Mi történik velünk a súlytalanságban?

Száll a buborék

Tudomány

Az űrutazás, a súlytalanság egzotikus kalandnak tűnik, de veszélyes élettani következményei vannak.

A hosszabb űrbeli tartózkodás sokféleképpen és jelentős mértékben terheli meg az emberi szervezetet. Ezek közül az egyik legérdekesebb a tömegvonzás szokásos következményeinek hiánya, amit súlytalanságnak mondunk. A tudományosan mikrogravitációnak nevezett jelenség oka persze nem az, hogy a bolygónk közelségében maradó űrhajósokra ne hatna a Föld tömegvonzása.

Ég és föld között lebeg

A Földtől mintegy 400 kilométerre – ahol a Nemzetközi Űrállomás (ISS) kering – még meglehetősen erős a gravitáció, mely más hatás híján egyre gyorsuló zuhanásra ösztönözné az űrhajósokat és lakhelyüket, a nehézkedési gyorsulás pedig nem egészen tizedével kevesebb, mint idelent. Hogyan lehetséges, hogy az űrállomás utasai mégis a súlytalanság állapotában vannak? Nos, a gravitáció hatására az űrállomás tényleg szabadon esik, ám a most érvényes fizikai modell szerint a szabadon eső testre látszólag nem hatnak külső erők, pláne a jó anyaföld ellenereje. Ehhez azért hozzá szokták tenni, hogy csak vákuumban igaz, csakhogy az űrben is minimális az anyagsűrűség. Mivel testünk, sőt az űrállomás mérete is elenyésző a Föld gravitációs mezejéhez képest, így a nehézkedési erő az űrhajós testének minden pontjára egyenletesen hat, s ettől alakul ki a súlytalanság érzete. Persze az űrállomás mérete sem teljesen elhanyagolható, így a különböző oldalaira ható gravitációs vonzerők különbségeiből fakadó ár­apályhatás (hasonló ahhoz, ami a tengerek vizét mozgatja) némi nehézkedési erőt is produkál, ezért beszélnek a tudósok teljes súlytalanság helyett mikrogravitációról. (A súlytalansággal kapcsolatos eltérő megközelítésekről lásd Newton vs. Einstein című keretes írásunkat.)

Frank De Winne belga űrhajós egy speciális futópadon, a Nemzetközi Űrállomáson, 2009. november 17.

Frank De Winne belga űrhajós egy speciális futópadon, a Nemzetközi Űrállomáson, 2009. november 17.

 

De ha az űrállomás és utasai szabadon esnek, akkor miért nem hullnak vissza a Földre? A magyarázat szerint ez a bizonyos zuhanás, melynek következményeit súlytalanságként (mikrogravitációként) élik meg, pusztán az űrállomás pályájának egyik komponense. Azt követően alakul ki, hogy a hordozórakéta óriási haladási sebessége (ez az a bizonyos első kozmikus sebesség, mintegy 7,8 km/s) Föld körüli pályára állította az űrállomást, ami azért lényeges, mert különben a körmozgás miatt fellépő centrifugális erő – más hatás híján – kirepítené az ISS-t bolygónk közelségéből, ahhoz hasonlóan, ahogy a kalapácsvető kezéből száll el a megforgatott golyó. A két erő s a két pályakomponens együttes hatására alakul ki a Föld körül keringő objektumok orbitális pályája, s miközben a Nemzetközi Űrállomás egyenletes sebességgel halad előre, az űrhajósokra mégis a szabadesésben jelentkező effektusok hatnak.

Elméletben a mikrogravitációt ki is lehet iktatni, de a gyakorlatban még nem került rá sor. Ha például forgó mozgásra ösztönözzük az űrállomást, máris fellép egy olyan tehetetlenségi erő, ami a „súlyosság” érzetét kölcsönzi, és Földtől és Naptól távol is hat. Ezen felül az űrhajó gyorsulása, lassulása is egyfajta mesterséges gravitációt kelt.

A magasban minden megnő

A közelmúltban járta be a sajtót, hogy Scott Kelly amerikai asztronauta, aki 340 napot töltött a nemzetközi űrállomáson, mielőtt március 2-án visszatért volna a Földre, nem kevesebb, mint öt centimétert nőtt. Ám a természet, amit az űrben ad, azt a Földön elveszi, és az ebül szerzett centik esetében sincs másképp: a következő hónapokban Kelly gerince lassan felveszi eredeti méretét, és az űrhajós újra visszanyeri eredeti testmagasságát. E változás oka is a mikrogravitáció, szervezetünk ugyanis a normál nehézkedés hiányára különböző változásokkal reagál. A gerincnek például az a dolga, hogy délcegen tartsa testünket a rá ható erős nehézkedési erő dacára. Erre az űrben lebegve nincs szükség, a korábban megfeszülő gerinc ellazul, eközben nyúlik is pár centit. Ám ez csupán egy a súlytalanság körülményei között jelentkező kulcsfontosságú és többnyire nem túl előnyös élettani változások közül. Természetesen ezek határt szabnak annak is, hogy mennyi időt tölthet az űrhajós a súlytalanságban. Igaz, hogy a szovjet/orosz kozmonauták az űrben tartózkodás egyéves rekordját is rég megdöntötték, de az űrhajósok saját érdekükben jobban teszik, ha ennél jóval előbb visszatérnek.

Ha arra vagyunk kíváncsiak, mi változik meg az űrben az emberi szervezet működésében, akkor röviden azt kell válaszolnunk, hogy szinte minden. Mindenekelőtt a folyadékháztartás borul fel, ugyanis a gravitációs hatásra az alsóbb testtájakon koncentrálódó testfolyadékok szépen elindulnak a fej felé. Ezt érzékeli az agy, és fokozott kiválasztással reagál, ami kalciumvesztéshez, és már önmagában is a csontok elgyengüléséhez vezet. Kiszáradás jelentkezhet, csökken a vér mennyisége, ami átalakítja a keringési rendszert, illetve a kálium-nátrium egyensúly is megbomlik. Ráadásul a csontok – mivel kevéssé van rájuk szükség – lassan oldódni kezdenek: havonta a teljes csonttömeg 1-2 százaléka is eltűnhet, ami az oszteoporózishoz hasonló csontritkulásos tüneteket okoz. A veszteségek mérsékléséhez megfelelő étkezés, vitaminbevitel és rendszeres gyakorlatok szükségesek: leginkább a rövid, intenzív edzéseket javasolják. A veszteség természetesen ott a legnagyobb, ahol a csontok súlyt hordoztak (kéz, láb, gerinc), a koponyacsont vagy az ujjak például kevésbé károsodnak. Az már csak járulékos tünet, hogy a csontokból kioldódó kalcium hiperkalcémiát okoz, az abnormálisan magas kalciumszint pedig vesekőképződéshez vezethet.

De nem tesz jót az űrben tartózkodás a szív- és keringési rendszernek sem. A szívizmok teljesítménye például csökken, mivel a mikrogravitációs körülmények között kisebb erőfeszítéssel is tudják a vért keringetni. Ugyanakkor a bal szívkamra mérete megnő a kipumpált vér mennyiségével együtt, mivel így reagál a szív a megnövekedett folyadékmennyiségre. Noha a szív működése a visszatérés után általában normalizálódik, az űrhajósok egy ideig még hajlamosak elájulni, mivel a fekvésből vagy ülésből felkelve gyakran lezuhan a vérnyomásuk. Jellemző, hogy a vörösvértestek mennyisége is csökken, csupán azt nem sikerült még kideríteni, hogy ez kapcsolatban van-e a lép esetleges, eddig nem bizonyított mikrogravitációs alulműködésével. Mivel kevesebb az izomrostok feladata, így az izmok is sorvadnak a súlytalanságban, és ezt csak némiképp ellensúlyozza az edzés, ami az űrhajósok beszámolója szerint valóságos kínszenvedés. Nem csak a gyakorlatok elvégzése nehézkes, a hatásuk is kellemetlen: az izzadság nem folyik el, hanem összegyűlik ott, ahol keletkezett, olykor mély tócsákat képezve. Sajnos mindez a fantáziát oly gyakran megmozgató űrszexnek is akadálya – különösen az egyéb fiziológiai változásokkal együtt. Az izmok alulműködésének és a folyadékháztartás felborulásának következménye az is, hogy az asztronauták arca felpuffad, tekintetük kifejezéstelenné válik („holdvilágképűek” lesznek), érzelmeknek nyomát sem látni, beszédük pedig határozottan orrhangúvá válik. (Az űrben folytatott egyéb kísérletekről lásd Van, aki szereti című keretes írásunkat.)

Keserű pohár

Az űrben az orvosi kezelés és beavatkozás is megváltozik: gondoljunk csak bele, mennyivel nehezebb ott operálni, ahol a szervek gyakorlatilag lebegnek, a vér nem gyűlik össze a gravitáció hatására, és vérátömlesztés esetén még pumpálni is kell! Emellett bizonyos gyógyszerek nem úgy szívódnak fel, mint a Földön, mivel a sejtmembránok megvastagszanak, így például az antibiotikumok hatékonysága is kisebb. A szervezet saját védekező rendszere is alulteljesít, például alábbhagy a T-limfociták termelése, aminek idővel súlyos következményei lehetnek, ez ugyanis csökkenti a szervezet daganatkezdemények elleni immunválaszának hatékonyságát.

Más hatások is izgalmasnak tűnhetnek, más kérdés, hogy mennyire szórakoznak ezen az űrhajósok. Például gravitáció híján elveszik a függőleges és vízszintes koordináták jelentése, ami orientációs zavarokhoz, esetleg szédüléshez is vezethet. Érdekes az „égi táplálkozás” is, de erről tudnunk kell, hogy a fejben megnövekedő folyadékmennyiség a megfázáshoz hasonló tüneteket vált ki, s ez az íz- és a szagérzékelés tompulásához vezet, amit erős fűszerezéssel igyekeznek ellensúlyozni. Súlytalanságban ugyan nem szabadulnak fel az étellel elfogyasztott vagy emésztés közben keletkező gázok, ezért nincs böfögés, de mivel a szervezet mégis eltávolítja a felesleges légnemű anyagokat, azok szellentés formájában távoznak, nagy mennyiségben és meglehetősen gyakran.

Newton vs. Einstein

A mikrogravitáció jelenségét eltérően magyarázza a klasszikus newtoni mechanika és az einsteini általános relativitáselmélet: az előbbi konkrét gravitációs erőket feltételez, míg a relativitáselméletben ilyen erők nincsenek, csupán gravitációs hatás, melyet a háromdimenziós téridő görbülete kelt. Einstein szerint az úgynevezett tehetetlenségi (inerciális) mozgásban lévő, szabadon eső testekre (például elszabadult lift, parabola alakú pályán zuhanó repülő vagy egy bolygó körül keringő objektum) saját vonatkoztatási rendszerüket tekintve nem hat a gravitációs mező. Az egyetlen hatás, ami némi nehézkedést kölcsönöz e testeknek, az a téridő gravitációs görbületének egyenetlenségéből fakad, és ez a némi kiterjedéssel bíró testek (például egy űrállomás) számára akkor is valódi gravitációs hatással bír, ha közben mindez szabadon esik. Az einsteini modell szerint eldönthetetlen, hogy egy test gyorsulását valamiféle gravitációs hatás, „vonzerő” vagy saját vonatkoztatási rendszerének gyorsulása okozza – ezt nevezik az általános relativitáselméletben ekvivalenciaelvnek.

 

Van, aki szereti

Jellemző, hogy az űrben, a súlytalanság körülményei között folytatott tudományos kísérletek leginkább az extrém körülményeknek kitett emberi szervezet reakcióit vizsgálják. Ehhez képest másodlagos, hogy növekednek-e a kristályok, a növények, a baktériumok és más életformák. De arra már rájöttek a kutatók, hogy a csótányok gyorsabban nőnek mikrogravitációban, ráadásul fürgébb és szívósabb példányok fejlődnek ki. S ha ez nem volna elég riasztó, eláruljuk, hogy a szalmonellabaktériumok (Salmonella typhimurium) is sokkal jobban élnek és virulnak odafenn. Úgyhogy tisztiorvost inkább ne küldjenek az űrbe, mert félő, hogy rögtön bezáratná az állomást.

Neked ajánljuk