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Der Deep-Space-Anzug

2021

Als der Alarm losgeht, ist er wieder auf den Beinen und hofft, der Rover würde nicht filmen, aber er weiß, dass es so war - dass sein erstes Gesicht auf der Oberfläche von Phobos für die Nachwelt aufgezeichnet wurde. Das Glasfaser-Display des Visiers blinkt unheilvoll: Anzugbruch. Sein Körper oder ein kleiner Teil davon war dem rauen, luftleeren Vakuum eines Marsmondes ausgesetzt.

Ein Astronaut kann auf viele Arten sterben, aber die Dekompression ist eine der grausamsten. Ein durchstochener Raumanzug bedeutet einen Wettlauf zum Heiligtum, bevor die Hülle aus reinem Sauerstoff, die den Körper umgibt, wegblutet und die Person durch Hypoxie schwarz wird. Schneller Druckverlust ist nicht explosiv, aber hässlich: Wasser im Körper beginnt zu verdampfen und versucht zu entweichen, die Lunge kollabiert und die Zirkulation wird unterbrochen.

Niemand stirbt heute, jedenfalls nicht auf Phobos. Der Anzug, den er trägt, ist kein Druckballon. Eigentlich ist es umgekehrt - ein Druckanzug mit einem Gitter aus Smart-Memory-Legierungen, das ihn an den Körper bindet und ein Sauerstoffkissen durch direkten mechanischen Gegendruck ersetzt. Das Ergebnis ist körperbetont und wendig; Die Bewegung erfordert weniger Energie und erhöht die Reichweite eines Astronauten zu Fuß. Und im Falle eines Bruchs bleibt der Anzug funktionsfähig: Er kann an Ort und Stelle mit einer Ace-Bandage versehen werden, deren Formgedächtnislegierungen festziehen, um die Verletzung abzudichten.

Bis der Patch installiert ist, haben die Alarme aufgehört. Epidermale Biosensoren und Pfadplanungsalgorithmen haben den Treck des Astronauten über die Oberfläche von sechs Meilen auf etwas mehr als vier Kilometer verkürzt. Er wird die Missionskontrolle anrufen, um gegen diese Abkürzung zu argumentieren, wenn sich seine Herzfrequenz beruhigt. Ein böser Bluterguss wird ihn nicht töten. Und er reiste nicht 100 Millionen Meilen von zu Hause weg, um jetzt umzukehren.

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Damit Menschen weiter in das Sonnensystem vordringen können - zu einem Asteroiden, zu einem Marsmond oder sogar zum Mars selbst -, benötigen sie einen neuen Raumanzug: einen, der es ihnen ermöglicht, durch den Weltraum zu reisen und sich problemlos über fremde Oberflächen zu bewegen und überleben eine Vielzahl von potenziell tödlichen Gefahren. "Wenn ein kleines Loch in einem Anzug mit Gasdruck auftaucht, ist dies ein großer Notfall. Mission beendet, kehren Sie so schnell wie möglich in Ihren sicheren Hafen zurück", sagt Dava Newman, Ingenieur für Luft- und Raumfahrt-Biomedizin und Direktor des MIT Technology and Policy Program.

Sogar die anspruchsvollsten Anzüge von heute sind auf eine erdnahe Umlaufbahn beschränkt - und einer wurde nie entwickelt, um das Raumschiff zu verlassen. Die NASA begann nach der Challenger- Katastrophe 1986 mit der Verwendung des Advanced Crew Escape Suit (ACES), um Shuttle-Astronauten während des Starts und des Wiedereintritts zu schützen. Aber es war kaum einsatzfähig. Da die Steuerungen des Shuttles nicht für einen angemessenen Betrieb ausgelegt waren, flogen die Piloten routinemäßig ohne sperrige Handschuhe, sodass sie für ein schnelles Druckleck anfällig waren. Das Lebenserhaltungssystem des Anzugs war ein Ad-hoc-System, bei dem die Schläuche in der gesamten Kabine abgeklebt waren. Nach dem Ende des Shuttle-Programms tragen die Astronauten das russische Pendant zum 1973 eingeführten ACES.

Der andere Anzug der NASA, die Extravehicular Mobility Unit (EMU), ist weniger ein Kleidungsstück als ein Raumschiff für mehrere Millionen Dollar, das mit flüssigkeitsgekühlten Leitungen ausgestattet ist. Sie wurde bei Weltraumspaziergängen getragen und berührte erstmals 1983 die Leere. Die meisten Stoffe waren während des Kalten Krieges auf dem neuesten Stand der Technik. Obwohl der Hersteller des Anzugs, ILC Dover, mit selbstheilenden Polymeren experimentiert hat und die NASA die Entwicklung fortschrittlicher Materialien wie Aerogele für ultradünne Wärmedämmung vorangetrieben hat, sind diese Technologien noch nicht in die EWU übergegangen.

Die nächste Ära der Raumfahrt sollte nicht mit Hand-me-downs zu tun haben, nicht mit der Fülle an Materialien und Designs, die in Laboren auf der ganzen Welt inkubiert werden. Mit der bevorstehenden privaten Übernahme von orbitalen und suborbitalen Starts und dem ersten Nachhall eines Mandats, Menschen auf dem Mars zu landen, werden viel mehr Menschen in den Weltraum fliegen, von denen einige weite Strecken zurücklegen. Sie verdienen Anzüge, die sie nicht nur schützen, sondern auch ihren Ambitionen gerecht werden.

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Die ersten neuen Anzüge werden optimierte Nachfolger von ACES sein, nur sind sie nicht für Flugkörper mit stählernen Augen gedacht, sondern für eine neue Gruppe von Piloten und Passagieren, die Hunderttausende von Dollar bezahlt haben, um in den Weltraum gebracht zu werden. Diese als intravehikuläre Aktivität oder Startanzüge bezeichneten Drop-Down-Sauerstoffmasken der Raumfahrtindustrie sind Geräte, deren wahre Funktionalität die Druckbeaufschlagung und ein gewisses Maß an Lebenserhaltung umfasst Tritt in Notfällen ein.

In seinem ursprünglichen Vertrag mit einem Anzughersteller hat SpaceX festgelegt, dass das Druckkleidungsstück „badass“ aussehen muss. Da Designer zum ersten Mal mit Kunden außer der NASA zu tun haben, sind sie gezwungen, sich neuen Herausforderungen zu stellen. In einem anfänglichen Vertrag mit dem Anzughersteller Orbital Outfitters hat SpaceX festgelegt, dass das Druckkleidungsstück wie "badass" aussehen muss. In Regierungsverträgen ist eine solche Aussage nicht enthalten, sagt Chris Gilman, Chefdesigner bei Orbital Outfitters. "Ich liebe es." Es gibt jedoch Hindernisse für die Gestaltung von Raumanzügen: Ein Startanzug ist unpraktisch, ein übergroßes, einteiliges Kleidungsstück mit starren Schnittstellen für Helm und Handschuhe und genügend Platz, um sich unter Druck basketballartig aufzublasen Insbesondere auf dem Sitz, damit ein Astronaut nicht aufstehen muss, plant Gilman, diesem "baggy butt" mit taktischen Nähten entgegenzuwirken. Ted Southern, Mitbegründer von Final Frontier Design, sicherte sich die Anschubfinanzierung für sein 3G Über die Crowd-Funding-Plattform von Kickstarter kann man Muster verwenden, da Modedesigner immer die Passform verbessern müssen. "Ich denke ehrlich, das ist der Schlüssel, den er sagt. "Je anthropomorpher es ist, desto cooler sieht es aus."

Das ist das neue Geschäft mit dem Design von Raumanzügen: Um die Bedürfnisse von gewerblichen Kunden zu befriedigen, ob es nun darum geht, die Überlebensfähigkeit in ein Svelter-Paket zu packen oder neue, kostensparende Innovationen bei der Struktur- und Materialauswahl zu finden. Der 3G-Anzug, dessen erster bereits im Januar an das spanische Luft- und Raumfahrtunternehmen zero2infinity ausgeliefert werden soll, eliminiert einige Metallkomponenten. Final Frontier erwägt, andere durch Hochleistungskunststoff zu ersetzen. Für den IS3-Anzug, den Orbital Outfitters XCOR Aerospace zur Verwendung in seinem suborbitalen Zweisitzer zur Verfügung stellt, untersucht Lynx das Unternehmen Einwegelemente. Komponenten wie die Blasenschicht, die den Anzug versiegelt, könnten vor jedem Start ausgetauscht werden.

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Um über die Umlaufbahn der Erde hinauszugehen, benötigen Astronauten mehr als einen neuen Startanzug. Sie brauchen einen Allzweckanzug für die Erkundung. Die NASA hat kürzlich ihren Z-1-Anzug vorgestellt, den ersten in einer Reihe von Testbed-Designs. Der Z-1 enthält Lager in den Gelenken, die ihn weitaus mobiler machen als das derzeitige Modell für extravehikuläre Aktivitäten (EVA), die WWU. Es verfügt auch über eine rückwärtige Einstiegsöffnung, die den Anzug in eine eigene Luftschleuse verwandeln kann, sodass er an der Seite eines Lebensraums angedockt werden kann, um eine Verfolgung in aggressivem Mond-Regolith oder korrosivem Marsboden zu vermeiden. Als nächstes wird die Agentur mit der Arbeit an der Z-2 beginnen und die besten Eigenschaften dieser beiden Anzüge werden in die Z-3 gefaltet. Wenn alles nach Plan verläuft, wird der erste Weltraumspaziergang der Z-3 von der Internationalen Raumstation bis 2017 beginnen.

Unabhängig davon, welche Eigenschaften der Z-3 in die Umlaufbahn bringt, wird er wahrscheinlich nicht die zukunftsweisendsten Materialien von heute enthalten oder den größten Nachteil von EVA-Anzügen beheben: Es handelt sich um menschlich geformte Luftschiffe, die mit ausreichend Sauerstoff gefüllt sind, um einen überlebensfähigen Druck aufrechtzuerhalten. Während der Bewegung verbrennen Astronauten 75 Prozent ihrer Energie, indem sie gegen ihre eigenen Kleidungsstücke kämpfen, ihre riesigen Gliedmaßen aus Ballontieren in Beugung und Streckung versetzen, und nur 25 Prozent für die eigentliche Erkundung.

Newman vom MIT will dieses Verhältnis umkehren. Seit 1999 entwickelt sie den BioSuit, einen Raumanzug, der die gasgefüllte Druckbeaufschlagung durch ein anderes System ersetzt: den mechanischen Gegendruck (MCP). Anstatt einen schützenden Luftpuffer einzupumpen, übt MCP eine gleichmäßige Ganzkörperpressung aus und reproduziert durch mechanische Kraft einen ausreichenden atmosphärischen Druck. Der resultierende Anzug würde sich mit nur 25 Prozent der Energie eines Astronauten leichter bewegen. Es wäre auch weitaus langlebiger, da der mechanische Gegendruck im Falle einer Verletzung leicht wiederhergestellt werden könnte.

Astronauten benötigen einen Anzug, der sich mit der Oberfläche eines Asteroiden und einem Staubsturm auf dem Roten Planeten auseinandersetzen kann. Um MCP zu verwirklichen, benötigt Newman ein neues Material, das sich eng an die komplexen Kurven der menschlichen Physiologie anpasst auch der Bewegung nachgeben. "In den letzten Jahren untersuchten wir 14 Kandidatentechnologien, die sie sagt." Jetzt sind es nur noch drei. "Eine Option sind dielektrische Elastomere, die sich durch elektrischen Strom ausdehnen oder zusammenziehen und dabei als stromsparend wirken Aktuatoren: Ein weiterer Begriff sind Formgedächtnislegierungen
für flexible Metalle, die ihre ursprüngliche Form und Eigenschaften wiedererlangen können. Newmans Team konzentriert sich auf das Flechten mehrerer Legierungen, einschließlich der Nickel-Titan-Mischung Nitinol, die sich aufgrund von Temperaturverschiebungen verformt und neu formt.

"Ich denke, wir haben die technische Machbarkeit bewiesen", sagt Newman. "Sie schätzt, dass sie mit ein paar Millionen Dollar pro Jahr die Technologie in drei bis fünf Jahren zu einem echten Anzug ausbauen kann."

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Die Hürden, die einer bemannten Weltraummission im Wege stehen, sind gewaltig: Ein Antrieb, der eine wirtschaftliche Reise zum Mars ermöglicht, einem Raumschiff, das seine Besatzung während des ganzjährigen Fluges vor tödlichen galaktischen kosmischen Strahlen schützen kann. Es wird nicht das nächste Jahr oder wahrscheinlich sogar das nächste Jahrzehnt sein, aber wenn der Tag für weitreichende Weltraumerkundungen kommt, brauchen Astronauten einen Anzug, der einer Reihe von Umgebungen standhält, von der toten Oberfläche eines rasenden Asteroiden bis hin zu Staub Sturm auf dem Roten Planeten. Um es zu bauen, benötigen Designer ein Arsenal neuer Materialien, die jeweils eine neue Fähigkeit verleihen.

Überall im Anzug angebrachte leitfähige Nanodrähte und elektroaktive Polymere könnten Energie aus den Bewegungen des Astronauten gewinnen und das Visier des Druckhelms in ein durchscheinendes Glasfaser-Head-up-Display verwandeln. Lokale Karten und voreingestellte Routen, die dem Visier überlagert sind, können mit Sprachbefehlen ein- und ausgeschaltet werden. Andere Daten stammen möglicherweise von epidermalen Biosensoren, die durch Algorithmen gefiltert wurden, die eine langsamere Geschwindigkeit empfehlen, um die Energie- und Luftversorgung zu optimieren. Sogar Ingenieure, die skeptisch gegenüber der Realisierung von Ganzkörper-MCP sind, können sich schon bald begrenzte Anwendungen vorstellen, wie z. B. gasfreie Handschuhe.

Je nach Ziel können Designer andere Komponenten austauschen. Ein Anzug, der auf einen Asteroiden zusteuert, hat möglicherweise Stiefelsohlen, die den gleichen Trockenhaftungseffekt wie Geckohaut nutzen und es ihnen ermöglichen, unter nahezu allen Bedingungen, einschließlich der Schwerelosigkeit auf einem sich schnell drehenden Himmelskörper, an Oberflächen zu haften. Stabilisatoren, die im Draper Laboratory entwickelt werden, könnten an Armen und Beinen eines Anzugs angebracht werden: Miniaturisierte Gyroskope mit winzigen sich drehenden Scheiben würden Widerstand leisten, um den Eindruck der Erdschwerkraft zu erwecken und möglicherweise die Desorientierung bei Null-G zu verringern.

Mars stellt seine eigenen Herausforderungen, einschließlich Temperaturen, die von 70 ° F bis –225 ° F schwanken. "Auf dem Mars gibt es Jahreszeiten", sagt Amy Ross, Raumanzug-Ingenieurin bei der NASA, die an der Z-1 beteiligt ist. "Vielleicht brauchen Sie sogar Ihre leichte Frühlingsjacke und Ihren schweren Wintermantel." Während Ross sich vorstellt, herausnehmbare Ganzkörper-Overalls von zu liefern Newman drängt auf einen wirklichen Überzug - ein Kleidungsstück mit Aerogel-Schicht, das nur wenige Millimeter dick ist und mit ausreichend gasimprägnierter Isolierung den schlimmsten Mars-Temperatureinbrüchen standhält. Eine von ILC Dover entwickelte, von Lotusblättern inspirierte Beschichtung Dies ahmt die rutschigen, selbstreinigenden Eigenschaften der Anlage nach und könnte die Staubmenge begrenzen, die in Fahrzeuge und Einrichtungen gelangt.

Final Frontier strebt nach nanostrukturierten oder pulverförmigen Verbindungen für eine leichte, flexible Abschirmung gegen Strahlung - eine der größten Herausforderungen für zukünftige Anzüge. Extravehicular Anzüge haben derzeit keinen Strahlenschutz, was die NASA dazu zwingt, die Anzahl der Weltraumspaziergänge während der Karriere eines Astronauten zu begrenzen.

Gilman von Orbital Outfitters weist darauf hin, dass Raumanzüge mit unsichtbaren Feinheiten gefüllt sind: "Jede Unze Masse und jede mögliche Wechselwirkung zwischen Materialien erhöht die Komplexität eines Systems, das bereits verblüffend kompliziert ist. Dennoch ist dies die Zukunft des Raums Anzug könnte keine schrittweise Aufrüstung auf Apollo-Ausrüstung sein, aber das Beste, was mehrere Forschungsfronten zu bieten haben: Die Fähigkeit der Astronauten, das Sonnensystem wirklich zu erforschen, wird von den Materialingenieuren bei festgelegt Einige dieser Materialien funktionieren möglicherweise nie im Weltraum, aber diejenigen, die dies bewirken, können den Unterschied zwischen ein paar Schlurfen, symbolischen Schritten und einem Rundgang im Wert von 100 Millionen Meilen bedeuten.

Erik Sofge schreibt aus Massachusetts über Wissenschaft, Technologie und Kultur.

Einen detaillierten Blick auf den Raumanzug der Zukunft finden Sie auf der nächsten Seite.

Damit Astronauten den Weltraum erkunden können, müssen Anzüge schlanker, schlauer und weitaus wendiger sein. Viele der Materialien, die dies ermöglichen könnten, befinden sich derzeit in Labors.
»Elbert Chu

Individuelle Passform
Anstelle der Gasdruckbeaufschlagung können in zukünftigen Anzügen Formgedächtnislegierungen verwendet werden, wie beispielsweise ein Gewebe aus Nitinoldraht, das von Mid® Technology aus Boston hergestellt wird, um einen gleichmäßigen mechanischen Gegendruck aufzubringen. Die Legierung würde mit Wärme behandelt, um den Astronauten nach dem Anziehen ihrer Anzüge einen festen Sitz zu verleihen, sie würde sich aber auch der Bewegung anpassen.

Augmented Vision
Astronauten blicken heute durch Plastik; Zukünftige Visiere könnten aus einer klaren Keramik namens ALON bestehen, die dünner als Panzerglas und dreimal so stark ist. Ein Heads-up-Display von Lumus Optical, das von F-16-Piloten verwendet wird, könnte als vollfarbiges Display, das Licht mit optischen Prismen zu den Augen lenkt, zu Weltraumhelmen migrieren.

Schaumpuffer
Konkave Körperbereiche erfordern möglicherweise ein anderes Formgedächtnismaterial, um den Gegendruck des Anzugs zu regulieren. Das Syracuse Biomaterials Institute hat die Basis für diese Technologie entwickelt: Kohlenstoff-Nanofasern, die bei Aktivierung durch Elektrizität Wärme erzeugen, die dazu führen kann, dass sich der Schaum zu einer vorgegebenen Form ausdehnt.

Kühlsystem
Gegenwärtige Anzüge zirkulieren Wasser durch 300 Fuß Schläuche, um Körperwärme abzuleiten. Purdue
Die Ingenieure der Universität haben eine Technologie entwickelt, mit der die Röhren isoliert und gleichzeitig Strom erzeugt werden kann: Glasfasern (künftig Polymere), die mit thermoelektrischen Nanokristallen beschichtet sind, die Wärme absorbieren und Elektrizität abgeben.

Schutzhülle
Ein falscher Druck durch mechanischen Gegendruck kann lebenswichtige Organe verletzen. Eine starre, voll unter Druck stehende Hülle würde Schutz bieten, ohne die Bewegung eines Astronauten einzuschränken. Um den Platzbedarf zu minimieren und die Kontaktpunkte zwischen harten und weichen Materialien angenehm zu halten, wird jede Schale 3-D-bedruckt, um sie an den Benutzer anzupassen.

Selbstheilende Handschuhe
Bisher ist die beste Verteidigung gegen einen zerrissenen Anzug oder Handschuh, ihn mit stärkeren Schichten zu verstärken. Ingenieure von ILC Dover untersuchten einen besseren Ansatz: Integrieren Sie selbstheilende Materialien wie Polymere, die in mikroverkapselte Chemikalien eingebettet sind. Wenn die Kapseln platzen, schäumen die Chemikalien und heilen den zerrissenen Anzug.

Extreme Isolierung
Kieselsäureaerogele, die zu etwa 95 Prozent aus Luft bestehen, könnten gegen starke Temperaturschwankungen isolieren. Durch die Beschichtung eines Silica-Nanoskeletts mit einem flexiblen Polymer hat ein Team an der Universität Akron Aerogele langlebig und flexibel genug für den Weltraum gemacht. Eingebetteter Wasserstoff kann auch gefährliche Strahlungswerte blockieren.

Künstliche Schwerkraft
Längerer Kontakt mit niedriger Schwerkraft führt zu Knochenschwund und Muskelschwund, den Astronauten durch tägliches Training von 2, 5 Stunden abwehren. Am Draper Laboratory entwickelte Geräte könnten Fitness in Raumanzüge integrieren. An Armen und Beinen angebrachte Gyroskope könnten einen der Schwerkraft auf der Erde ähnlichen Widerstand leisten.

Haftfestigkeit
Ein an der University of Massachusetts hergestellter Trockenklebstoff, der strategisch auf Raumanzügen platziert wird, könnte Astronauten dabei helfen, an Oberflächen und Werkzeugen festzuhalten. Das Gewebe aus Kohlefaser und Kevlar imitiert die Haut- und Sehnenstruktur von Geckofüßen und verleiht ihm eine beispiellose Festigkeit - und löst sich dennoch leicht von Oberflächen.

Extra Power
Die Batterien, die Lebenserhaltungssysteme antreiben, müssen wiederholt aufgeladen werden. Zinkoxid-Nanodrähte, die an der Michigan Technological University entwickelt werden, können Bewegung in Elektrizität umwandeln. Das Einbetten derartiger piezoelektrischer Drähte über Knie und Ellbogen in das Gewebe könnte eine wertvolle räumliche Redundanz bewirken.

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