres de la personne testée : âge, poids, taille et distance par rapport à l’axe de rotation. Le programme calcule différentes surcharges au niveau de la tête, du cœur et des pieds.
Dmitry Merekin, faisant le tour du « manège », l’appelle rien d’autre que « le plus jeune enfant de la science ».
« Avant le test, il est nécessaire de mettre en place une caméra vidéo pour observer en continu le sujet et évaluer rapidement les changements externes sur le visage de la personne, y compris les réactions émotionnelles », dit Dmitry.
Il était à l’origine de la centrifugeuse, il s’est lui-même fait tourner dessus de nombreuses fois.
« Et comment aurais-je pu l’éviter ? Pendant que l’unité était assemblée et modernisée, tous les changements dans la conception étaient soumis à des tests obligatoires lors des essais pratiques pour voir comment il serait plus pratique, plus sûr et plus confortable pour les sujets de test. Les capacités techniques de l’installation sont grandes. »
« Dans le cadre de la recherche, il y a un suivi médical continu des changements dans les systèmes cardiovasculaire et respiratoire du sujet testé », explique Milena Koloteva, chercheuse principale au Laboratoire de Physiologie de l’Accélération et de la Gravité Artificielle à l’IBMP.
Des capteurs et des appareils permettent aux professionnels de la santé de surveiller l’état du sujet testé, de prendre des décisions rapides et d’interrompre la recherche en cas de détérioration du bien-être de la personne dans l’installation.
Presque un siècle de l’idée à sa mise en œuvre
L’idée de créer une gravité artificielle appartient à Konstantin Tsiolkovsky et a été proposée par lui au début du 20e siècle. Plus tard, elle a été soutenue par Sergey Korolev et Wernher von Braun. Mais ce n’est qu’au milieu du dernier siècle que la mise en œuvre technologique a commencé.
« La première centrifugeuse à bras court a été créée dans notre institut », commente Milena Koloteva. « L’installation devant vous est déjà une centrifugeuse de quatrième génération. »
Elle incarne toutes les réalisations et prend en compte tous les défauts des centrifugeuses développées dans différents pays du monde – les japonaises, allemandes, américaines.
La nouvelle unité est capable de réaliser absolument toutes les idées liées à la création de la gravité artificielle. Afin de comprendre clairement quel design devrait être à bord de l’ISS, tous les aspects liés à l’utilisation de l’installation dans l’espace doivent être entièrement travaillés sur Terre.
« Plus les cosmonautes restent en gravité zéro, plus ils perdent de ‘stimuli gravitationnels’. Dans l’espace, la pression sanguine hydrostatique, la charge pondérale sur l’appareil musculo-squelettique disparaissent, et il y a des changements dans le fonctionnement des systèmes afférents. En particulier, il n’y a pas de sensation de support. Et pour les cosmonautes, c’est un sentiment très préférable. Notre centrifugeuse les aidera à ne pas l’oublier. »
Milena Koloteva parle de l’expérience étendue du soutien médical des vols spatiaux par les experts de l’IBMP. Cette expérience montre l’impact négatif de la gravité zéro sur le corps humain : rester en gravité zéro conduit à une diminution des capacités fonctionnelles et de la performance.
Avant l’expérience, Milena note qu’il est important d’enregistrer autant de données subjectives (impressions des sujets eux-mêmes) et médicales physiologiques objectives que possible pour former la base scientifique nécessaire, qui devra résoudre une très large gamme de questions, y compris identifier les modes d’impact optimaux sur la centrifugeuse.
« L’objectif de l’expérience est, entre autres, d’obtenir autant d’impressions subjectives et d’informations physiologiques en ligne que possible de la part du sujet testé pendant chaque phase de rotation. Les modes de rotation sur l’installation devraient être pratiqués autant que possible sur Terre afin que le séjour des cosmonautes dans l’espace soit utile et confortable. »
Les centrifugeuses sont utilisées de deux manières dans le domaine de la médecine spatiale.
L’utilisation traditionnelle se fait dans la pratique de la médecine aéronautique et spatiale, et consiste principalement à étudier la tolérance des animaux et des humains aux surcharges de différentes directions et caractéristiques physiques ; à développer et tester diverses méthodes et dispositifs de protection contre les surcharges ; à déterminer la résistance des pilotes et des cosmonautes aux surcharges lors du dépistage médical et de la re-certification, de la formation des cosmonautes, etc.
Pour ces objectifs, les installations les plus adéquates sont des centrifugeuses à bras moyen (environ 7 m) disponibles à l’Institut des Problèmes Biomédicaux de l’Académie des Sciences de Russie (IBMP) et au Centre de Formation des Cosmonautes Gagarine (CTC), ou des centrifugeuses à grand bras (18 m) – une telle centrifugeuse est installée au CTC. Ces centrifugeuses répondent pleinement aux objectifs de sélection et de formation des cosmonautes.
La deuxième direction en médecine spatiale, pour laquelle les centrifugeuses peuvent être utilisées, est la question de la gravité artificielle (GA) créée en vol spatial avec l’aide d’une centrifugeuse installée à bord d’un vaisseau spatial humain.
Pour résoudre ces objectifs à long terme, une installation de test de laboratoire au sol est nécessaire, traditionnellement appelée « centrifugeuse à bras court » (SAC).
L’élaboration du problème de création à bord d’un vaisseau spatial interplanétaire d’une installation spéciale pour contrer l’effet néfaste de la gravité zéro sur le corps humain – SAC – fait partie intégrante du programme de soutien médical des longues missions humaines et vise, avec les moyens préventifs traditionnels, à maintenir, à un nouveau niveau qualitatif, la santé et la performance des cosmonautes ; à les protéger des effets néfastes de la gravité zéro et à réduire la période de réadaptation après le retour sur Terre.
Pour obtenir un effet significatif en orbite, les cosmonautes doivent s’exercer sur la SAC de manière continue, par exemple deux heures par jour. Lors des vols vers des planètes lointaines, il est même possible de dormir dans une centrifugeuse. En même temps, lors de la modernisation de l’installation et des méthodes associées, les scientifiques devront prendre en compte non seulement l’ergonomie de l’espace limité de la station spatiale, mais aussi le temps extrêmement coûteux, dans tous les sens du terme, des cosmonautes, afin que la pratique quotidienne des méthodes préventives ne prenne pas trop de ce temps précieux, mais en même temps conserve son efficacité.
Tourner sur la centrifugeuse : le corps à l’horizontale, le sang à la verticale
Le sujet testé tient un bouton spécial avec des boutons : celui au milieu doit être maintenu enfoncé tout le temps que la personne est dans la centrifugeuse – c’est un indicateur de l’état du sujet testé. Si le bouton est relâché, la centrifugeuse s’arrêtera immédiatement, car cela signalerait une perte de connaissance.
Il y a un autre bouton, un gros rouge. Il doit être pressé dès que les lumières rouges autour du périmètre s’allument.
Ainsi, la rotation commence. Gagner en vitesse : un tour, deux, trois. La centrifugeuse s’accélère. Lorsque le sang commence à se redistribuer, s’éloignant de la tête, la vision périphérique devient floue. C’est là que le test commence. Les lumières rouges s’allument et doivent être éteintes immédiatement.
Ayant pris de l’élan, la centrifugeuse atteint un plateau de 2G. En tournant, on a clairement l’impression d’être debout : la lourdeur dans les jambes est la même que lorsque l’on marche. Le cerveau réalise que le corps est horizontal, mais le sang est distribué comme si vous étiez debout.
« Un changement dans votre ressenti ? » – des questions comme celle-ci sont posées tout le temps, il est important pour les experts de connaître votre état à chaque instant du test.
Peu à peu, cela devient plus confortable. Vous pouvez tourner pendant 30 minutes sans aucun dommage.
Tous les cosmonautes en orbite rêvent de cette sensation. Dans un environnement de gravité zéro, il y a un afflux de sang des jambes vers la partie supérieure du corps, vers la tête. Cela conduit à une atrophie musculaire, et les cosmonautes perdent pratiquement la capacité de marcher lorsqu’ils reviennent sur Terre.
« L’adaptation à la gravité zéro se produit assez rapidement », dit Milena Koloteva. « Le package préventif développé par les experts de l’Institut permet de garantir un séjour et une performance à long terme – jusqu’à un an et demi – des cosmonautes dans les conditions des vols orbitaux. Cependant, malgré les actions préventives appliquées, les phénomènes de désentrainement se développent au niveau de nombreux organes et systèmes corporels et persistent pendant un mois et demi ou deux mois après le retour sur Terre, même avec l’application d’un ensemble d’activités restauratrices et thérapeutiques, et les changements du tissu osseux persistent pendant deux ou trois ans. Une réadaptation brusque à la gravité terrestre, qui se produit lors de la descente, est défavorable, d’abord pour le système cardiovasculaire. Des tours périodiques sur une centrifugeuse à bras court en gravité zéro compensent artificiellement les effets de l’environnement gravitationnel. »
Tore de rotation
Il est possible de générer une gravité artificielle de deux manières. L’une consiste à faire tourner le vaisseau autour de son axe, créant un tore de rotation, comme le montrent de nombreux films de science-fiction.
« C’est une idée merveilleuse et belle. L’équivalent de la gravité terrestre dans un vaisseau spatial pourrait être la force centrifuge, créée par la rotation uniforme de tout l’objet ou d’une partie de celui-ci. Malheureusement, personne dans le monde n’est encore prêt à assurer techniquement une rotation uniforme d’un module ou d’une partie du vaisseau spatial interplanétaire en orbite », commente Milena Koloteva. « Le moyen techniquement le plus réalisable de reproduire des stimuli gravitationnels inexistants dans des conditions de gravité zéro ultra-longue peut être la création de gravité artificielle en utilisant une centrifugeuse à bras court à bord de la station humaine. »
Se préparer pour une mission lunaire
Les scientifiques travaillent déjà sur une nouvelle modification de la centrifugeuse qui pourrait être livrée à la station orbitale afin que chaque cosmonaute puisse expérimenter la gravité tant nécessaire dans un environnement de gravité zéro.
« Nous pensons que cette centrifugeuse devrait absolument être à bord de la station spatiale et à bord du futur vaisseau spatial interplanétaire », dit Milena. « Sans elle, il sera impossible de supporter un long vol, tout comme sur une base lunaire, si, bien sûr, les cosmonautes et les astronautes prévoient de retourner sur Terre… »
Pendant ce temps, sur Terre, ils élaborent des directives et des modes de rotation possibles sur la centrifugeuse pour atteindre les effets requis. Le personnel de l’Institut et les scientifiques eux-mêmes testent l’installation et créent une base scientifique. Les participants à l’expérience d’isolement au sol Luna-2015 ont subi des recherches sur la centrifugeuse. Bien que ce soit un vol modélisé, les tests ont été effectués en entier. Pour la première fois dans l’histoire, un équipage féminin a participé aux tests de centrifugeuse.
« Si nous commençons à construire une base lunaire et à réaliser l’idée de vols interplanétaires, il est nécessaire de fournir aux cosmonautes dès maintenant un nouveau moyen préventif, avec lequel ils pourraient effectuer un vol extra-long sans pertes significatives pour le corps », dit Milena. « Les cosmonautes doivent atteindre la Lune en toute sécurité, sortir du vaisseau spatial sans assistance extérieure et commencer immédiatement la construction d’une base lunaire. Ils devront être capables de fonctionner correctement et d’exister dans cet environnement. Après un long vol vers Mars, ils doivent également atteindre la surface, y travailler, et revenir. »
Centrifugeuse en traumatologie : récupération rapide après des fractures osseuses
Basée sur les résultats positifs de la recherche sur la SAC dans l’intérêt de la cosmonautique humaine, l’idée est née d’utiliser la centrifugeuse dans la pratique médicale générale, à savoir, pour la prévention et le traitement des troubles circulatoires des membres inférieurs. Une série d’études détaillées sur la SAC de première et deuxième génération a confirmé l’efficacité et les perspectives d’utilisation des SAC pour la thérapie d’un certain nombre de maladies, en particulier, pour les patients souffrant d’un apport sanguin insuffisant aux jambes, pour augmenter le flux de sang artériel vers les membres inférieurs ischémiques et traumatisés, ainsi que pour la réhabilitation des patients.
« La centrifugeuse peut être d’une grande utilité pour les soins de santé publics. L’installation de test elle-même est assez sûre. Actuellement, le facteur physiothérapeutique appelé ‘thérapie gravitationnelle’ est un domaine prometteur. La centrifugeuse peut être utilisée pour résoudre des problèmes liés à la restauration du tissu osseux en cas de blessures traumatiques », a déclaré Milena. « La centrifugeuse peut également être utilisée pour résoudre des problèmes liés à la pathologie des membres inférieurs, tels que l’angiopathie diabétique, l’ischémie résiduelle après des embolectomies et des thrombectomies, ainsi que des lésions aux artères périphériques. Des résultats positifs ont été obtenus chez presque tous les patients en raison de l’effet de redistribution du sang de la moitié supérieure du corps vers les membres inférieurs. Des études menées à l’Université de Samara ont démontré que le séjour sur la centrifugeuse accélère significativement le processus de réhabilitation après des fractures osseuses, évite l’intervention chirurgicale et conduit à la restauration des fonctions des membres inférieurs sans complications. Ainsi, une gravité légère et agréable veille sur la santé des terriens. »
