Traje de contrapresión mecánica

Un traje de contrapresión mecánica (MCP) , traje de presión parcial , traje de compresión directa o traje de actividad espacial ( SAS ) es un traje espacial experimental que aplica una presión estable contra la piel por medio de prendas elásticas ajustadas a la piel. El SAS no se infla como un traje espacial convencional: utiliza presión mecánica, en lugar de presión de aire, para comprimir el cuerpo humano en entornos de baja presión. El desarrollo fue iniciado por la NASA y la Fuerza Aérea a fines de la década de 1950 y luego nuevamente a fines de la década de 1960, pero no se utilizó ningún diseño. Se está realizando una investigación en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) sobre un sistema de "Bio-Suit" que se basa en el concepto original del SAS. ^[1]

El cuerpo humano puede sobrevivir brevemente a la exposición al duro vacío del espacio sin protección, ^[2] a pesar de las descripciones contrarias en algunas ficciones de ciencia ficción populares . La piel humana no necesita ser protegida del vacío y es hermética a los gases por sí misma. La carne humana se expande hasta aproximadamente el doble de su tamaño en tales condiciones, dando el efecto visual de un fisicoculturista en lugar de un globo sobrecargado. Esto se puede contrarrestar mediante una contrapresión mecánica de una prenda diseñada adecuadamente. La conciencia se mantiene hasta 15 segundos mientras se instalan los efectos de la falta de oxígeno . Para contrarrestar esto se requiere un casco para contener los gases respiratorios y proteger los oídos y los ojos. ^[3] Estos efectos se han confirmado a través de varios accidentes en condiciones de gran altitud, el espacio exterior y cámaras de vacío de entrenamiento. ^{[4] [2]}

El enfriamiento del astronauta con un SAS generalmente se logra con la evaporación de la transpiración corporal que se emite desde el traje en todas las direcciones. El agua, las sales y las proteínas pueden depositarse en los componentes ópticos y otras superficies sensibles, lo que provoca daños o degradación. Esto puede limitar la utilidad de un SAS. En el caso de los trajes espaciales inflados utilizados en el transbordador espacial , la Estación Espacial Internacional y el programa Apolo , el enfriamiento se logró en el sistema de soporte vital primario mediante la sublimación de agua en el vacío.

En 1959, Hans Mauch estaba trabajando en prendas interiores "transpirables" para el traje espacial Mercury cuando se le ocurrió la idea de una forma de construir un diseño de contrapresión mecánica. El equipo de Mauch se dio cuenta de que las espumas de celdas cerradas , que atrapan el gas dentro de su estructura, se expanden cuando se reduce la presión exterior. Al contener la espuma dentro de una capa exterior que no se expande, ejercería una presión cada vez mayor sobre el cuerpo a medida que la presión disminuyera. Esto pareció permitir un diseño que ofrecería una movilidad mucho mejor que el diseño casi rígido de Mercury. ^[5]

A finales de 1959, la Fuerza Aérea de los Estados Unidos le concedió a Mauch Laboratories un contrato para desarrollar un modelo funcional, como parte de los esfuerzos secretos de la Fuerza Aérea por desarrollar el X-20 Dynasoar . El programa duró hasta 1962, tiempo durante el cual la NASA se había sumado al esfuerzo. El traje se construyó con una capa de espuma intercalada entre dos capas de tela, la interior contra la piel del usuario (o ropa interior) para proporcionar soporte mecánico, y la exterior para proporcionar contención. Un casco separado y voluminoso proporcionaba presión y gases respirables. Al igual que la ropa interior que Mauch estaba desarrollando para Mercury, el control térmico se proporcionaba mediante la transpiración directa del sudor a través de la tela. El traje resultante era casi tan voluminoso como el diseño original de Mercury, excluyendo el gran casco. ^[5]

Las pruebas de vacío extendidas se llevaron a cabo con éxito, pero el traje demostró tener menos movilidad de lo esperado y se abandonó el desarrollo posterior. ^[5]

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La introducción de tejidos mejorados dio lugar al concepto de Paul Webb de una nueva forma de construir un SAS. ^[6] Se contrataron más trabajos para probar varios conceptos de diseño. Entre 1968 y 1971 se construyeron diez diseños de creciente sofisticación, lo que finalmente dio lugar a una serie de pruebas exitosas en cámaras de vacío. La prueba más larga duró dos horas y cuarenta y cinco minutos.

Las pruebas fueron un éxito: la viabilidad de un traje espacial mecánico de contrapresión quedó demostrada de manera concluyente. La energía necesaria para moverse era considerablemente menor que la de los diseños convencionales, lo que supuso una mejora importante para las caminatas espaciales de larga duración. Las pruebas de perforación demostraron que hasta un milímetro cuadrado de piel podía quedar expuesto directamente al vacío durante períodos prolongados sin efectos permanentes. Una perforación similar en un traje convencional daría como resultado una pérdida de presión y de aire respirable. Pesaba la mitad que el traje de presión principal que usaron los astronautas de la NASA para el Proyecto Apolo , el A7L .

También surgieron una serie de problemas, principalmente relacionados con el problema de mantener el traje en fuerte contacto mecánico en cada punto del cuerpo. Las concavidades o pequeños pliegues en el tejido podían provocar la acumulación de líquido en los huecos; la zona de la ingle resultó extremadamente difícil de adaptar con éxito. Para corregir esto, se insertaron pequeñas almohadillas de espuma de poliuretano en las concavidades y se logró con éxito en la mayoría de las áreas problemáticas. Los trajes tenían que ser hechos a medida de cada individuo, aunque lo mismo sucedía con todos los trajes espaciales de la época. La mayor dificultad era ponerse y quitarse el traje. Para proporcionar de manera efectiva la presión mínima de 0,3 bares (4,4  psi ) necesaria para la fisiología humana, el traje tenía que ser extremadamente ajustado, lo que hacía que ponérselo y quitárselo fuera una tarea muy extenuante.

En 1971, Webb, junto con James F. Annis, publicó sus hallazgos en un informe. ^[7] El informe seguía siendo positivo y los investigadores creían que era posible realizar más mejoras. Citando el informe:

En conclusión, el SAS en su actual etapa de desarrollo protegerá al hombre de los efectos del ambiente de vacío, en una prenda que permite una mejor movilidad y movimientos naturales del cuerpo. Desde el punto de vista fisiológico, el enfoque es sólido y, aunque quedan muchos problemas por resolver, son principalmente de naturaleza mecánica. Se ha sugerido que la solución de los problemas mecánicos, combinada con una confección cuidadosa basada en análisis biomecánicos, más el desarrollo de tejidos elásticos específicos, podría conducir eventualmente a una versión del SAS apta para el espacio.

El diseño original de SAS se basaba en dos nuevos tejidos: un tipo de "powernet" (o "tejido de faja") para las zonas de alta tensión y un tejido elástico de bobbinet para las zonas de menor tensión. Ambos se basaban en un hilo de urdimbre elástico pesado con un hilo de trama mucho menos elástico para formar una red. Los términos urdimbre y trama se utilizan aquí de forma imprecisa, ya que el material no se tejía con medios tradicionales. Powernet utilizaba un cordón de spandex como urdimbre con un cordón de nailon como trama, lo que permitía el movimiento principalmente a lo largo del eje de la urdimbre. Bobbinet utilizaba urdimbre de caucho envuelta en algodón y trama de nailon o dacrón , y era flexible en ambas direcciones. La envoltura de algodón limitaba el estiramiento máximo al 200% de la longitud restante. La cantidad de sobrepresión que podía crear bobbinet era de aproximadamente 0,02 bares (0,29 psi) sobre el torso, el volumen más grande, y hasta 0,053 bares (0,77 psi) sobre curvas de radio más pequeñas en las muñecas y los tobillos. Powernet puede producir aproximadamente 0,067 bares (0,97 psi) incluso en el torso. Se necesita un mínimo de 0,17 bares (2,5 psi) para una respiración normal.

Se utilizaron varias capas y parches de los dos materiales para controlar la presión mecánica general alrededor del cuerpo. Empezando por la piel, se utilizó una "capa deslizante" de powernet ligero para permitir que las capas externas se deslizaran sobre la piel sin unirse. Debajo de esta capa se colocaron varias almohadillas de espuma en varias concavidades del cuerpo para mantenerlas en contacto con el traje. Encima de esto estaba la vejiga de contrapresión, parte del sistema de respiración. Encima de esto había hasta seis capas adicionales de powernet sobre el tronco con brazos y piernas de bobbinet, o prendas completamente de bobbinet que cubrían solo el tronco. Las prendas se ponían como un mono normal con una gran cremallera que cerraba la parte delantera, con cordones adicionales en algunos puntos para ayudar a cerrar la prenda. Las cremalleras en capas alternas estaban desplazadas.

El sistema de respiración a presión positiva constaba de tres partes principales: el casco presurizado, la vejiga de respiración y el sistema de almacenamiento en una mochila. La vejiga y el casco estaban conectados entre sí para bombear aire fuera de la vejiga y sobre el torso cuando el usuario inhalaba, lo que reducía la cantidad de presión en el pecho del usuario. El casco se aseguraba mediante una prenda no elástica de tela Nomex que envolvía el pecho y las axilas, y mediante las capas elásticas por encima y por debajo de él.

El Bio-Suit es un traje espacial experimental que se está construyendo en el Instituto Tecnológico de Massachusetts bajo la dirección del profesor Dava Newman , con el apoyo del Instituto de Conceptos Avanzados de la NASA . Similar al SAS en concepto, el BioSuit aplica avances en ingeniería y medición ^{[ ¿cuáles? ]} para producir una versión simplificada del diseño del SAS. ^[8]

Newman ha trabajado extensamente en biomecánica , especialmente en el campo de la medición computarizada del movimiento humano. Al igual que con los trajes llenos de gas, Newman ha utilizado el principio de " líneas de no extensión ", un concepto originado por Arthur Iberall en un trabajo que se remonta a fines de la década de 1940, para colocar los elementos de tensión a lo largo de las líneas del cuerpo donde la piel no se estira durante la mayoría de los movimientos normales.

La estructura primaria del BioSuit se construye colocando cordones elásticos a lo largo de las líneas de no extensión. De esta manera, cualquier presión que proporcionen será constante incluso cuando el usuario se mueva. De esta manera, pueden controlar la contrapresión mecánica que aplica el traje. El resto del traje se construye a partir de spandex que se encuentra entre los cordones de presión primarios. En 2005, el equipo de Bio-Suit había construido al menos tres prototipos de la parte inferior de la pierna utilizando diferentes materiales, incluidos nailon-spandex, elástico y espuma pintada con uretano. ^[9] En un diseño experimental, se utilizó tela de kevlar entre los cordones para las áreas donde la expansión era limitada. Se ha construido al menos un traje de cuerpo entero para Newman, que ha usado para numerosas sesiones fotográficas; se desconoce si el traje completo cumple con los mismos estándares de contrapresión para los que se diseñaron los prototipos de la parte inferior de la pierna. Cada traje tiene que ser personalizado para el usuario, pero la complejidad de esta tarea se reduce mediante el uso de escáneres láser de cuerpo entero.

El resultado es una versión de una sola capa del SAS; es más ligero que el original y más flexible, lo que permite un movimiento más natural y reduce el coste energético del movimiento. Las versiones de partes del BioSuit han alcanzado sistemáticamente los 0,25 bares (3,6 psi), y el equipo está actualmente ^{[ ¿cuándo? ]} apuntando a los 0,3 bares (4,4 psi). Como la contrapresión mecánica ha resultado difícil para las articulaciones pequeñas como las de las manos, el diseño básico del BioSuit utiliza guantes y botas llenos de gas, además de un casco lleno de gas. ^[10]

Una variante posterior del biotraje emplea bobinas de aleación con memoria de forma (SMA) activadas por calor. ^[11] En este diseño, el traje se ajusta de forma suelta al cuerpo cuando se coloca inicialmente. Cuando se coloca un módulo de energía, las bobinas en forma de resorte en el traje se contraen para ajustar la forma del traje al cuerpo. El diseño de la bobina se definió con más detalle en un artículo en la revista IEEE/ASME: Transactions on Mechatronics. ^[12] En 2008, se informó que el Biotraje tenía el potencial de estar listo para su uso en misiones a Marte en un futuro cercano. ^{[13] [14]}

A partir de 2019, se ha realizado una mejora adicional con la adición de tubos de boro nucleados, ^{[ aclaración necesaria ]} que pueden proteger al usuario del traje de la radiación presente en el espacio y en las superficies de la Luna y Marte. Según Cathy Lewis, del Museo Nacional del Aire y el Espacio , "puede que no sea el próximo traje, pero será uno de los siguientes", lo que indica que el desarrollo sigue activo y centrado en futuras misiones a la Luna y Marte. ^[15]

Escritores como Dan Simmons , Stephen Baxter , Larry Niven y Spider y Jeanne Robinson han hecho uso de trajes espaciales de actividad en sus historias. El potencial de una mayor movilidad y una operación más sencilla con un traje espacial de actividad lo convierten en una opción atractiva para la ficción, donde la flexibilidad de uso puede ser una bendición para el desarrollo de la trama. Las cualidades estéticas de un elegante traje espacial de actividad ajustado también contrastan con la imagen tradicional de los trajes espaciales rígidos estilo traje de buceo, lo que le da un aspecto futurista a los disfraces. La mayoría de los animes con temas futuristas incluyen el traje espacial ajustado (con la notable excepción de Planetes y, en menor medida, la franquicia Gundam ). En la trilogía Mars de Kim Stanley Robinson, un traje similar a este se conoce como "caminante" y está destinado exclusivamente para su uso en el entorno marciano. En el cuarto libro de la serie Jumper de Steven Gould, el desarrollo de un traje mecánico de contrapresión es parte integral de la trama principal. ^[16]

• Nave espacial para una sola persona

• Webb, Paul. "El traje espacial: un leotardo elástico para actividades extravehiculares". Aerospace Medicine , abril de 1968, págs. 376-383.

• Trafton, Anne (16 de julio de 2007). "Un gran paso adelante para la moda espacial: el equipo del MIT diseña un traje espacial elegante y ajustado". MIT News . Archivado desde el original el 9 de agosto de 2007.
• El traje de actividad espacial: un leotardo elástico para actividades extravehiculares, artículo original de 1968 (formato Microsoft DOC)
• Desarrollo de un traje de actividad espacial, informe del contratista de la NASA de 1971, NASA CR-1892, en formato PDF
• Efectos fisiológicos de un traje mecánico de contrapresión, archivo PDF