Nowoczesne technologie w eksploracji kosmosu (cz.1)

Przestrze± kosmiczna. Obserwowana jak na razie. Tylko obserwowana. Czy mamy szansΩ kiedy╢ zbudowaµ statek kosmiczny zdolny przenie╢µ nas chocia┐by do pokazanej powy┐ej galaktyki? Je╢li tak, to co musimy zrobiµ, jaki stopie± technologii osi▒gn▒µ, na jaki poziom cywilizacyjny siΩ wznie╢µ?

W kosmosie panuj▒ ekstremalne warunki - wysoka pr≤┐nia, olbrzymie wahania temperatur, stan niewa┐ko╢ci.

Warunkom tym musz▒ sprostaµ ludzie, pojazdy i instrumenty badawcze.
By│oby to niemo┐liwe bez zastosowania nowych technologii, opracowywanych specjalnie na potrzeby eksploracji kosmosu. Wiele rozwi▒za± opracowanych z my╢l▒ o przestrzeni kosmicznej znajduje p≤╝niej jak najbardziej ziemskie zastosowania.

I. PRZESZúOª╞
Zdarza siΩ tak, ┐e realizacjΩ misji kosmicznych umo┐liwiaj▒ pionierskie technologie ju┐ dawniej opracowane na Ziemi. Dosyµ powszechnie uwa┐a siΩ na przyk│ad, ┐e jednym z owoc≤w projektu Apollo by│o wynalezienie tworzywa sztucznego teflonu, czyli politetrafluoroetylenu.
Okazuje siΩ, ┐e teflon znany by│ ju┐ w latach trzydziestych, a teflonowe patelnie mo┐na by│o kupiµ na dziesiΩµ lat przed l▒dowaniem pierwszego cz│owieka na KsiΩ┐ycu. Prawd▒ natomiast jest, ┐e materia│ ten spe│ni│ bardzo wa┐n▒ rolΩ w projekcie Apollo. Pokrywano nim m.in. w│≤kna, z kt≤rych powstawa│ materia│ na skafandry astronaut≤w.
Wcze╢niej, bo w latach czterdziestych, teflon zastosowano w projekcie Manhattan, kt≤rego celem by│o wyprodukowanie bomby atomowej.
W 1969 roku, czyli tym samym, kiedy dokonywa│ siΩ wielki ksiΩ┐ycowy skok, wynaleziono niezwykle ciekawy materia│ goretex.
To ten sam teflon, kt≤ry pokrywa patelnie, tylko w postaci u┐ytecznej dla przemys│u tekstylnego.

Prawd▒ jest r≤wnie┐, ┐e kosmos stwarza wiele problem≤w, o kt≤rych instytucje komercyjne nigdy by nie pomy╢la│y. Ich rozwi▒zaniem zajmuj▒ siΩ w≤wczas najczΩ╢ciej instytuty badawcze NASA lub laboratoria uniwersyteckie. Ostatni nurt poszukiwa± technologicznych to ╢wiadome szukiwanie rozwi▒za± technologicznych na potrzeby ziemskie, ale mo┐liwych do realizacji tylko w warunkach kosmicznych. Podczas kolejnych misji kosmicznych bada siΩ wiΩc procesy hodowli kryszta│≤w p≤│przewodnikowych, rozwoju ro╢lin, rozwoju organizm≤w ┐ywych.

Cyfrowe przetwarzanie obraz≤w rozpoczΩ│o siΩ w│a╢nie podczas realizacji projektu Apollo. Zarz▒dzaj▒cy projektem, przed wys│aniem na KsiΩ┐yc ludzi, chcieli zdobyµ jak najwiΩcej danych o KsiΩ┐ycu. Pos│u┐yµ temu mia│y loty pr≤bnik≤w Ranger z zadaniem dostarczenia jak najwiΩkszej liczby fotografii ksiΩ┐ycowego gruntu. Loty Ranger 7, 8 i 9, kt≤re mia│y miejsce w latach 1964 i 1965, przynios│y oczekiwany rezultat. Ich owocem by│o 17 tys. zdjΩµ o wysokiej rozdzielczo╢ci.
Niestety, mimo stosowania najnowocze╢niejszych w≤wczas technik fotograficznych, jako╢µ obrazu pozostawia│a wiele do ┐yczenia. Obrazy uzyskane w misjach Ranger≤w trzeba by│o poprawiµ. Mo┐na by│o zrobiµ to metodami klasycznej fotografii. Zdecydowano siΩ jednak na inny krok: digitalizacjΩ obraz≤w i retusz komputerowy. Tw≤rc▒ pomys│u by│ Robert Nathan, in┐ynier z Jet Propulsion Laboratory w Pasadenie w USA.
Zaczynano praktycznie od zera: w latach sze╢µdziesi▒tych nie istnia│o ┐adne oprogramowanie ani wyposa┐enie nadaj▒ce siΩ do realizacji tego zadania. Metody opracowane w ramach projektu Apollo szybko zaczΩ│y siΩ rozwijaµ. Pierwotnie wykorzystywano je g│≤wnie do obr≤bki rosn▒cej ilo╢ci danych nadchodz▒cych z kosmosu, z coraz to nowych misji rozpoznawczych.

Cyfrowe przetwarzanie obrazu szybko utorowa│o sobie drogΩ do zastosowa± cywilnych. Trudno dzi╢ znale╝µ miejsca, gdzie technologii cyfrowych siΩ nie stosuje. Jednym z najbardziej spektakularnych skutk≤w by│o jednak wprowadzenie opracowanych metod do medycyny, w kt≤rej umo┐liwi│y one rozwiniΩcie zupe│nie nowych technik diagnostycznych: tomografii komputerowej, tomografii rezonansu magnetycznego, radiografii i wielu innych polegaj▒cych na konieczno╢ci przetwarzania danych analitycznych dla uzyskania obrazu organizmu.

Kosmiczne technologie wykorzystuje nawet przemys│ kosmetyczny. W firmie EstΘe Lauder na przyk│ad nowoczesne technologie obrazowania wykorzystuje siΩ do oceny dzia│ania kosmetyk≤w na sk≤rΩ. Podczas misji za│ogowych bardzo istotne s▒ mo┐liwo╢ci badania stanu zdrowia astronaut≤w i przesy│anie danych na ZiemiΩ do dy┐uruj▒cych lekarzy. Opracowano wiΩc szereg technik analitycznych, umo┐liwiaj▒cych │atwe dokonywanie podstawowych analiz krwi, moczu, akcji serca. St▒d w│a╢nie wywodz▒ siΩ nowoczesne, zminiaturyzowane analizatory p│yn≤w fizjologicznych. Kardiofon - urz▒dzenie do badania akcji serca i przesy│ania danych do znajduj▒cego siΩ w oddali lekarza - powsta│o na potrzeby lotu na KsiΩ┐yc. Dla u┐ytku kosmonaut≤w opracowano r≤wnie┐ przeno╢ny zestaw dentystyczny, umo┐liwiaj▒cy wykonywanie podstawowych zabieg≤w osobom z niewielkim przygotowaniem. Zestaw ten znajduje zastosowanie na Ziemi wszΩdzie tam, gdzie trudno dotrzeµ do gabinetu stomatologicznego.
Podczas lot≤w za│ogowych jednym z najwa┐niejszych problem≤w jest w│a╢ciwe od┐ywianie za│ogi. Karmienie w stanie niewa┐ko╢ci, z dala od Ziemi, jest ogromnym problemem. »ywno╢µ nie mo┐e siΩ kruszyµ, bo lataj▒ce po statku okruchy gro┐▒ uszkodzeniem przyrz▒d≤w. Ponadto musi istnieµ pewno╢µ, ┐e produkty pozbawione s▒ zanieczyszcze± chemicznych i bakteryjnych zagra┐aj▒cych zdrowiu. Pierwszy problem rozwi▒zano w prosty spos≤b, przygotowuj▒c potrawy w postaci ma│ych, powlekanych i zamykanych szczelnie porcji. Trudniej by│o zapewniµ gwarancje bezpiecze±stwa bakteriologicznego po┐ywienia.
Dla rozwi▒zania tego problemu opracowano metodΩ HACCP (Hazard Analysis and Critical Control Point). Polega ona na dok│adnym prze╢ledzeniu poszczeg≤lnych etap≤w przygotowania produktu i ocenie ryzyka ska┐enia, jakie mo┐e powstaµ w tzw. punktach krytycznych. NastΩpnie okre╢la siΩ standardowe dzia│anie, jakie musi byµ na ka┐dym etapie spe│nione, aby ryzyka unikn▒µ. Je╢li ca│y proces przygotowania produktu zostanie przeprowadzony z zachowaniem tych procedur, mo┐na uznaµ, ┐e jest bezpieczny. Wystarczy jednak, je╢li na kt≤rym╢ z punkt≤w krytycznych nie zachowano standardowej procedury, a ca│▒ partiΩ produktu nale┐y odrzuciµ. Metoda ta zosta│a przyjΩta przez ameryka±sk▒ FDA (Food and Drug Administration) i jej stosowanie jest wymagane np. podczas przygotowywania konserw na Ziemi.
Na potrzeby astronaut≤w opracowano r≤wnie┐ spos≤b podgrzewania i podawania potraw, wykorzystywany dzi╢ w ameryka±skich szpitalach.

Dzi╢ na Ziemi zdecydowan▒ wiΩkszo╢µ przyrz▒d≤w podrΩcznych s│u┐▒cych do pomiaru czasu stanowi▒ zegarki zasilane pr▒dem elektrycznym z miniaturowych baterii, w kt≤rych o dok│adno╢ci wskaza± czasu decyduje kwarcowy kryszta│. Drga on pod wp│ywem pr▒du elektrycznego z bardzo du┐▒ sta│o╢ci▒, dziΩki czemu mo┐e stanowiµ podstawΩ do okre╢lania up│ywu czasu. Pomiar czasu za pomoc▒ zegar≤w kwarcowych opracowano w│a╢nie na potrzeby programu Apollo.
Jednym z zada± l▒duj▒cych na KsiΩ┐ycu astronaut≤w by│o pobranie pr≤bek ksiΩ┐ycowego gruntu nie tylko z powierzchni, ale r≤wnie┐ z pewnej g│Ωboko╢ci. Potrzebne by│o wiΩc specjalne urz▒dzenie wiertnicze umo┐liwiaj▒ce pobranie pr≤bek z g│Ωboko╢ci 2.5 m. Na dodatek urz▒dzenie to musia│o byµ lekkie i zajmowaµ niewiele miejsca. Do tego jeszcze powinno byµ zasilane w│asnym ╝r≤d│em energii, gdy┐ trudno by│o liczyµ na ci▒gniΩcie kabla od wiertarki do kapsu│y l▒downiczej.
Rozwi▒zanie znalaz│a firma Black & Decker, znany producent narzΩdzi elektrycznych. In┐ynierowie z tej firmy opracowali nowy model silnika o zoptymalizowanym zu┐yciu energii, kt≤ry mo┐na zasilaµ akumulatorami. Dzi╢ urz▒dzenia bezprzewodowe: wiertarki, ╢rubokrΩty, szlifierki, a nawet przeno╢nie odkurzacze stanowi▒ powa┐n▒ czΩ╢µ rynku narzΩdzi elektrycznych. Dzia│aj▒ce na podobnej zasadzie urz▒dzenia s│u┐▒ r≤wnie┐ chirurgom podczas zabieg≤w operacyjnych.

Warto r≤wnie┐ dodaµ, ┐e badanie kosmosu by│o impulsem do opracowania nowoczesnych metod przenoszenia i przechowywania wyposa┐enia. Jedn▒ z takich metod jest niezwykle dzi╢ popularne zapiΩcie typu "rzep".

Na powierzchni KsiΩ┐yca jest zimno. Projektanci skafandr≤w dla astronaut≤w musieli rozwi▒zaµ problem ogrzewania najbardziej wra┐liwych na odmro┐enia czΩ╢ci cia│a: st≤p i r▒k. Opracowano wiΩc system ogrzewania but≤w i rΩkawic zasilany z akumulator≤w. Okaza│o siΩ, ┐e podobne problemy z marzniΩciem n≤g, jak astronauci, mog▒ mieµ narciarze. Wiele firm produkuj▒cych obuwie sportowe w trosce o zdrowie swych klient≤w zastosowa│o kosmiczne technologie, oferuj▒c ogrzewane buty narciarskie. Akumulatory umo┐liwiaj▒ wielokrotne │adowanie. Narciarz mo┐e mieµ ciep│e nogi przez wiele sezon≤w. Technika kosmiczna nie ko±czy siΩ jednak tylko na butach narciarskich. R≤┐ne pomys│y wykorzystane w strojach astronaut≤w znajduj▒ zastosowanie w obuwiu sportowym innego rodzaju. Rodem z kosmosu s▒ r≤┐norodne wype│nienia przeciwwstrz▒sowe, a tak┐e nie ulegaj▒ce odkszta│ceniom podeszwy itp.

Jednym z najbardziej dramatycznych moment≤w misji za│ogowych jest powr≤t na ZiemiΩ i l▒dowanie, a czΩsto wodowanie. Zawsze istnieje ryzyko, ┐e kapsu│a l▒downicza znajdzie siΩ z dala od oczekuj▒cych na jej powr≤t s│u┐b ratowniczych. Astronauci musz▒ wiΩc w bezpiecznych warunkach spΩdziµ czas, jaki up│ynie do ich odnalezienia. Rozwi▒zaniem problemu by│o opracowanie nape│niaj▒cej siΩ automatycznie pneumatycznej tratwy ratunkowej.
Proces nape│niania siΩ tratwy trwa 12 sekund. Jest ona skonstruowana tak, ┐e zapewnia stabilno╢µ nawet podczas sztormu. Technologia, kt≤ra pos│u┐y│a astronautom do bezpiecznego powrotu do domu, dzi╢ ratuje ┐ycie ludziom morza. Obecnie podobne tratwy wytwarzane s▒ w r≤┐nych wielko╢ciach, z przeznaczeniem dla od 6 do 20 os≤b. Szacuje siΩ, ┐e dziΩki samo nape│niaj▒cym siΩ tratwom uratowano oko│o 500 marynarzy.

Tak nie zwi▒zane z programem kosmicznym rozwi▒zania, jak rozrusznik serca, pompy mikroinekcyjne do wstrzykiwania okre╢lonych porcji insuliny, nowoczesne materia│y ognioodporne, technologie nanoszenia ultra twardych warstw wΩglowych (powszechnie dzi╢ stosowane przy produkcji ostrzy maszynek do golenia), manipulatory dla ludzi niepe│nosprawnych, │o┐yska bezsmarowe, urz▒dzenia do detekcji ukrytych uszkodze± bez ingerencji w strukturΩ materia│u, metalizowane folie to wszystko zawdziΩczamy wyprawie ludzi na KsiΩ┐yc.

Oto og≤lnie zebrane przyk│ady tzw. kosmicznych technologii, opracowanych w ramach programu Apollo, kt≤re znalaz│y p≤╝niej zastosowanie komercyjne:
- metalizowane pow│oki z tworzyw sztucznych;
- folie rozgrzewaj▒ce;
- kombinezony ch│odzone wod▒ (wykorzystywane w kombinezonach do zada± specjalnych oraz w termografii w podczerwieni);
- substancje poch│aniaj▒ce fale d╝wiΩkowe (SMART Sound Modification and Regulated Temperature Compound);
- unistick - sterowanie pojazdem za pomoc▒ specjalnego joysticka (zastosowane w pojazdach dla os≤b niepe│nosprawnych);
- zespo│y przetwarzania energii s│onecznej;
- nowoczesne techniki dializy;
- podgrzewane gogle;
- przyrz▒dy do stacjonarnych µwicze± fizycznych;
- pow│oki antykorozyjne;
- systemy bezpiecze±stwa lotniskowego (Laser Doppler Velocimeter);
- materia│y ognioodporne (Durette);
- silnik Stirlinga;
- p│askie kable;
- suche warstwy smaruj▒ce;
- warstwy diamentopodobne.

Clifford