Sopravvivere nello spazio

1. Gravità

Se ci si trova su un mezzo in orbita attorno alla Terra o se si viaggia a velocità costante verso Marte nello Spazio interplanetario, si ha la sensazione di assenza di peso.

In verità, continuiamo a essere soggetti alla gravità, che però non ci fa sentire pesanti, e gli effetti collaterali sono molteplici.

Per esempio, l’orecchio interno non contribuisce più al senso dell’equilibrio e la ridistribuzione dei liquidi corporei fa sì che il viso si gonfi e i globi oculari si deformino.

Ma la vera preoccupazione è data dagli effetti a lungo termine. Senza il carico della gravità, lo scheletro perde calcio e diventa fragile (come nell’osteoporosi). I muscoli, in particolare quelli che devono sostenere la spina dorsale e mantenerci in posizione eretta, si deteriorano e atrofizzano.

Il cuore, inoltre, non dovendo pompare il sangue verso l’alto, si indebolisce. Finché si rimane in assenza di peso, tutto ciò non costituisce un grosso problema – anzi, in un certo senso il nostro corpo si adegua a funzionare senza gravità – ma può essere gravemente debilitante o pericoloso quando si torna sulla Terra o si arriva su un altro pianeta.

In un lontano futuro la soluzione potrà consistere nel generare sulle astronavi una gravità artificiale: facendo ruotare gran parte del veicolo (enormi ruote o cilindri) si può sfruttare la forza centrifuga sulla parete interna, che farebbe muovere in cerchio gli astronauti insieme a essa determinando una gravità apparente.

È  ciò che si può vedere nei film di fantascienza come 2001: Odissea nello Spazio, o più di recente Passengers, ma nella realtà le difficoltà tecniche del costruire nello Spazio una gigantesca struttura rotante sono davvero significative.

Più a breve termine, si potrebbero portare delle mini-centrifughe su un veicolo spaziale: non sarebbero grandi abbastanza per camminarci o lavorarci dentro, ma entrerebbero nelle strutture esistenti e potrebbero accogliere un uomo per volta.

Con una rotazione relativamente veloce genererebbero brevi periodi di gravità artificiale durante i quali l’astronauta farebbe esercizio fisico. L’idea è che somministrare piccole dosi di gravità potrebbe forse essere sufficiente per prevenire i danni al corpo nello Spazio.

David Green e i suoi collaboratori del King’s College di Londra hanno lavorato con il MIT e l’Agenzia Spaziale Europea (ESA) su un’altra soluzione: la “muta per contromisure a carico gravitazionale”.

Somiglia un po’ a una tuta senza maniche per il triathlon e comprende un materiale elastico intessuto in modo tale da fornire una tensione calibrata dai piedi alle spalle. Questo carico flessibile sul corpo simula 1 g (la gravità terrestre) ed è pensato per prevenire la dilatazione della spina dorsale degli astronauti e il deperimento di ossa e muscoli.

I ricercatori stanno collaudando la muta a terra e, di recente, Andreas Mogensen, il primo astronauta danese, l’ha indossata sull’ISS.

Sarebbe anche possibile usare farmaci che contribuiscano a rendere più efficace l’allenamento a gravità zero o impediscano i danni muscolari arrestando i processi degenerativi?

Nathaniel Szewczyk dell’Università di Nottingham sta svolgendo ricerche esattamente in questa direzione, ma anziché compiere esperimenti su soggetti umani, sta usando vermi microscopici.

In particolare Caenorhabditis elegans, un nematode che ha due diversi tipi di muscoli simili rispettivamente al miocardio e a quelli collegati allo scheletro e utilizzati dagli esseri umani per muoversi.

C. elegans è un animale semplicissimo: ne conosciamo esattamente lo sviluppo e ne abbiamo anche sequenziato l’intero genoma. Per questo è un soggetto ottimo per aiutarci a capire gli effetti della microgravità sul corpo degli animali: in effetti i microscopici vermi-astronauti sono già stati in numerose missioni spaziali.

Szewczyk e i suoi colleghi hanno scoperto che durante il volo nello Spazio cambia la produzione di un centinaio di proteine, molte delle quali coinvolte nella formazione dei muscoli.

“Questi esperimenti in orbita con C. elegans”, dice l’esperto, “ci hanno permesso di seguire come il variare di queste proteine risponde all’assenza di peso, e quindi di indagare le basi genetiche che spiegano il deteriorarsi dei muscoli.
Nell’attuale missione dell’ESA, in particolare, stiamo sperimentando alcuni farmaci per vedere se riducono l’atrofia muscolare nei vermi”.

La speranza è che, in futuro, gli astronauti possano assumere una pillola che li aiuti a proteggere il cuore e i muscoli finché sono nello Spazio.

2. Radiazioni

La Terra non fornisce ai nostri corpi solo gravità.

La spessa atmosfera e il campo magnetico che cingono il nostro Pianeta proteggono la superficie dai raggi cosmici, ossia dalle radiazioni ricche di energia, pericolosissime per le cellule, che vengono emesse dai brillamenti solari o sospinte a velocità prossime a quella della luce dalle supernovae.

Gli astronauti a bordo dell’ISS, e a maggior ragione i futuri viaggiatori spaziali che andranno sulla Luna, su Marte e ancora oltre, saranno esposti a queste dannose radiazioni cosmiche, le cui particelle possono scatenare tumori e rendere opaco il cristallino dell’occhio.

Quello che ancora non è ben chiaro sono gli effetti irreversibili che i raggi cosmici possono avere sul sistema immunitario o sui neuroni. È possibile proteggere gli astronauti con schermature antiradiazioni di diversi metri per assorbire il bombardamento di particelle?

Sarebbe piuttosto facile sulla superficie lunare o marziana, costruendo gli alloggi dell’equipaggio sottoterra, ma una schermatura completa attorno a un’astronave la renderebbe troppo pesante e sarebbe molto costosa.

Quindi, anziché arrestare le radiazioni, un’altra contromisura può consistere nel ridurne gli effetti dannosi all’interno del corpo, con integratori alimentari e farmaci che ripulirebbero le cellule dai radicali liberi provocati dalle radiazioni e che “assisterebbero” il DNA nelle sue riparazioni.

Il problema è che gli attuali integratori antiossidanti non sono particolarmente efficaci, mentre i farmaci radioprotettivi funzionano bene ma sono piuttosto tossici. L’Ethyol, per esempio, viene usato quasi solo per pazienti che hanno un cancro alla testa o al collo, dove gli effetti collaterali della radioterapia sono spesso molto gravi.

Il Dipartimento della difesa degli USA ha sviluppato varie sostanze che sarebbe molto interessante sperimentare per vederne l’efficacia contro i raggi cosmici. Tra le alternative ai farmaci, è promettente il procedimento biomedico dell’ibernazione, perché sembra che la resistenza alle radiazioni aumenti alle basse temperature.

Se riuscissimo a trovare il modo di mantenere il corpo umano in uno stato di sospensione criogenica, l’equipaggio potrebbe dormire per tutti gli otto mesi di un volo su Marte e la temperatura bassissima contribuirebbe a proteggerne le cellule dal danno provocato dalle radiazioni.

E se gli astronauti non sono attivi, ne consegue anche che sarebbero molto ridotte le esigenze dei sistemi per mantenerli in vita, nonché le scorte necessarie di cibo e di altri materiali di consumo.

Ma forse si può fare anche di meglio. Sarebbe possibile, per esempio, modificare geneticamente gli astronauti del futuro in modo da aumentarne la resistenza alle radiazioni? I nuovi studi su strani animali microscopici noti come tardigradi ci mostrano una possibile via da seguire.

Takekazu Kunieda, biologo molecolare dell’Università di Tokyo, lavora su questi minuscoli “orsi d’acqua”, noti perché sono in grado di resistere a condizioni estremamente ostili, come il vuoto spaziale e livelli elevatissimi di radiazioni.

Per cercare di capire quali possano essere i geni responsabili di queste prodigiose capacità di sopravvivenza, Kunieda ha sequenziato il genoma del tardigrado e ha inserito tratti di questo DNA all’interno di cellule di mammifero in una coltura.

Così è stato scoperto un nuovo gene battezzato Dsup (abbreviazione di damage suppressor) che previene la rottura del DNA del microscopico animale sotto l’azione delle radiazioni. Sorprendentemente, questo gene ha ridotto del 40 per cento anche i danni al DNA indotti dalle radiazioni nelle cellule umane.

3. Psicologia

Un viaggio spaziale molto lungo può gravare pesantemente sul benessere mentale.

Gli astronauti dell’ISS riferiscono spesso casi di insonnia e di inappetenza, senza contare che può essere difficile trovare un po’ di privacy nell’angusto veicolo.

Inoltre, i membri dell’equipaggio vanno scelti in modo che siano tutti molto accomodanti: è sempre possibile qualche emergenza e c’è il rischio che gli astronauti si innervosiscano gli uni contro gli altri.

Lassù non è possibile farsi sbollire la rabbia evitandosi a vicenda o uscendo a fare due passi! Bisogna trascorrere alcuni mesi ininterrottamente con le stesse persone, lontani dai propri cari sulla Terra.

Ma per lo meno sulla Stazione Spaziale si può godere della veduta della Terra, mentre in una missione su Marte il senso della distanza sarebbe molto più forte. Tanto più che, per via del ritardo nei segnali, che può arrivare a 40 minuti, non sarebbe neppure possibile conversare con qualcuno rimasto a casa: sarebbero disponibili solo email e videomessaggi.

Questi problemi psicologici sono ardui da individuare per tempo, e quando se ne studiano gli effetti sulla coesione di un gruppo è difficile trovare modi scientifici per misurarli. Mentre gli esami medici possono chiarire gli effetti fisici del volo spaziale sul corpo, può accadere che i soggetti siano meno inclini a riferire gli stress e i problemi psicologici che hanno provato.

In un rapporto della NASA del 2016 sui rischi per la salute umana, sono stati messi in evidenza diversi ambiti che richiedono studi ulteriori, fra cui gli effetti di una prolungata alterazione dei ritmi del sonno e la “desincronizzazione del ritmo circadiano”, cioè la situazione in cui i cicli corporei interni (come quelli della temperatura, dell’attività metabolica e della veglia) sono costretti a non procedere più di pari passo.

È una situazione che ci è familiare con il jet lag. Ma quali sono gli effetti di una simile desincronizzazione della durata di mesi o anni, nel corso di una lunga missione spaziale? Il rapporto raccomanda ricerche più approfondite sulla possibile influenza della dieta e della nutrizione su questi ritmi circadiani: ci si chiede, per esempio, se la scansione temporale dei pasti possa contribuire a risolvere il problema.

Uno dei modi migliori per studiare gli effetti psicologici è farlo in situazioni di isolamento simili ma sulla Terra. Beth Healey ha trascorso più di un anno nella stazione Concordia fra le distese ghiacciate dell’Antartide, come ricercatrice in medicina.

Durante l’inverno polare non si vede la luce del Sole per tre mesi e non è possibile evacuare la base neppure in caso di emergenza: da questo punto di vista gli scienziati della Concordia sono persino più isolati degli astronauti dell’ISS. In uno degli esperimenti della Healey, ha fatto indossare dei tracker agli altri membri dell’equipaggio, per tenere sotto controllo la mobilità di ognuno, e sapere chi interagiva con chi.

“In questo modo abbiamo ottenuto informazioni preziose su come cambiano le dinamiche di gruppo nel corso del tempo e abbiamo identificato i momenti critici della missione in cui i partecipanti erano più portati a isolarsi o a cercare interazioni sociali, o in cui è più probabile che si verifichino dei conflitti”, spiega la Healey. La ricercatrice ha sviluppato anche un test cognitivo in 10 parti che probabilmente verrà inserito fra le procedure a bordo dell’ISS.

“Questo test prende in considerazione molte variabili, fra cui i comportamenti a rischio, i tempi di reazione, le prove di memoria e così via. Se gli astronauti vi si sottopongono regolarmente, qualsiasi calo nelle prestazioni porta a un approfondimento da parte del controllo missione”.

4. Cibo e nutrizione

L’assenza di peso crea problemi di nutrizione nello Spazio, in vari modi.

Senza gravità, le briciole costituiscono un vero e proprio pericolo per la salute, visto che fluttuano in aria e si potrebbero inalare.

Inoltre, la ridistribuzione dei fluidi corporei fa gonfiare i tessuti della testa, impedendo di sentire bene sapori e odori, come se si avesse un raffreddore. È per questo che spesso gli astronauti preferiscono pietanze speziate e tendono a mangiare tortillas e cose simili, che non si sbriciolano, al posto del pane.

Quasi tutti gli alimenti a bordo dell’ISS sono preconfezionati e vanno semplicemente reidratati e riscaldati: è un po’ come mangiare per mesi e mesi solo i pasti che vi danno sulle linee aeree.

Circa due volte all’anno viene lanciato dalla Terra un veicolo spaziale che porta rifornimenti essenziali: è carico di cibo, acqua, indumenti di ricambio, carburante, ossigeno e così via.

Ma per le missioni spaziali più lunghe, come una base lunare o una spedizione su Marte, un invio periodico di scorte sarebbe costoso in modo proibitivo o semplicemente impossibile.

Abbiamo già visto come le future tecnologie di ibernazione potranno permettere agli equipaggi di dormire per tutto il viaggio verso Marte e quindi di fare a meno di una grande quantità di cibo, ma quando all’arrivo si sveglieranno l’alimentazione sarà di nuovo una priorità.

Anziché fare affidamento su spedizioni dalla Terra, i coloni su Marte dovranno imparare a essere autosufficienti e a diventare contadini spaziali! Nel film Sopravvissuto - The Martian, il personaggio di Matt Damon coltiva patate nella regolite (lo strato superficiale formato da rocce polverizzate) mista agli escrementi dei suoi compagni per aggiungervi le sostanze nutrienti.

Ciò non è lontano dalle possibilità prese in considerazione dalle agenzie spaziali per un possibile habitat su Marte (anche se non ci sarà bisogno delle feci umane).

L’anno scorso, per esempio, un gruppo di ricerca dell’Università di Wageningen, nei Paesi Bassi, ha prodotto del terreno marziano simulato e ha compiuto esperimenti per individuare quali piante alimentari ci si possano coltivare.

Hanno scoperto, per esempio, che i pomodori, i piselli, i ravanelli, la segale e la rucola crescono bene, mentre gli spinaci fanno fatica. L’ambiente su Marte è così ostile che servirebbero serre gonfiabili pressurizzate, ma gli scienziati sono fiduciosi che i futuri marziani possano vivere dei frutti del terreno.

E la carne? Tenere bestiame su un base lontana dalla Terra sarebbe enormemente difficile, perché richiederebbe una quantità spropositata di spazio e di risorse.

È quindi probabile che i futuri esploratori spaziali saranno per lo più vegetariani e ricaveranno piccole quantità di proteine animali dagli insetti, che si possono allevare con un’elevata densità, alimentandoli con gli scarti vegetali.

I “taikonauti” della stazione spaziale cinese Tiangong-2 hanno fatto crescere bachi da seta, che in futuro potrebbero essere una ricca fonte di proteine. Chissà, un giorno i marziani si nutriranno forse di hamburger di insetto su panini di frumento coltivato in casa, con lattuga e pomodoro!

5. Il tuo corpo nello spazio

Guardando i filmati degli astronauti che abitano la Stazione Spaziale Internazionale (ISS), potreste aver pensato che questo luogo sia piuttosto confortevole.

Fluttuare nella microgravità sembra addirittura divertente e, di fatto, salutare, visto che chi si trova lì è isolato dal resto dell’Umanità e non può contrarre l’influenza o altre malattie infettive.

In realtà lo Spazio è un ambiente nocivo per il corpo umano: ci siamo evoluti come animali sociali nelle condizioni tipiche della Terra e inoltrarsi fuori dal Pianeta ha numerosi e e i negativi sul corpo e sulla mente.

Ma quali sono i rischi principali che incontrano i viaggiatori spaziali? Eccone alcuni.

1. L’orecchio interno non funziona in microgravità, provocando vertigini e mal di spazio.
2. Senza gravità lo scheletro perde calcio e diviene fragile e debole, come succede con l’osteoporosi.
3. L’esposizione a lungo termine ai raggi cosmici può danneggiare anche le funzioni cerebrali e questo è un rischio gravissimo in situazioni di emergenza.
4. Le condizioni a bordo di un’astronave possono portare all’insonnia, alla perdita di appetito, all’ansia e alla depressione.
5. La ridistribuzione dei fluidi corporei in assenza di gravità può gonfiare il viso e distorcere i globi oculari, offuscando la vista.
6. Visto che a gravità zero il cuore non deve più pompare il sangue in direzione opposta a essa, si indebolisce e si deteriora.