Ingravidez
Peso aparente cero, microgravedad
Los astronautas de la Estación Espacial Internacional experimentan únicamente microgravedad y, por lo tanto, ofrecen un ejemplo de ingravidez. En primer plano se puede ver a Michael Foale haciendo ejercicio.

La ingravidez es la ausencia total o casi total de la sensación de peso , es decir, peso aparente cero . También se denomina fuerza g cero o g cero (llamada así por la fuerza g ) [1] o, incorrectamente, gravedad cero .

El entorno de microgravedad es más o menos sinónimo en sus efectos, con el reconocimiento de que las fuerzas g nunca son exactamente cero.

El peso es una medida de la fuerza que se ejerce sobre un objeto en reposo en un campo gravitatorio relativamente fuerte (como en la superficie de la Tierra). Estas sensaciones de peso se originan por el contacto con pisos de apoyo, asientos, camas, básculas y similares. También se produce una sensación de peso, incluso cuando el campo gravitatorio es cero, cuando las fuerzas de contacto actúan sobre la inercia de un cuerpo y la superan mediante fuerzas mecánicas no gravitatorias , como en una centrífuga , una estación espacial giratoria o dentro de un vehículo en aceleración.

Cuando el campo gravitatorio no es uniforme, un cuerpo en caída libre experimenta fuerzas de marea y no está libre de tensiones. Cerca de un agujero negro , estos efectos de marea pueden ser muy fuertes, llegando a producirse una espaguetificación . En el caso de la Tierra, los efectos son menores, especialmente en objetos de dimensiones relativamente pequeñas (como el cuerpo humano o una nave espacial) y la sensación general de ingravidez en estos casos se conserva. Esta condición se conoce como microgravedad y prevalece en las naves espaciales en órbita.

La ingravidez en la mecánica newtoniana

En la mitad izquierda, el resorte está lejos de cualquier fuente de gravedad. En la mitad derecha, está en un campo gravitatorio uniforme. a ) Gravedad cero y sin peso b ) Gravedad cero pero no sin peso (el resorte está propulsado por un cohete) c ) El resorte está en caída libre y sin peso d ) El resorte reposa sobre un pedestal y tiene tanto peso 1 como peso 2 .

En la física newtoniana, la sensación de ingravidez que experimentan los astronautas no es resultado de que la aceleración gravitacional sea cero (como se ve desde la Tierra), sino de que no hay ninguna fuerza g que un astronauta pueda sentir debido a la condición de caída libre, y también de que hay una diferencia cero entre la aceleración de la nave espacial y la aceleración del astronauta. El periodista espacial James Oberg explica el fenómeno de esta manera: [2]

El mito de que los satélites permanecen en órbita porque han "escapado de la gravedad de la Tierra" se perpetúa aún más (y de manera falsa) por el uso casi universalmente incorrecto de la palabra "gravedad cero" para describir las condiciones de caída libre a bordo de los vehículos espaciales en órbita. Por supuesto, esto no es cierto; la gravedad todavía existe en el espacio. Impide que los satélites vuelen directamente hacia el vacío interestelar. Lo que falta es el "peso", la resistencia a la atracción gravitatoria por parte de una estructura anclada o una contrafuerza. Los satélites permanecen en el espacio debido a su tremenda velocidad horizontal, que les permite, mientras son inevitablemente atraídos hacia la Tierra por la gravedad, caer "más allá del horizonte". La retirada curvada del suelo a lo largo de la superficie redonda de la Tierra compensa la caída de los satélites hacia el suelo. La velocidad, no la posición o la falta de gravedad, mantiene a los satélites en órbita alrededor de la Tierra.

Desde la perspectiva de un observador que no se mueve con el objeto (es decir, en un marco de referencia inercial ), la fuerza de gravedad sobre un objeto en caída libre es exactamente la misma que la habitual. [3] Un ejemplo clásico es una cabina de ascensor en la que se ha cortado el cable y cae en picado hacia la Tierra, acelerando a una velocidad igual a los 9,81 metros por segundo por segundo. En este escenario, la fuerza gravitatoria disminuye en su mayor parte, pero no del todo; cualquiera en el ascensor experimentaría una ausencia de la atracción gravitatoria habitual, sin embargo, la fuerza no es exactamente cero. Dado que la gravedad es una fuerza dirigida hacia el centro de la Tierra, dos bolas separadas por una distancia horizontal serían atraídas en direcciones ligeramente diferentes y se acercarían más a medida que el ascensor cayera. Además, si estuvieran separadas por una cierta distancia vertical, la inferior experimentaría una fuerza gravitatoria mayor que la superior, ya que la gravedad disminuye de acuerdo con la ley del cuadrado inverso . Estos dos efectos de segundo orden son ejemplos de microgravedad. [3]

Entornos sin peso y de peso reducido

Maniobra de vuelo en gravedad cero

Reducción de peso en los aviones

Los aviones se utilizan desde 1959 para proporcionar un entorno casi sin gravedad en el que entrenar a los astronautas, realizar investigaciones y filmar películas. A estas aeronaves se las conoce comúnmente con el sobrenombre de " Vomit Comet ".

Para crear un entorno sin gravedad, el avión vuela en un arco parabólico de 10 km (6 mi) , primero ascendiendo y luego entrando en un picado con motor. Durante el arco, la propulsión y la dirección de la aeronave se controlan para cancelar la resistencia del aire sobre el avión, lo que permite que el avión se comporte como si estuviera en caída libre en el vacío.

El avión KC-135A de la NASA asciende para una maniobra de gravedad cero

Avión de gravedad reducida de la NASA

Versiones de tales aviones han sido operados por el Programa de Investigación de Gravedad Reducida de la NASA desde 1973, de donde se originó el apodo no oficial. [4] La NASA adoptó más tarde el apodo oficial 'Weightless Wonder' para su publicación. [5] El actual avión de gravedad reducida de la NASA, "Weightless Wonder VI", un McDonnell Douglas C-9 , tiene su base en Ellington Field (KEFD), cerca del Centro Espacial Lyndon B. Johnson .

El Plan de Oportunidades de Vuelo en Gravedad Reducida de la Universidad de Microgravedad de la NASA , también conocido como Programa de Oportunidades de Vuelo para Estudiantes en Gravedad Reducida, permite que equipos de estudiantes universitarios presenten una propuesta de experimento en microgravedad. Si son seleccionados, los equipos diseñan e implementan su experimento, y los estudiantes son invitados a volar en el Vomit Comet de la NASA. [ cita requerida ]

A310 de la Agencia Espacial Europea en gravedad cero

La Agencia Espacial Europea (ESA) realiza vuelos parabólicos en un avión Airbus A310-300 especialmente modificado [6] para realizar investigaciones en microgravedad. Junto con el CNES francés y el DLR alemán , realizan campañas de tres vuelos en días consecutivos, con aproximadamente 30 parábolas en cada vuelo que suman aproximadamente 10 minutos de ingravidez. Estas campañas son operadas actualmente desde el Aeropuerto de Burdeos-Mérignac por Novespace [7] , una subsidiaria del CNES ; el avión es volado por pilotos de pruebas de la DGA Essais en Vol.

Hasta mayo de 2010 [actualizar], la ESA ha realizado 52 campañas científicas y también 9 campañas de vuelo parabólico para estudiantes. [8] Sus primeros vuelos en gravedad cero fueron en 1984 utilizando un avión KC-135 de la NASA en Houston , Texas. Otros aviones utilizados incluyen el ruso Ilyushin Il-76 MDK antes de fundar Novespace, luego un Caravelle francés y un Airbus A300 Zero-G. [9] [10] [11]

Vuelos comerciales para pasajeros públicos

Interior del avión ruso Ilyushin 76MDK del Centro de Entrenamiento de Cosmonautas Gagarin

Novespace creó Air Zero G en 2012 para compartir la experiencia de la ingravidez con 40 pasajeros públicos por vuelo, utilizando el mismo A310 ZERO-G que para las experiencias científicas. [12] Estos vuelos son vendidos por Avico, se operan principalmente desde Burdeos-Merignac , Francia , y tienen como objetivo promover la investigación espacial europea, permitiendo a los pasajeros públicos sentir la ingravidez. Jean-François Clervoy , presidente de Novespace y astronauta de la ESA , vuela con estos astronautas de un día a bordo del A310 Zero-G. Después del vuelo, explica la búsqueda del espacio y habla de los 3 viajes espaciales que realizó a lo largo de su carrera. La aeronave también se ha utilizado para fines cinematográficos, con Tom Cruise y Annabelle Wallis para La Momia en 2017. [13]

La Zero Gravity Corporation opera un Boeing 727 modificado que vuela arcos parabólicos para crear entre 25 y 30 segundos de ingravidez.

Instalaciones de lanzamiento terrestres

Pruebas de gravedad cero en el Centro de Investigación de Gravedad Cero de la NASA

Las instalaciones terrestres que producen condiciones de ingravidez para fines de investigación se denominan habitualmente tubos de caída o torres de caída.

La Instalación de Investigación de Gravedad Cero de la NASA , ubicada en el Centro de Investigación Glenn en Cleveland, Ohio , es un pozo vertical de 145 m, en gran parte bajo el suelo, con una cámara de caída al vacío integrada, en la que un vehículo experimental puede tener una caída libre durante una duración de 5,18 segundos, cayendo una distancia de 132 m. El vehículo experimental se detiene en aproximadamente 4,5 m de bolitas de poliestireno expandido , experimentando una tasa de desaceleración máxima de 65 g .

En el NASA Glenn también se encuentra la torre de caída de 2,2 segundos, que tiene una distancia de caída de 24,1 m. Los experimentos se dejan caer en un escudo de arrastre para reducir los efectos de la resistencia del aire. Todo el paquete se detiene en una bolsa de aire de 3,3 m de alto, a una tasa de desaceleración máxima de aproximadamente 20 g . Mientras que la instalación de gravedad cero realiza una o dos caídas por día, la torre de caída de 2,2 segundos puede realizar hasta doce caídas por día.

El Centro Marshall de Vuelos Espaciales de la NASA alberga otra instalación de tubo de caída que tiene 105 m de altura y proporciona una caída libre de 4,6 s en condiciones cercanas al vacío . [14]

Otras instalaciones de entrega en todo el mundo incluyen:

  • Laboratorio de Microgravedad de Japón (MGLAB): caída libre de 4,5 s
  • Tubo de caída experimental del departamento de metalurgia de Grenoble : caída libre de 3,1 s
  • Torre de caída libre de la Universidad de Bremen en Bremen : caída libre de 4,74 s
  • Torre de caída libre de la Universidad Tecnológica de Queensland: caída libre de 2,0 s
  • Centro Nacional de Investigación y Desarrollo de la Combustión en el IIT-M : caída libre de 2,5 s [15]

Máquinas de posicionamiento aleatorio

Otro método terrestre para simular la ingravidez de una muestra biológica es un "clinostato 3D", también llamado máquina de posicionamiento aleatorio . A diferencia de un clinostato normal , la máquina de posicionamiento aleatorio gira en dos ejes simultáneamente y establece progresivamente una condición similar a la microgravedad mediante el principio de promediado de vectores de gravedad.

Flotabilidad neutra

Órbitas

La relación entre los vectores de aceleración y velocidad en una nave espacial en órbita
La astronauta estadounidense Marsha Ivins demuestra el efecto de la ingravidez en el cabello largo durante la misión STS-98
La Estación Espacial Internacional en órbita alrededor de la Tierra , febrero de 2010. La ISS se encuentra en un entorno de micro-g .

En la Estación Espacial Internacional (ISS) , hay pequeñas fuerzas g que provienen de los efectos de las mareas , la gravedad de objetos distintos de la Tierra, como los astronautas, la nave espacial y el Sol , la resistencia del aire y los movimientos de los astronautas que imparten impulso a la estación espacial). [16] [17] [18] El símbolo de microgravedad, μg , se utilizó en las insignias de los vuelos del transbordador espacial STS-87 y STS-107 , porque estos vuelos se dedicaron a la investigación de la microgravedad en la órbita terrestre baja .

Vuelos suborbitales

Con el paso de los años, la investigación biomédica sobre las implicaciones de los vuelos espaciales ha adquirido mayor importancia a la hora de evaluar los posibles cambios fisiopatológicos en los seres humanos. [19] Los vuelos suborbitales aprovechan la ingravidez aproximada, o μg, en la órbita baja de la Tierra y representan un modelo de investigación prometedor para la exposición a corto plazo. Ejemplos de estos enfoques son los programas MASER , MAXUS o TEXUS dirigidos por la Corporación Espacial Sueca y la Agencia Espacial Europea .

Movimiento orbital

El movimiento orbital es una forma de caída libre. [3] Los objetos en órbita no son perfectamente ingrávidos debido a varios efectos:

  • Efectos dependiendo de la posición relativa en la nave espacial:
    • Debido a que la fuerza de gravedad disminuye con la distancia, los objetos con un tamaño distinto de cero estarán sujetos a una fuerza de marea , o una atracción diferencial, entre los extremos del objeto más cercano y más alejado de la Tierra. (Una versión extrema de este efecto es la espaguetificación ). En una nave espacial en órbita terrestre baja (LEO), la fuerza centrífuga también es mayor en el lado de la nave espacial más alejado de la Tierra. A una altitud LEO de 400 km, la diferencia general en la fuerza g es de aproximadamente 0,384 μ g /m. [20] [3]
    • La gravedad entre la nave espacial y un objeto en su interior puede hacer que el objeto "caiga" lentamente hacia una parte más masiva de la misma. La aceleración es de 0,007 μg para 1000 kg a 1 m de distancia.
  • Efectos uniformes (que podrían compensarse):
    • Aunque es extremadamente delgada, hay algo de aire en altitudes orbitales de 185 a 1.000 km. Esta atmósfera provoca una desaceleración minúscula debido a la fricción. Esto podría compensarse con un pequeño empuje continuo, pero en la práctica la desaceleración solo se compensa de vez en cuando, por lo que la pequeña fuerza g de este efecto no se elimina.
    • Los efectos del viento solar y la presión de la radiación son similares, pero se dirigen lejos del Sol. A diferencia del efecto de la atmósfera, no se reduce con la altitud.
  • Otros efectos:
    • Actividad rutinaria de la tripulación: debido a la conservación del momento , cualquier miembro de la tripulación a bordo de una nave espacial que empuje una pared hace que la nave espacial se mueva en la dirección opuesta.
    • Vibración estructural: la tensión ejercida sobre el casco de la nave espacial hace que ésta se doble, lo que provoca una aceleración aparente.

Ingravidez en el centro de un planeta

Si un objeto viajara al centro de un planeta esférico sin que los materiales del planeta lo impidieran, alcanzaría un estado de ingravidez al llegar al centro del núcleo del planeta . Esto se debe a que la masa del planeta circundante ejerce una atracción gravitatoria igual en todas las direcciones desde el centro, anulando la atracción de cualquier dirección y estableciendo un espacio sin atracción gravitatoria. [21]

Ausencia de gravedad

Un entorno de microgravedad "estacionario" [22] requeriría viajar lo suficientemente lejos en el espacio profundo como para reducir el efecto de la gravedad por atenuación a casi cero. Esto es simple en su concepción, pero requiere viajar una distancia muy grande, lo que lo hace altamente impráctico. Por ejemplo, para reducir la gravedad de la Tierra en un factor de un millón, uno necesita estar a una distancia de 6 millones de kilómetros de la Tierra, pero para reducir la gravedad del Sol a esta cantidad, uno tiene que estar a una distancia de 3.7 mil millones de kilómetros. Esto no es imposible, pero hasta ahora solo se ha logrado mediante cuatro sondas interestelares : ( Voyager 1 y 2 del programa Voyager , y Pioneer 10 y 11 del programa Pioneer ). A la velocidad de la luz , se necesitarían aproximadamente tres horas y media para alcanzar este entorno de microgravedad (una región del espacio donde la aceleración debida a la gravedad es una millonésima parte de la experimentada en la superficie de la Tierra). Pero para reducir la gravedad a una milésima parte de la que hay en la superficie de la Tierra, basta con estar a una distancia de 200.000 kilómetros.

UbicaciónGravedad debido aTotal
TierraSolResto de la Vía Láctea
Superficie de la Tierra9,81 m/ s26 mm/s 2200 pm/s2 = 6 mm/s/año9,81 m/ s2
Órbita terrestre baja9 m/ s26 mm/s 2200 minutos por segundo 29 m/ s2
A 200.000 km de la Tierra10 mm/s 26 mm/s 2200 minutos por segundo 2hasta 12 mm/s 2
6 × 10 6  km de la Tierra10 μm/ s26 mm/s 2200 minutos por segundo 26 mm/s 2
3,7 × 10 9  km de la Tierra29 horas/s 210 μm/ s2200 minutos por segundo 210 μm/ s2
Viajero 1 (17 × 10 9  km de la Tierra)1pm/s 2500 nm/ s2200 minutos por segundo 2500 nm/ s2
A 0,1 años luz de la Tierra400 amperios/segundo 2200 minutos por segundo 2200 minutos por segundo 2hasta 400 pm/s 2

A una distancia relativamente cercana a la Tierra (menos de 3000 km), la gravedad se reduce apenas un poco. Cuando un objeto orbita alrededor de un cuerpo como la Tierra, la gravedad sigue atrayendo objetos hacia la Tierra y el objeto se acelera hacia abajo a casi 1 g. Debido a que los objetos se mueven típicamente lateralmente con respecto a la superficie a velocidades tan inmensas, el objeto no perderá altitud debido a la curvatura de la Tierra. Cuando se observa desde un observador en órbita, otros objetos cercanos en el espacio parecen flotar porque todo está siendo atraído hacia la Tierra a la misma velocidad, pero también se mueven hacia adelante a medida que la superficie de la Tierra "cae" hacia abajo. Todos estos objetos están en caída libre , no en gravedad cero.

Compare el potencial gravitacional en algunas de estas ubicaciones .

Efectos sobre la salud

El astronauta Clayton Anderson mientras una gran gota de agua flota frente a él en el Discovery. La cohesión juega un papel más importante en el espacio.

Tras la llegada de estaciones espaciales que pueden ser habitadas durante largos periodos, se ha demostrado que la exposición a la ingravidez tiene algunos efectos nocivos para la salud humana. [23] [24] Los seres humanos están bien adaptados a las condiciones físicas de la superficie de la Tierra. En respuesta a un periodo prolongado de ingravidez, varios sistemas fisiológicos comienzan a cambiar y a atrofiarse. Aunque estos cambios suelen ser temporales, pueden derivar en problemas de salud a largo plazo.

El problema más común que experimentan los humanos en las horas iniciales de ingravidez se conoce como síndrome de adaptación espacial o SAS, comúnmente llamado mareo espacial. Los síntomas del SAS incluyen náuseas y vómitos , vértigo , dolores de cabeza , letargo y malestar general. [25] El primer caso de SAS fue reportado por el cosmonauta Gherman Titov en 1961. Desde entonces, aproximadamente el 45% de todas las personas que han volado en el espacio han sufrido esta condición. La duración del mareo espacial varía, pero en ningún caso ha durado más de 72 horas, después de las cuales el cuerpo se adapta al nuevo entorno. La NASA mide en broma el SAS utilizando la "escala Garn", llamada así por el senador estadounidense Jake Garn , cuyo SAS durante STS-51-D fue el peor registrado. En consecuencia, un "Garn" es equivalente al caso más grave posible de SAS. [26]

Los efectos adversos más significativos de la ingravidez a largo plazo son la atrofia muscular (ver Reducción de la masa muscular, la fuerza y ​​el rendimiento en el espacio para más información) y el deterioro del esqueleto , u osteopenia de los vuelos espaciales . [25] Estos efectos se pueden minimizar mediante un régimen de ejercicio, [27] como el ciclismo, por ejemplo. Los astronautas sujetos a largos períodos de ingravidez usan pantalones con bandas elásticas unidas entre la cintura y los puños para comprimir los huesos de las piernas y reducir la osteopenia. [28] Otros efectos significativos incluyen la redistribución de fluidos (que causa la apariencia de "cara de luna" típica de las imágenes de astronautas en ingravidez), [28] [29] cambios en el sistema cardiovascular a medida que las presiones sanguíneas y las velocidades del flujo cambian en respuesta a la falta de gravedad, una producción disminuida de glóbulos rojos , trastornos del equilibrio y un debilitamiento del sistema inmunológico . [30] Los síntomas menores incluyen pérdida de masa corporal, congestión nasal, alteración del sueño, exceso de flatulencia e hinchazón de la cara. Estos efectos comienzan a revertirse rápidamente al regresar a la Tierra.

Además, después de largas misiones de vuelo espacial , los astronautas pueden experimentar cambios en la visión . [31] [32] [33] [34] [35] Estos problemas de visión pueden ser una preocupación importante para futuras misiones de vuelo al espacio profundo, incluida una misión tripulada al planeta Marte . [31] [32] [33] [34] [36] La exposición a altos niveles de radiación puede influir en el desarrollo de la aterosclerosis. [37] Recientemente se han detectado coágulos en la vena yugular interna durante el vuelo. [38]

El 31 de diciembre de 2012, un estudio apoyado por la NASA informó que los vuelos espaciales humanos pueden dañar los cerebros de los astronautas y acelerar la aparición de la enfermedad de Alzheimer . [39] [40] [41] En octubre de 2015, la Oficina del Inspector General de la NASA emitió un informe sobre los riesgos para la salud relacionados con los vuelos espaciales humanos , incluida una misión humana a Marte . [42] [43]

Mareo por movimiento espacial

Seis astronautas que habían estado en entrenamiento en el Centro Espacial Johnson durante casi un año están recibiendo una muestra de un entorno de micro-g.

Se cree que el mareo por movimiento espacial (SMS, por sus siglas en inglés) es un subtipo de mareo por movimiento que afecta a casi la mitad de todos los astronautas que se aventuran al espacio. [44] El SMS, junto con la congestión facial por desplazamientos de líquidos hacia la cabeza, dolores de cabeza y dolor de espalda, es parte de un complejo más amplio de síntomas que comprenden el síndrome de adaptación espacial (SAS, por sus siglas en inglés). [45] El SMS se describió por primera vez en 1961 durante la segunda órbita del cuarto vuelo espacial tripulado cuando el cosmonauta Gherman Titov a bordo del Vostok 2 , describió sentirse desorientado con quejas físicas en su mayoría consistentes con el mareo por movimiento. Es uno de los problemas fisiológicos más estudiados de los vuelos espaciales, pero sigue planteando una dificultad significativa para muchos astronautas. En algunos casos, puede ser tan debilitante que los astronautas deben ausentarse de sus deberes ocupacionales programados en el espacio, incluida la pérdida de una caminata espacial para la que han pasado meses de entrenamiento. [46] En la mayoría de los casos, sin embargo, los astronautas superarán los síntomas incluso con una degradación en su rendimiento. [47]

A pesar de sus experiencias en algunas de las maniobras físicas más rigurosas y exigentes de la Tierra, incluso los astronautas más experimentados pueden verse afectados por el SMS, lo que resulta en síntomas de náuseas intensas , vómitos en proyectil , fatiga , malestar (sensación de malestar) y dolor de cabeza . [47] Estos síntomas pueden ocurrir tan abruptamente y sin previo aviso que los viajeros espaciales pueden vomitar repentinamente sin tiempo para contener la emesis, lo que resulta en fuertes olores y líquido dentro de la cabina que pueden afectar a otros astronautas. [47] Algunos cambios en los comportamientos del movimiento ocular también pueden ocurrir como resultado del SMS. [48] Los síntomas suelen durar entre uno y tres días después de entrar en ingravidez, pero pueden reaparecer al reingresar a la gravedad de la Tierra o incluso poco después del aterrizaje. El SMS se diferencia del mareo por movimiento terrestre en que la sudoración y la palidez suelen ser mínimas o ausentes y los hallazgos gastrointestinales suelen demostrar la ausencia de ruidos intestinales, lo que indica una motilidad gastrointestinal reducida . [49]

Incluso cuando las náuseas y los vómitos desaparecen, pueden persistir algunos síntomas del sistema nervioso central que pueden degradar el rendimiento del astronauta. [49] Graybiel y Knepton propusieron el término " síndrome de sopite " para describir los síntomas de letargo y somnolencia asociados con el mareo por movimiento en 1976. [50] Desde entonces, su definición ha sido revisada para incluir "... un complejo de síntomas que se desarrolla como resultado de la exposición al movimiento real o aparente y se caracteriza por somnolencia excesiva, lasitud, letargo, depresión leve y capacidad reducida para concentrarse en una tarea asignada". [51] Juntos, estos síntomas pueden representar una amenaza sustancial (aunque temporal) para el astronauta que debe permanecer atento a las cuestiones de vida o muerte en todo momento.

En general, se piensa que el SMS es un trastorno del sistema vestibular que se produce cuando la información sensorial del sistema visual (vista) y del sistema propioceptivo (postura, posición del cuerpo) entra en conflicto con la información mal percibida de los canales semicirculares y los otolitos del oído interno. Esto se conoce como la "teoría del desajuste neuronal" y fue sugerida por primera vez en 1975 por Reason y Brand. [52] Alternativamente, la hipótesis del desplazamiento de fluidos sugiere que la ingravidez reduce la presión hidrostática en la parte inferior del cuerpo, lo que hace que los fluidos se desplacen hacia la cabeza desde el resto del cuerpo. Se cree que estos desplazamientos de fluidos aumentan la presión del líquido cefalorraquídeo (lo que provoca dolores de espalda), la presión intracraneal (lo que provoca dolores de cabeza) y la presión del líquido del oído interno (lo que provoca disfunción vestibular). [53]

A pesar de una multitud de estudios que buscan una solución al problema de los SMS, sigue siendo un problema constante para los viajes espaciales. La mayoría de las contramedidas no farmacológicas, como el entrenamiento y otras maniobras físicas, han ofrecido un beneficio mínimo. Thornton y Bonato señalaron que "los esfuerzos de adaptación previos y durante el vuelo, algunos de ellos obligatorios y la mayoría de ellos onerosos, han sido, en su mayor parte, fracasos operativos". [54] Hasta la fecha, la intervención más común es la prometazina , un antihistamínico inyectable con propiedades antieméticas , pero la sedación puede ser un efecto secundario problemático. [55] Otras opciones farmacológicas comunes incluyen la metoclopramida , así como la aplicación oral y transdérmica de escopolamina , pero la somnolencia y la sedación también son efectos secundarios comunes de estos medicamentos. [53]

Efectos musculoesqueléticos

En el entorno espacial (o de microgravedad), los efectos de la descarga varían significativamente entre individuos, y las diferencias de sexo agravan la variabilidad. [56] Las diferencias en la duración de la misión y el pequeño tamaño de la muestra de astronautas que participan en la misma misión también se suman a la variabilidad de los trastornos musculoesqueléticos que se observan en el espacio. [57] Además de la pérdida muscular, la microgravedad conduce a un aumento de la resorción ósea , una disminución de la densidad mineral ósea y un mayor riesgo de fracturas. La resorción ósea conduce a un aumento de los niveles urinarios de calcio , lo que posteriormente puede conducir a un mayor riesgo de nefrolitiasis . [58]

En las dos primeras semanas en las que los músculos se liberan de la carga que soportan el peso del cuerpo humano durante el vuelo espacial, comienza la atrofia muscular total. Los músculos posturales contienen más fibras lentas y son más propensos a atrofiarse que los grupos musculares no posturales. [57] La ​​pérdida de masa muscular se produce debido a desequilibrios en la síntesis y degradación de proteínas. La pérdida de masa muscular también va acompañada de una pérdida de fuerza muscular, que se observó después de solo 2 a 5 días de vuelo espacial durante las misiones Soyuz-3 y Soyuz-8 . [57] También se han encontrado disminuciones en la generación de fuerzas contráctiles y la potencia muscular total en respuesta a la microgravedad.

Para contrarrestar los efectos de la microgravedad en el sistema musculoesquelético, se recomienda el ejercicio aeróbico. Esto a menudo toma la forma de ciclismo en vuelo. [57] Un régimen más eficaz incluye ejercicios de resistencia o el uso de un traje de pingüino [57] (contiene bandas elásticas cosidas para mantener una carga de estiramiento en los músculos antigravedad), centrifugación y vibración. [58] La centrifugación recrea la fuerza gravitacional de la Tierra en la estación espacial, con el fin de prevenir la atrofia muscular . La centrifugación se puede realizar con centrífugas o mediante un ciclo a lo largo de la pared interior de la estación espacial. [57] Se ha descubierto que la vibración de todo el cuerpo reduce la reabsorción ósea a través de mecanismos que no están claros. La vibración se puede administrar utilizando dispositivos de ejercicio que utilizan desplazamientos verticales yuxtapuestos a un fulcro, o utilizando una placa que oscila sobre un eje vertical. [59] El uso de agonistas beta-2 adrenérgicos para aumentar la masa muscular y el uso de aminoácidos esenciales junto con ejercicios de resistencia se han propuesto como medios farmacológicos para combatir la atrofia muscular en el espacio. [57]

Efectos cardiovasculares

La astronauta Tracy Dyson habla sobre estudios sobre la salud cardiovascular a bordo de la Estación Espacial Internacional.

Junto con el sistema esquelético y muscular, el sistema cardiovascular está menos forzado en la ingravidez que en la Tierra y se desacondiciona durante períodos más largos pasados ​​en el espacio. [60] En un entorno normal, la gravedad ejerce una fuerza hacia abajo, estableciendo un gradiente hidrostático vertical. Al estar de pie, algo de líquido "excedente" reside en los vasos y tejidos de las piernas. En un entorno de micro-g, con la pérdida de un gradiente hidrostático , algo de líquido se redistribuye rápidamente hacia el pecho y la parte superior del cuerpo; se detecta como "sobrecarga" del volumen sanguíneo circulante. [61] En el entorno de micro-g, el exceso de volumen sanguíneo recién detectado se ajusta expulsando el exceso de líquido a los tejidos y células (reducción del volumen del 12-15%) y los glóbulos rojos se ajustan hacia abajo para mantener una concentración normal ( anemia relativa ). [61] En ausencia de gravedad, la sangre venosa se precipitará a la aurícula derecha porque la fuerza de la gravedad ya no está tirando de la sangre hacia los vasos de las piernas y el abdomen, lo que resulta en un aumento del volumen sistólico . [62] Estos cambios de fluidos se vuelven más peligrosos al regresar a un entorno de gravedad regular ya que el cuerpo intentará adaptarse a la reintroducción de la gravedad. La reintroducción de la gravedad nuevamente empujará el fluido hacia abajo, pero ahora habría un déficit tanto en el fluido circulante como en los glóbulos rojos. La disminución de la presión de llenado cardíaco y el volumen sistólico durante el estrés ortostático debido a una disminución del volumen sanguíneo es lo que causa la intolerancia ortostática . [63] La intolerancia ortostática puede resultar en pérdida temporal de la conciencia y la postura, debido a la falta de presión y volumen sistólico. [64] Algunas especies animales han desarrollado características fisiológicas y anatómicas (como presión arterial hidrostática alta y un lugar del corazón más cercano a la cabeza) que les permiten contrarrestar la presión arterial ortostática. [65] [66] Una intolerancia ortostática más crónica puede resultar en síntomas adicionales como náuseas , problemas de sueño y otros síntomas vasomotores también. [67]

Muchos estudios sobre los efectos fisiológicos de la ingravidez en el sistema cardiovascular se realizan en vuelos parabólicos. Es una de las pocas opciones factibles para combinar con experimentos humanos, lo que hace que los vuelos parabólicos sean la única forma de investigar los verdaderos efectos del entorno de micro-g en un cuerpo sin viajar al espacio. [68] Los estudios de vuelo parabólico han proporcionado una amplia gama de resultados sobre los cambios en el sistema cardiovascular en un entorno de micro-g. Los estudios de vuelo parabólico han aumentado la comprensión de la intolerancia ortostática y la disminución del flujo sanguíneo periférico que sufren los astronautas que regresan a la Tierra. Debido a la pérdida de sangre para bombear, el corazón puede atrofiarse en un entorno de micro-g. Un corazón debilitado puede provocar un bajo volumen sanguíneo, presión arterial baja y afectar la capacidad del cuerpo para enviar oxígeno al cerebro sin que el individuo se maree. [69] También se han observado alteraciones del ritmo cardíaco entre los astronautas, pero no está claro si esto fue el resultado de condiciones preexistentes o un efecto del entorno de micro-g. [70] Una contramedida actual incluye beber una solución salina, que aumenta la viscosidad de la sangre y, posteriormente, aumentaría la presión arterial, lo que mitigaría la intolerancia ortostática al entorno posterior a la microgravedad. Otra contramedida incluye la administración de midodrina , que es un agonista adrenérgico alfa-1 selectivo . La midodrina produce constricción arterial y venosa que da como resultado un aumento de la presión arterial por reflejos barorreceptores . [71]

Efectos sobre organismos no humanos

Los científicos rusos han observado diferencias entre las cucarachas concebidas en el espacio y sus homólogas terrestres. Las cucarachas concebidas en el espacio crecieron más rápidamente y también se volvieron más rápidas y resistentes. [72]

Los huevos de gallina que se colocan en microgravedad dos días después de la fertilización parecen no desarrollarse adecuadamente, mientras que los huevos colocados en microgravedad más de una semana después de la fertilización se desarrollan normalmente. [73]

Un experimento del transbordador espacial de 2006 descubrió que la Salmonella typhimurium , una bacteria que puede causar intoxicación alimentaria, se volvía más virulenta cuando se cultivaba en el espacio. [74] El 29 de abril de 2013, los científicos del Instituto Politécnico Rensselaer, financiado por la NASA , informaron que, durante los vuelos espaciales en la Estación Espacial Internacional , los microbios parecen adaptarse al entorno espacial de formas "no observadas en la Tierra" y de formas que "pueden conducir a aumentos en el crecimiento y la virulencia ". [75]

En determinadas condiciones de prueba, se ha observado que los microbios prosperan en la casi ingravidez del espacio [76] y sobreviven en el vacío del espacio exterior . [77] [78]

Aplicaciones comerciales

La llama de una vela en condiciones orbitales (derecha) versus en la Tierra (izquierda)

Cristales de alta calidad

Si bien aún no es una aplicación comercial, ha habido interés en el crecimiento de cristales en micro-g, como en una estación espacial o un satélite artificial automatizado a través de la ingeniería de procesos de baja gravedad , en un intento de reducir los defectos de la red cristalina. [ 79] Estos cristales libres de defectos pueden resultar útiles para ciertas aplicaciones microelectrónicas y también para producir cristales para la posterior cristalografía de rayos X.

En 2017, se realizó un experimento en la ISS para cristalizar el anticuerpo monoclonal terapéutico Pembrolizumab , donde los resultados mostraron partículas de cristal más uniformes y homogéneas en comparación con los controles terrestres. [80] Estas partículas de cristal uniformes pueden permitir la formulación de terapias de anticuerpos más concentradas y de bajo volumen, algo que puede hacerlas adecuadas para la administración subcutánea , un enfoque menos invasivo en comparación con el método prevaleciente actual de administración intravenosa . [81]

  • Comparación de la ebullición del agua bajo la gravedad de la Tierra (1 g, izquierda) y en microgravedad (derecha). La fuente de calor se encuentra en la parte inferior de la fotografía.
    Comparación de la ebullición del agua bajo la gravedad de la Tierra (1 g, izquierda) y en microgravedad (derecha). La fuente de calor se encuentra en la parte inferior de la fotografía.
  • Una comparación entre la combustión de una vela en la Tierra (izquierda) y en un entorno de microgravedad, como el que se encuentra en la ISS (derecha).
    Una comparación entre la combustión de una vela en la Tierra (izquierda) y en un entorno de microgravedad, como el que se encuentra en la ISS (derecha).
  • Cristales de proteínas cultivados por científicos estadounidenses en la estación espacial rusa Mir en 1995.[82]
    Cristales de proteínas cultivados por científicos estadounidenses en la estación espacial rusa Mir en 1995. [82]
  • Comparación del crecimiento de los cristales de insulina en el espacio exterior (izquierda) y en la Tierra (derecha).
    Comparación del crecimiento de los cristales de insulina en el espacio exterior (izquierda) y en la Tierra (derecha).
  • Los líquidos también pueden comportarse de manera diferente que en la Tierra, como se demuestra en este vídeo

Véase también

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    "Jake Garn estaba enfermo, bastante enfermo. No sé si deberíamos contar historias como esa. Pero, en fin, Jake Garn ha dejado una marca en el Cuerpo de Astronautas porque representa el nivel máximo de enfermedad espacial que alguien puede alcanzar, y por eso la marca de estar totalmente enfermo y totalmente incompetente es un Garn. La mayoría de los chicos llegarán tal vez a un décimo Garn, si es que llegan a esa cifra. Y dentro del Cuerpo de Astronautas, siempre será recordado por eso".

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La definición del diccionario de gravedad cero en WikcionarioMedios relacionados con la ingravidez en Wikimedia Commons

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  • Cómo funciona la ingravidez en HowStuffWorks
  • NASA - SpaceResearch - Investigación en fisiología humana y la Estación Espacial Internacional: cómo mantenerse en forma durante el viaje
  • "¿Por qué los astronautas no tienen peso?" Explicación en vídeo de la falacia de la "gravedad cero".
  • Descripción general de las aplicaciones y métodos de microgravedad
  • Crítica de los términos “Gravedad Cero” y “Microgravedad”, una persuasión para utilizar una terminología que refleje una física precisa (publicación en sci.space).
  • Colección de microgravedad, Archivos y colecciones especiales de la Universidad de Alabama en Huntsville
  • Investigación en biología espacial en el Centro de Investigación AU-KBC
  • Jhala, Dhwani; Kale, Raosaheb; Singh, Rana (2014). "La microgravedad altera el crecimiento y la progresión del cáncer". Objetivos actuales de los fármacos contra el cáncer . 14 (4): 394–406. doi :10.2174/1568009614666140407113633. PMID  24720362.
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