Două decenii de Staţia Spaţială Internaţională, istoria unui experiment reuşit al omenirii. Contribuţiile la explorarea spaţială, trecutul, prezentul şi viitorul acesteia

Din punct de vedere tehnologic şi ştiinţific, trebuie menţionat că actuala Staţie Spaţială nu se putea realiza fără să fi existat lecţiile învăţate în urma lansării altor staţii spaţiale în istoria (scurtă) a explorării cosmosului.

Chiar cu un secol înainte ca astronauţii misiunilor Apollo să ajungă pe Lună, literatura ştiinţifico-fantastică deja pregătea terenul unui viitor cu avanposturi pe Lună şi pe orbita Pământului. În deceniile care au urmat, primele concepte de staţii spaţiale au evoluat pe platforme orbitale care pot lansa misiuni umane pe Lună şi pe Marte, relatează Popular Science. 

• Mințile noastre ar procesa limbajul la fel ca Inteligența Artificială
• De ce azbestul încă apare în unele produse cosmetice?

Chiar de la începutul explorării spaţiale din Războiul Rece, atât Uniunea Sovietică, cât şi Statele Unite au preluat aceste idei şi au reuşit să le transforme în realitate, culminând cu Staţia Spaţială Internaţională, care a reprezentat punctul de convergenţă între cele două programe spaţiale.

Ce se întâmpla înainte de Staţia Spaţială Internaţională

Trebuie oferită totuşi o definiţie scurtă a staţiei spaţiale: aceasta este o navă capabilă să susţină un echipaj uman şi care este proiectată să rămână în spaţiu (cel mai comun ca un satelit artificial în orbita joasă a Pământului) pentru a perioadă lungă de timp, unde alte nave pot andoca la aceasta, scrie Heritage Daily.

Scopul principal este acela de cercetare, fiind folosite pentru a studia efectele pe termen lung ale expunerii oamenilor şi altor organisme la microgravitaţie, dar şi pentru alte studii care includ monitorizarea climei şi a schimbărilor Pământului, a radiaţiei cosmice şi a numeroase alte experimente care se pot face în condiţii de microgravitaţie. De asemenea, o staţie spaţială reprezintă un pas înainte pentru construirea altor staţii de acest gen.

Prima staţie spaţială, Salyut 1, a fost lansată la data de 19 aprilie 1971 de URSS. Scopul acestei staţii de cercetare a fost de a testa sistemele interne în spaţiu şi să efectueze experimente ştiinţifice. Deşi staţia a stabilit multe recorduri şi a înregistrat o serie de succese, activitatea a fost suspendată după ce un echipaj a murit la reintrare din cauza unei defecţiuni la o valvă de presiune, ceea ce a dus la o reproiectare a capsulei Soyuz.

În 1973 a fost lansată Salyut 2, fiind în principal o staţie de spionaj. După doar două săptămâni de la lansare, staţia a pierdut controlul şi a reintrat în atmosferă pe 28 mai 1973.

În acelaşi an, SUA lansa prima sa staţie spaţială. Skylab a fost activă din 1973 până în 1979. Aceasta a fost echipată cu un observator solar, cu un laborator şi cu alte echipamente pentru experimente. Spre exemplu, senzorii au monitorizat diferite regiuni ale Pământului în infraroşu.

Pe 11 iulie 1979, Skylab a reintrat în atmosferă, fiind prăbuşită controlat.

Anul 1974 a văzut două lansări de staţii spaţiale sovietice, Salyut 3 şi Salyut 4, prima fiind de spionaj, iar a doua de cercetare. Salyut 3 a fost scoasă din activitate anul următor, iar Salyut 4 a fost activă până în 1977.

Salyut 5, lansată în 1976, a fost ultima staţie spaţială de spionaj, cu viaţă la fel de scurtă ca precedentele. Oficialii sovietici au decis că avantajele tactice sunt prea mici pentru a merita efortul. Staţia a fost scoasă de pe orbită în august 1977.

În 1977 a fost lansată Salyut 6, care a fost prima staţia spaţială sovietică cu o viaţă mai lungă. Până în 1981, staţia a fost vizitată de 16 nave cu echipaj uman, doborând recordul pentru cea mai lungă perioadă de locuire. 

În 1982, sovieticii au continuat seria de succese, lansând Salyut 7, care a rămas pe orbită 8 ani şi 10 luni. Misiunea marchează şi „una dintre cele mai impresionante reparaţii în spaţiu realizate în istorie”, aşa cum este descrisă de autorul David S.F. Portree. Pe 12 februarie 1985, contactul a fost pierdut în timpul unei perioade în care pe staţie nu exista echipaj. Cauza a fost o defecţiune la sistemul electric, ceea ce a dus ca staţia să se îndepărteze de orbita sa. În iunie acelaşi an, a avut loc o misiune de salvare care a reuşit să repare sistemul staţiei.

A rămas în orbită până în 1991, marcând sfârşitul programului Salyut.

Anul 1986 marchează începutul unei noi era care va pune bazale lansării Staţiei Spaţiale Internaţionale. MIR a fost o staţie spaţială de orbită joasă care a avut o viaţă de 15 ani, fiind dezactivată şi prăbuşită controlat de Rusia în 2001.

Staţia spaţială MIR. Credit: Wikipedia

MIR a fost prima staţie modulară, asamblată în orbită, proces care a durat aproape un deceniu. Staţia a fost un laborator de cercetare în microgravitaţie, cu experimente de biologie, fizică, astronomie şi meteorologie.

Deţine recordul pentru cel mai lung zbor uman, cu 438 de zile şi 18 ore, între anii 1994 şi 1995. Au avut loc mai multe accidente în viaţa staţiei, care i-a ameninţat existenţa, precum coliziunea dintre Kristall şi Soyuz TM-17 în timpul operaţiunilor de proximitate din ianuarie 1994.

De asemenea, odată cu prăbuşirea Uniunii Sovietice, staţia a adus primele colaborări internaţionale în cercetarea spaţială, fiind făcută accesibilă pentru mai multe ţări asiatice, europene şi nord-americane. 

Din cauza lipsei finanţării şi a costurilor de reparaţii în continuă creştere a sistemelor îmbătrânite, MIR a fost scoasă de pe orbită pe 23 martie 2001.

Aspecte generale ale Staţiei Spaţiale Internaţionale

Aceste eşecuri, încercări, succese pe jumătate şi începuturi timide de colaborare au contribuit esenţial la succesul care avea să devină Staţia Spaţială Internaţională (ISS).

ISS este un proiect la care au contribuit multe naţiuni şi este cea mai mare structură pe care oamenii au trimis-o în spaţiu. Construcţia sa principală a fost un proces de lungă durată, care a început în 1998 şi s-a încheiat în 2011, deşi staţia este într-o continuă evoluţie pentru a include noi misiuni şi experimente. A fost ocupată (aproape) încontinuu din 2 noiembrie 2000, primul echipaj fiind format din cosmonauţii ruşi Serghei Krikalyov şi Iuri Gidzenko şi astronautul american William Shepherd, care au zburat într-o navă Soyuz, relatează Encyclopaedia Britannica.

NASA (Statele Unite), Roscosmos (Rusia) şi ESA sunt partenerii principali ai staţiei spaţiale care contribuie cel mai mult la menţinerea acesteia; ceilalţi parteneri sunt JAXA (Japonia) şi CSA (Canada), potrivit Space.

„Vedere de la job”. Credit: Staţia Spaţială Internaţională/Facebook

Planurile actuale arată că ISS va opera cel puţin până în 2024, cu o posibilă prelungire până în 2028. După aceea, planurile în ceea ce priveşte staţia nu sunt clare. Ar putea fi scoasă de pe orbită sau reciclată pentru staţiile spaţiale viitoare.

Echipajele de la bordul ISS sunt asistate de centre de control din Houston, Texas, Huntsville, Alabama, Moscova şi din alte centre din Japonia, Europa şi Canada. De asemenea, ISS, poate fi controlată de centrele din Houston şi Moscova.

Staţia spaţială zboară la o altitudine de circa 400 de kilometri. Realizează o orbită completă la fiecare 90 de minute, atingând viteze de 28.000 km/h. Într-o singură zi, staţia călătoreşte distanţa dintre Pământ şi Lună şi înapoi.

Poate fi văzută de pe Pământ ca o lumină strălucitoare fără ajutorul telescoapelor, dar trebuie ştiut unde se află: locaţia sa în timp real se găseşte aici.

De obicei, ISS are echipaj de 3-6 oameni. Echipajul de 6 a fost posibil după 2009, când staţia a fost mărită. Dar numărul echipajului a variat în timp. După dezastrul navei spaţiale Columbia din 2003, care a oprit zborurile pentru mai mulţi ani, echipajele au fost mai mici din cauza capacităţii reduse a navelor spaţiale Soyuz. Staţia spaţială a avut chiar şi 13 oameni, dar doar pentru câteva zile în timpul schimburilor de echipaj şi a vizitelor scurte.

Flota de nave spaţiale americane, precum Columbia, a fost retrasă în 2011, iar Soyuz a devenit astfel singurul mijloc de trimitere a oamenilor pe Staţia Spaţială Internaţională. În prezent, echipaje de trei oameni zboară cu Soyuz şi petrec circa 6 luni în spaţiu. Câteodată, duratele misiunilor variază în funcţie de programările lansărilor sau de evenimente speciale, aşa cum s-a întâmplat cu Scott Kelly, care a stat un an pe ISS, între 2015 şi 2016. Dacă echipajul trebuie evacuat din staţie, se pot întoarce pe Terra cu ajutorul a două vehicule Soyuz andocate pe ISS.

Din 2019 sau 2020, vehiculele comerciale Dragon a SpaceX şi CST-100 a Boeing vor duce la creşterea numărului echipajului datorită capacităţii mai ridicate.

Astronauţii şi cosmonauţii îşi petrec mare parte din timp realizând experimente şi activităţi de mentenanţă, iar cel puţin două ore pe zi sunt dedicate exerciţiilor fizice şi îngrijirii personale. Aceştia mai organizează evenimente media şi postează pe social media.

ISS este o platformă pentru cercetări de lungă durată asupra sănătăţii umane în spaţiu, ramură considerată esenţială pentru misiunile viitoare de explorare spaţială unde sunt propuse obiective mai îndrăzneţe, precum trimiterea unei misiuni umane pe Marte. Corpurile umane se schimbă în microgravitaţie, incluzând alterări ale muşchilor, oaselor, sistemului cardiovascular şi a ochilor. Mulţi cercetători încearcă să determine severitatea schimbărilor şi cum ar putea fi oprite.

Astronautul Jack Fischer la o ieşire în spaţiu. Credit: NASA

Mentenanţa Staţiei Spaţiale Internaţionale presupune şi ieşirea în spaţiu, iar reparaţiile pot fi urgente şi periculoase. De aceea, se lucrează la o tehnologie care să poate înlocui oamenii. Spre exemplu, prototipul Robonaut care este în prezent la bordul ISS şi poate efectua sarcini de rutină sub supervizare şi care poate fi modificat pentru a funcţiona în spaţiu.

Structura Staţiei Spaţiale Internaţionale şi evoluţia acesteia

Staţia spaţială, cu tot cu panourile solare, are o masă de 391 de tone, fără vehiculele în vizită. Complexul are acum mai mult spaţiu de locuire decât o casă cu 5 camere, are două băi, spaţiu pentru exerciţii fizice şi o fereastră de 360 de grade. Lungimea sa este de 72,8 metri, lăţimea de 108,5 metri iar înălţimea de 20 de metri.

ISS a fost dusă în spaţiu şi asamblată bucată cu bucată de astronauţi şi cosmonauţi. Staţia include module şi conectează noduri care conţin dormitoarele şi laboratoarele dar şi punctele de trecere pentru suport structural şi panourile solare care furnizează electricitate.

• Primul modul, Zarya, a fost lansat pe 20 noiembrie 1998 de o rachetă Proton. Două săptămâni mai târziu, NASA a lansat STS-88 cu modului Unity. Apoi, alte piese au fost lansate şi asamblate.
• Aşa cum am menţionat anterior, pe 2 noiembrie 2000 a fost ziua în care a fost trimis primul echipaj uman, care a stat la bordul ISS timp de mai multe luni.
• Pe 7 februarie 2001 a fost adăugat un modul care conţinea un laborator american, numit Destiny. Şi astăzi, acesta continuă să fie principalul laborator de cercetare american.

Mai multe laboratoare de pe Staţia Spaţială Internaţională. Credit: Wikipedia/NASA

• Tot în 2001, a fost lansat braţul robotic Canadarm2 de CSA. La început, a fost folosit în ieşiri în spaţiu şi reparaţii controlate de la distanţă. Astăzi mai este folosit şi la ancorarea navelor spaţiale care ajung la ISS.
• În 2007, a fost lansat modulul Harmony/Node2 de către NASA.
• Pe 7 februarie 2008, laboratorul Columbus al ESA devine parte din staţie, conform iss-casis.org.
• Pe 11 martie 2008, laboratorul Kibo al Japoniei se alătură ISS.
• În 2010 a fost adăugată fereastra-cupolă (de 360 de grade) şi Tranquility/Node3 de către NASA.
• Modulul permanent multifuncţional al ESA a fost adăugat. A fost lansat pentru locuire permanentă în 2011, deşi a fost folosit înainte drept navă cargo.
• În 2016, a fost lansat modulul privat Bigelow Expendable Activity.

Desigur, în istoria Staţiei Spaţiale Internaţionale, au fost adăugate mult mai multe componente, care pot fi observate în imaginea de mai jos, alături de locul ocupat în structura ISS, potrivit ESA.

Credit: ESA

Experimentele importante şi interesante realizate pe ISS

De-a lungul istoriei sale de două decenii, pe Staţia Spaţială Internaţională au fost realizate numeroase experimente care au contribuit enorm la cunoaşterea umană. Savanţii au folosit staţia pentru orice, de la testarea tehnologiei pentru explorările spaţiale viitoare, la studierea sănătăţii, dar şi experimente neobişnuite.

Desigur, cel mai important set de experimente este cel care are legătură cu fragilitatea corpului uman. Efectele mediului din spaţiu asupra organismului în timpul perioadei lungi de şedere este de un interes deosebit pentru orice agenţie sau companie care doreşte trimiterea oamenilor în colţurile mai îndepărtate ale cosmosului.

Studiile în condiţii de microgravitaţie de pe ISS au demonstrat că organismul uman ar pierde masă osoasă şi musculară în timpul unei astfel de misiuni, relatează The Independent. De aceea, se urmăreşte dezvoltarea tehnologiei care să reducă aceste pierderi.

O altă problemă care se cere rezolvată este contaminarea interplanetară. Scopul pe termen lung al explorării spaţiale este trimiterea unei misiuni umane pe Marte. Planeta Roşie este de un interes particular pentru că este una dintre cele mai accesibile locaţii unde poate exista sau unde a existat viaţă extraterestră. De aceea, este imperativ ca Marte să rămână necontaminată de organisme terestre. La fel, misiunile spaţiale trebuie să aibă în vedere să nu contamineze Pământul cu posibile forme de viaţă marţiene.

Unii spori bacterieni, precum Bacillus subtilis, au fost folosiţi în experimente pe ISS pentru a demonstra rata ridicată de supravieţuire. Vacuitatea spaţiului şi extremele de temperatură nu le-au putut omorî. Aceste organisme remarcabile fiind capabile să supravieţuiască în zborurile interplanetare pe Marte şi să rămână acolo, sub un strat subţire de sol, unde pot fi depozitate din greşeală. Descoperirea are implicaţii uriaşe: dacă microorganismele sau ADN-ul lor pot supravieţui zborului interplaneter, lasă deschisă posibilitatea conform căreia viaţa pe Terra a provenit de pe Marte sau din altă parte a cosmosului.

Creşterea cristalelor pentru medicină este o provocare esenţială în dezvoltarea tratamentelor eficiente şi în cunoaşterea formei moleculelor proteinelor din corpul uman. Proteinele sunt responsabile pentru mai multe funcţii biologice, inclusiv multiplicarea ADN-ului şi a digestei. Astfel, cristalografia proteinelor reprezintă un instrument esenţial pentru înţelegerea acestor structuri. Creşterea cristalelor într-un fluid pe Terra este inhibată de mişcările de convecţie cauzate de gravitaţie şi de precipitarea particulelor mai dense pe fundul vasului cu fluid.

În microgravitaţie, cristalele pot avea dimensiuni mai mari decât pe Terra, permiţând o analiză mai simplă a microstructurii. Cristalele de proteine crescute pe ISS sunt folosite în dezvoltarea de noi medicamente pentru boli precum cancerul sau distrofia musculară.

De pe ISS se studiază şi materia întunecată

Radiaţiile cosmice şi materia întunecată reprezintă componente ale unui mediu încă necunoscut, iar Staţia Spaţială Internaţională este ideală pentru astfel de cercetări. Spaţiul este străbătut în permanenţă de un flux de particule încărcate energetic (radiaţii cosmice). Atunci când acestea întâlnesc atmosfera Terrei se dezintegrează, producând o ploaie de particule secundare care pot fi detectate la nivelul solului. Unele radiaţii cosmice pot proveni de la evenimente de explozie precum supernovele sau, mai aproape de noi, furtunile solare. Dar în multe cazuri sursa rămâne necunoscută.

Pentru a înţelege mai bine aceste particule enigmatice, trebuie „prinse” înainte să atingă atmosfera. Pe ISS se află AMS (Alpha Magnetic Spectrometer), cel mai performant detector de particule lansat vreodată în spaţiu. Dispozitivul colectează radiaţii cosmice şi măsoară atât energia acestora cât şi direcţia.

În 2013, primele rezultate au arătat că electronii din radiaţiile cosmice şi omologii săi ai antimateriei, pozitronii, emană din toate direcţiile spaţiului şi nu din locaţii specifice.

Aproximativ un sfert din masa energie din Univers este probabil de materie întunecată, o substanţă cu compoziţie necunoscută, care poate fi sursa acestor radiaţii cosmice. Prezenţa teoretică a materiei întunecate descrie un inel de material în jurul Căii Lactee (şi a altor galaxii). Teoria este susţinută şi de natura izotropică a electronilor şi pozitronilor radiaţiilor cosmice detectaţi de AMS, care provin din toate direcţiile spaţiului. 

Totuşi, materia întunecată nu a fost detectată în mod direct niciodată, iar adevărata sa natură este una dintre marile întrebări ale astrofizicii.

Un alt set de experimente este reprezentat de combustie. Fizica focului în microgravitaţie este destul de interesantă. Astronauţii au aprins mici picături de combustibil, care se formează în sfere în condiţii de microgravitaţie.

Flăcările pe Pământ au forma cunoscută datorită convecţiei determinată de gravitaţie. În microgravitaţie nu există o lansare verticală a combustiei, astfel, o flacără capătă o formă sferică difuză în jurul sursei de combustie. Culoarea galbenă a flăcării este produsă de incandescenţa micilor particule de funingine. Funinginea se formează prin arderea incompletă a combustibilului şi este un poluant major pe Terra.

Uraganul Florence. Credit: Ricky Arnold/Twitter

În condiţii de microgravitaţie, combustia este mai completă şi deci mai eficientă. O flacără de lumânare care apare galbenă pe Pământ, este albastră în microgravitaţie şi produce mai puţin fum. Acest tip de studiu permite studierea procesului de formare a funinginei care are un efect negativ asupra mediului şi a sănătăţii oamenilor. De asemenea, studiile pot duce la o cunoaştere mai bună a mecanismelor care stau la baza tranziţiei de la lichid la gaz a combustibilului pe măsură ce se aprinde. Studiile de acest tip pot duce într-o zi la motoare de combustie mai eficiente şi mai puţin poluante pe Pământ.

Desigur, tehnologia testată pe ISS este esenţială pentru misiunile viitoare. Studierea şi evaluarea varietăţilor de sisteme, materiale şi instrumente vor fi necesare pentru misiunile de explorare spaţială de lungă durată, conform NASA.

Proiectele viitoare promit şi mai mult

În acest sens, staţia spaţială care va lărgi orizontul cunoaşterii şi care ne va duce cu un pas mai aproape de călătoria spre Marte este Deep Space Gateway, care aşa cum spune numele, este o poartă către spaţiul îndepărtat. NASA şi partenerii săi doresc înlocuirea ISS cu aceasta care va avea orbita în jurul Lunii, iar după 2030, va servi probabil la scopul menţionat mai sus.

În ultima perioadă, companiile private şi-au făcut apariţia în explorarea spaţială, SpaceX fiind cel mai elocvent exemplu. Totuşi, există şi alte companii cu scopuri măreţe. Spre exemplu, Bibelow Aerospace şi-a propus lansarea B330, un habitat spaţial gonflabil care va oferi protecţie mai bună împotriva radiaţiilor şi  a obiectelor din cosmos decât ISS. Spaţiul de locuit raportat la masa totală este mai mare decât în cazul unui modul rigid. Bigelow a semnat un contract cu United Launch Alliance pentru lansarea lui B330 în 2024, relatează The Guardian.

Samantha Cristoforetti, vedere din spaţiu. Credit. NASA

O altă companie care doreşte să se lanseze în spaţiu este Axiom. Oficialii companiei doresc să ataşeze module la Staţia Spaţială Internaţională, iar acestea vor rămâne pe orbită odată ce ISS va fi scoasă din uz. Axiom doreşte să dezvolte turismul spaţial şi să creeze mici fabrici pentru diverse obiecte, precum fibra optică realizată în microgravitaţie, care să nu aibă imperfecţiuni precum cea fabricată în condiţii normale de gravitaţie.

În cursa pentru stabilirea turismului spaţial se află şi ruşii. Roscosmos a anunţat în 2017 că doreşte să adauge un modul de lux la ISS. Facilităţile vor include ferestre mari, echipament pentru exerciţii fizice şi WiFi. Preţul pentru o lună de stat va fi enorm, de 60 de milioane de dolari. Lansarea primului modul va avea loc în 2021.

Spre turismul spaţial se orientează şi SpaceX, urmând să trimită un miliardar japonez în spaţiu.

De asemenea, există şi încercările chinezilor de a cuceri spaţiul. După eşecul lui Tiangong-1, care s-a prăbuşit pe Terra anul acesta, China doreşte să lanseze o altă staţie spaţială care, dacă totul merge conform planului, va deveni operaţională în 2022.

Până atunci, Staţia Spaţială Internaţională îşi continuă existenţa şi activitatatea de cercetare.

Vă recomandăm să citiţi şi următoarele articole:

Staţia Spaţială Internaţională, vizibilă pe cerul din Bucureşti şi alte trei oraşe

Staţia Spaţială Internaţională ar putea rămâne fără echipaj după misiunea eşuată de trimitere a doi astronauţi în spaţiu

Staţia Spaţială Internaţională poate fi explorată cu ajutorul Google Street View de la un click distanţă

O navă spaţială cargo a Rusiei a stabilit un nou record pentru cea mai rapidă călătorie la Staţia Spaţială Internaţională