VII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Анализ влияния космоса на здоровье космонавта и выработка методов снижения его негативного воздействия

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Охинько А.Д. 1

---

1ГБОУ СОШ №13 г.о. Чапаевск

Казакова Н.А. 1

---

1ГБОУ СОШ №13 г.о. Чапаевск

Работа в формате PDF

562.2 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

ПРЕДИСЛОВИЕ

Тема проекта выбрана мной не случайно. Помимо моего увлечения космосом и астрономией, я с детства мечтаю стать врачом. Если честно, никогда раньше не задумывался о космонавтах с медицинской точки зрения. А ведь проблема эта действительно очень важная: когда на Земле мы чем то заболеваем - мы идем к врачу или вызываемскорую. А на орбиту к космонавту ни один медик не долетит! А ведь еще следует учесть, что космонавт находится в экстремальных условиях: на него оказывают влияние радиация, отсутствие гравитации многие другие факторы, к которым человеческий организм не приспособлен вовсе либо плохо адаптируется.

Согласно официальной статистике в космосе с 1961 г. по 2018 год побывало 553 человека, и каждый двадцать второй из них погиб. Среди них пять советских космонавтов, 13 астронавтов США и первый израильский космонавт. Всего в космосе и при подготовке к космическим полетам на Земле погибли 25 космонавтов и астронавтов.

Таким образом, здоровье космонавта в период его нахождения в космическом аппарате, наряду с техническими сложностями, может стать одной из сдерживающих причин развития дальних полетов. Я предположил, что нахождение в летательном аппарате на протяжении длительного времени группы из нескольких человек, в первую очередь неизбежно сопряжено с такими проблемами как психологическое взаимодействие в замкнутом коллективе, а также ограничение двигательной активности.

Следовательно, необходимо исследовать факторы, наиболее часто и сильно оказывающие влияние на состояние космонавтов. С этой целью необходимо изучить специальную литературу и интервью с космонавтами. Чтобы лучше понять как микрогравитация влияет на космонавта, провести ряд экпериментов. После выявления наиболее агрессивных факторов, влияющих на здоровье человека в летательном аппарате, стоит попытаться определить методы устранения данных факторов.

Таким образом, конечной целью моего научно-исследовательского проекта я считаю разработку автоматизированной системы – далее по тексту АРС, позволяющую своевременно реагировать на психо-эмоциональное состояние космонавта, а также помогающую членам экипажа преодолеть излишнее нервное напряжение.

Первостепенными задачами стоит определить возможность восстановления ориентации космонавта в пространстве, а также учет факторов космической групповой психологии и снижения нервно-эмоционального состояния космонавтов.

Глава 1. Космическое влияние на человека во время полета

Медицина на борту

Полеты в космос здоровья не приносят, а скорее наоборот. Поэтому космонавту важно знать, как сохранить здоровье по максимуму. Перед полетом в космос космонавтов не только физически подготавливают, но и учат медико-биологической практике (зашивать раны, делать уколы, оказывать иную срочную мед.помощь).

Изучая литературу и различную информацию из интернет источников по выбранной мною тематике, я узнал, что на борту космических станций есть многочисленные аппараты медицинской диагностики и оказания первой помощи космонавтам, что космонавты перед совершением полетов наряду с занятиями по теории полета, обычной физподготовки и тренировок в невесомости проходят интенсивный курс медико-биологической подготовки. Помимо навыков оказания срочной помощи, космонавтов учат также зашивать небольшие раны, делать уколы и даже вырывать зубы. Аптечка на борту МКС кроме набора для оказания неотложной помощи содержит также некоторые полезные приборы и устройства, в том числе дефибриллятор, портативный прибор УЗИ и специальный оптический прибор для исследования глаза. В настоящее время американские ученые даже заявляют о создании специального роботизированного аппарата, позволяющего проводить операции в условиях невесомости, хотя в силу вполне понятных причин это довольно проблематично.

Более того, в конце 2018 года на МКС завершился первый в мире эксперимент по созданию на орбите живых тканей – биофабрикации. Космонавт Олег Кононенко напечатал на магнитном 3D – биопринтере «Органавт» хрящевую ткань и ткань щитовидной железы мыши. Этот биологический материал уже доставлен на Землю для его дальнейшего изучения и апробации.

Но это все на МКС.

Дела с медицинской диагностикой и оказанием помощи человеку в летательном аппарате в период совершении перелета обстоят сложнее. Доктор Дэвид Грин, преподающий космическую медицину в университете Кингс Колледж в Лондоне совершенно справедливо озабочен этой темой. "На МКС есть ограниченные условия для лечения, но вот "Союз" такими условиями и вовсе не располагает. При вхождении в плотные слои атмосферы при посадке перегрузка может достигать 4-5 единиц», - говорит ученый. Более того предусмотреть на Земле все возможные ситуации заранее просто невозможно.

А между тем, космос — это весьма недружелюбная среда для космонавтов, которым приходится сталкиваться с монотонностью, микрогравитацией, шумом работы корабля и потенциальной опасностью космического вакуума. Все эти угрозы носят не только физический характер, но и оказывают серьезное воздействие на здоровье и психику человека.

Основные факторы влияния на тепло космонавта

Современные исследования стали все больше и больше приобретать характер имитации, или, иначе говоря, «проигрывания», условий будущего полета. Для проработки какой-либо проблемы или новой детали проводятся сложные эксперименты на земле, в рамках которых выявляется и изучается взаимосвязь психологических, физиологических и гигиенических вопросов. В ходе таких исследований составляется прогноз ожидаемых условий в космосе. Так, установлено, что возникновение пространственной напряженности неминуемо сопровождается сильными эмоциональными реакциями и реакциями мышечной скованности.

На земле человек четко понимает себя и расположение своего тела в пространстве. В условиях невесомости и отсутствия точки опоры возникают трудности, связанные с  представлением о своем теле, о его габаритах, о его границах с окружающей средой, о его ориентации в пространстве в каждый конкретный момент. После длительного пребывания в невесомости тело в космосе перестает ощущать верх и низ, так как вестибулярный аппарат не может сказать, где небо, а где земля.

Чтобы понять состояние космонавта во время взлета, обычному человеку достаточно сесть на компьютерный стул и покрутиться на нем вокруг своей оси на протяжении некоторого времени. Я провел такой эксперимент сначала на себе, а затем на членах своей семьи. Оказалось, что возможности вестибулярного аппарата у всех людей разные: так, например, я выдержал почти две минуты непрерывного верчения, моему брату хватило 40 секунд. Дольше всех продержался папа- его время 5 минут! Однако и это ничтожно мало по сравнению с тем временем которое космонавт проводит в схожих условиях. После этого эксперимента у всех участников наблюдалось: повышение пульса, нарушение координации движение, тошнота и головокружение (данные сведены в таблицу - приложение №1).

Конечно, космонавты – люди специально подготовленные в ходе многочасовых ежедневных тренировок, однако, как они сами утверждают, избавиться от укачивания и, как следствие, ухудшения состояния не удается.

Как известно человек на 80% состоит из воды. Как «ведет себя» жидкость в состоянии невесомости, наглядно можно представить с помощью эксперимента с подсолнечным маслом, водой и спиртом, который я провел у себя дома (фотоотчет – Приложение №2).

Для опыта нужны три жидкости: вода, растительное масло и спирт. Масло легче воды, и, если подлить его в банку с водой, оно соберется слоем на поверхности. А если налить это же масло в спирт, оно соберется слоем на дне. Значит, спирт еще легче, чем масло.

Если в стакан с водой долить спирта, то масло, добавленное в эту смесь, утонет в спирте, но не утонет в воде. Оно должно плавать на границе воды и спирта. Так и получилось: масло оказавшись в состоянии невесомости, как бы "парит" на границе раздела спирта и воды. И, словно в кабине космического корабля, это "невесомое" масло собирается в шар, совершенно ровный и гладкий! Разве только приплюснутый, если вода и спирт на границе все-таки немного смешались.

То же самое происходит с любой жидкостью в космосе, в том числе с кровью космонавта. В невесомости жидкость и кровь приливают к голове, это приводит к многочисленным изменениям работы сердечно-сосудистой системы.

Чтобы понять состояние космонавта при этом можно провести такой эксперимент: лечь на кровать и наклонить голову вниз примерно на 5^о от горизонтальной линии. При таком положении происходит смещение жидкости в организме , возникающее в условиях гравитации. Я попробовал – ощущения не самые приятные! А ведь в таком положении космонавт вынужден находится очень длительное время.

Помимо проблем с вестибулярным аппаратом и сердечно-сосудистой системой, невесомость оказывает влияние и опорно-двигательный аппарат. Так, например, каждый месяц тело в космосе теряет 1% костной ткани. Скелет космонавта становится похожим на кости людей, страдающих остеопорозом. При изменении гравитации после возвращения на Землю, астронавты постоянно рискуют получить переломы. Особенно этому подвержена шейка бедра, а это как известно один из самых сложнейших и трудно восстанавливаемых переломов.

Кроме того, длительное пребывание в неподвижном состоянии, а также в условиях невесомости, неизбежно ведет к атрофии мышечной ткани. Снижение массы тела, мышечной массы, минеральной насыщенности костей, уменьшение силы, выносливости, физической работоспособности ограничивают переносимость стрессовых воздействий, характерных для периода нахождения космонавта в полете и возвращения на Землю.

Влияние космоса на психику человека.

Так называемые космические угрозы носят не только физический характер, но и оказывают серьезное воздействие на психику человека.

Все вышеописанные и многие другие факторы космического воздействия могут привести к изменениям функционального состояния центральной нервной системы и в конечном итоге к снижению жизненного тонуса и работоспособности космонавтов.

Во время моего пребывания в апреле прошлого года в лагере «Артек», мы были счастливыми участниками сеанса связи и общения с настоящими космонавтами МКС. Так командир российского экипажа Олег Артемьев рассказал нам о том, влияние невесомости начинаешь чувствовать с первой секунды. А на самых ответственных участках полета (выведение на орбиту, стыковка, выход в открытый космос, спуск с орбиты, приземление, нештатные ситуации) негативное влияние на организм оказывает также нервно-психическое и эмоциональное напряжение.

К числу наиболее общих проявлений неблагоприятного влияния космоса на организм в условий жизни на космическом корабле относится астенизация или синдром хронической усталости - болезненное состояние, проявляющееся повышенной утомляемостью и истощаемостью с крайней неустойчивостью настроения, ослаблением самообладания, нетерпеливостью, неусидчивостью, нарушением сна, утратой способности к длительному умственному и физическому напряжению, непереносимостью громких звуков, яркого света, резких запахов. 

Важно учитывать, что экипаж космического корабля не только работает вместе, как это наблюдается в повседневной жизни в производственных коллективах, но и живет вместе, причем и работа, и отдых экипажа протекают в одних и тех же неизменных условиях. Конечно, все космонавты перед отправлением в полет проходят тестирование и подготовку на предмет психологической совместимости в малой группе. Однако предусмотреть все возможные внештатные ситуации с Земли не возможно, равно как и предугадать реакцию человека в различных ситуациях.

Выводы к главе 1.

Космос - среда для человека крайне неблагоприятная. Человек получает большую долю радиации. Основное воздействие на тело человека связано с нахождения в невесомости и в условиях микрогравитации. С первых секунд проявляется болезнь движения в космической форме (аналог морской болезни), меняется взаимодействие сенсорных систем в организме, нарушается работа вестибулярного аппарата и координация движений.

Меняется обмен веществ и водно-солевой баланс, в крови появляются патологические формы эритроцитов, снижается артериальный и венозный тонус, что приводит к изменениям работы сердечно-сосудистой системы. Страдает опорно-двигательная система.

Среди многочисленных проблем, связанных с практическим освоением космического пространства, важной является проблема психических реакций и состояний человека в условиях орбитальных полетов, длительных полетов к другим планетам и во время пребывания на их поверхности. В длительном полете, как бы ни был загружен рабочий день космонавта, монотонность, однообразие окружающей обстановки могут оказывать угнетающее воздействие на психику. Эти факторы в свою очередь могут привести к изменениям функционального состояния центральной нервной системы и в конечном итоге к снижению жизненного тонуса и работоспособности космонавтов.

Глава 2. Варианты снижения негативных факторов влияния на космонавта во время полета.

Я решил поразмышлять на тему: а что же еще можно сделать для улучшения жизнедеятельности космонавта во время полета.

Для решения выше озвученных проблем целесообразно, на мой взгляд, разработать и внедрить на летательный аппарат Систему, способную в автоматическом режиме реагировать на изменение психо-эмоционального состояния космонавта и специальном образом реагирующую в различных ситуациях.

Для обеспечения работы Системы, необходимо снабдить костюм космонавта встроенными датчиками, расположенными по всему телу, позволяющими непрерывно измерять и фиксировать физиологическое и психо-эмоциональное состояние космонавта и блоком сбора информации, передающей ее на процессор Системы, расположенный в дополнительном отсеке летательного корабля. (Приложение 3 – рисунок скафандра с датчиками).

Спускаемая капсула летательного аппарата должна быть снабжена:

- системой визуального сканирования космонавта и

- экраном проектирования расположения космонавта в пространстве;

Для Капсулы релаксации и процессора сбора и обработки данных АРС необходимо предусмотреть дополнительный отсек в приборном отделении корабля. (приложение №4 – Рисунок летательного аппарата и спускаемой капсулы).

2.1. Восстановление ориентации в пространстве

На земле человек четко понимает себя и расположение своего тела в пространстве. В условиях невесомости и отсутствия точки опоры возникают трудности, связанные с  представлением о своем теле, о его габаритах, о его границах с окружающей средой, о его ориентации в пространстве в каждый конкретный момент. Мне думается, что это вопрос частично может быть сглажен путем выведения автоматической проекции формирования схемы человек — корабль — окружающее пространство на специальный экран, установленный в кабине управления полетом.

Это позволит Космонавту взглянуть на себя со стороны и более точно оценить свое положение в пространстве, что будет способствовать ослаблению напряженности, возникающей при изменении рабочего пространственного поля.

Космонавты кораблей «Союз-4» и «Союз-5» отмечали, что ощущение прилива крови к голове уменьшалось, когда во время вращения корабля космонавты принимали положение по вектору центростремительной силы (головой к центру вращения). Значит, система должна таким образом зафиксировать человека, чтобы в условиях невесомости создать условия для перераспределения крови и увеличить ее приток к верхней половине тела человека. На мой взгляд, данную функцию нужно спроектировать в специальной капсуле релаксации.

Объективными показателями для системы могут служить, например измерение биотоков мышц космонавта, которые будут сигнализировать о чрезмерном мышечном напряжении.

2.2. Снижение влияния на сердечно-сосудистую систему:

Другой важной задачей, на мой взгляд, является решение вопроса с гипокинезией, неизбежно возникающей под влиянием длительного пребывания в вынужденной позе, при резком снижении двигательной активности.

Согласно разработанной медицинской программе, космонавты в период нахождения на МКС ежедневно выполняют комплекс профилактических мероприятий. Их основу составляют физические тренировки на велоэргометре и «бегущей дорожке». Дополнительно космонавтами выполняются упражнения с эспандерами. Однако возможности проводить тренировки во время полета к космическом аппарате у космонавта нет. И даже в условиях уже совершаемых полетов (оптимальным времени считается 6 часов, но иногда случаются внештатные ситуации, как например в марте 2018г., когда космонавты добрались за двое суток до МКС) космонавт ощущает на себе последствия недостаточности двигательной активности.

Трудно себе даже представить, что произойдет с телом космонавта в период полета например на Марс. По расчетам специалистов, работающих над миссией Mars One, время полета составит около 210 дней или 7-8 месяцев.

Для решения проблем с гипокинезией разработаны специальные двигательные режимы для космонавтов, а также системы аутогенной тренировки, т. е. умения попеременно расслаблять и напрягать различные мышечные группы тела, не меняя позы, что достигается с помощью целенаправленного волевого усилия. Мне кажется, эту функцию также может выполнять система в автоматическом режиме, например с помощью встроенного в костюм космонавта прибора прессотерапии, который можно было бы включать в ручном и автоматическом режиме с определенной периодичностью.

Применение такой системы в автоматическом режиме, позволит заблаговременно реагировать на чрезмерную напряженность космонавта и своевременно устранять ее, тем самым повышая комфортность пребывания и работоспособность космонавта.

2.3. Нивелирование факторов космической групповой психологии

Изолированность в условиях небольшого коллектива хоть и менее значимо, нежели одиночество со всеми его особенностями, тем не менее малочисленный экипаж не полностью снимает некоторые из явлений, характерных для одиночества. Поэтому система дежурств и выполнения различных заданий должна быть составлена таким образом, чтобы все члены экипажа могли попеременно взаимодействовать между собой.

Важно учитывать, что экипаж космического корабля не только работает вместе, как это наблюдается в повседневной жизни в производственных коллективах, но и живет вместе, причем и работа, и отдых экипажа протекают в одних и тех же неизменных условиях. Конечно, все космонавты перед отправлением в полет проходят тестирование и подготовку на предмет психологической совместимости в малой группе. Однако предусмотреть все возможные внештатные ситуации с Земли не возможно, равно как и предугадать реакцию человека в различных ситуациях.

Поэтому, на мой взгляд, очень важно обеспечить на корабле на период длительного совместного пребывания группы космонавтов возможность для кратковременного индивидуального уединения. В условиях малого расстояния на космическом аппарате предусмотреть для каждого члена экипажа отдельную каюту не представляется возможным, поэтому система должна позволять создание обособленного индивидуального места, где человек может уединиться. Таким местом может стать капсула релаксации, где при помощи встроенных в костюм датчиков измерения психо-эмоцонального состояния человека автоматически будут подбираться особый уровень освещенности, оптимальный звуковой фон, в отдельных случаях незамедлительная связь с Землей, а при ее отсутствии по каким-либо причинам возможность общения с искусственным интеллектом.

Заключение

В результате проведенного исследования литературных источников по выбранной мною теме, мне удалось убедится, что космос оказывает негативное влияние на здоровье космонавта. Ученые непрерывно трудятся над созданием более благоприятных условий для жизнедеятельности космонавтов в полете. Современные достижения просто поражают простого обывателя своей новизной, техничностью и оригинальностью. Сегодня космонавт уже не один на один с черной бездной, он всегда находится на видеосвязи. У специалистов есть возможность оценить его состояние практически в любую минуту.

В ходе работы над проектом мне удалось наглядно продемонстрировать поведение жидкости в условиях невесомости, в результате чего лучше понять какие именно изменения происходят в организме космонавта. Опыт по верчению вокруг своей оси позволил мне испытать ощущение, близкое к тому, что испытывает космонавт во время полета.

Новейшие технологии помогают космонавтам справиться с различными негативными факторами. Однако, как показало мое исследование этого недостаточно. Факторов, негативно воздействующих на физическое и психическое состояние космонавта великое множество. Кроме того, на мой взгляд, не достаточное внимание уделяется разработкам по улучшению жизнедеятельности космонавта во время нахождения в космическом корабле. Поэтому несмотря на значительные технические достижения, полеты в космос по-прежнему остаются очень сложной и опасной работой, которая не зря именуется подвигом.

Проведенное мною исследование ясно дает понять, что при существующих факторах огромного негативного влияния на человека, даже кратковременные полеты очень тяжело переносятся космонавтом, а о нахождении человека в таких условиях длительно, чтобы скажем долететь до Марса (а это ближайшая к нам планета!) вообще говорить не приходится.

Руководствуясь данными выводами, я разработал свой вариант автоматическая роботизированная система медицинской диагностики и лечения заболеваний человека в летательном аппарате. Предложенная мной АРС призвана решить вопросы нарушения ориентации космонавта в пространстве, снизить негативное влияние на его сердечно-сосудистую и опорно-двигательную систему, а также учитывает и регулирует его психическое состояние.

За роботизацией различных процессов – будущее, не только космической медицины, но и всего человечества в целом. Ученые всего мира непрерывно трудятся над изобретением все новых и новых устройств . Совсем в скором будущем НАСА планирует использовать в качестве космических хирургов - роботов. Такое устройство -  Robonaut-2 - уже находится на борту МКС. Оно уже способно совершать под управлением с Земли основные медицинские процедуры. В будущем, как надеются инженеры, такой работ сможет проводить и сложные хирургические операции.

Но, на мой взгляд, не стоит недооценивать возможно менее глобальные, но нисколько от того не менее ценные разработки, направленные на улучшение качества жизни условно здоровых космонавтов, применяемые ежедневно и непрерывно, как например моя система АРС.

Список используемых литературных источников и интернет- ресурсов

Александровский Ю.А. Состояние психической дезадаптации и ее компенсация. М.: Наука, 1976

Бабийчук А.Н. Некоторые вопросы авиационной и космической медицины // ВМЖ, 1965. № 9.

Батурин Ю. Властелины бесконечности. Космонавт о профессии и судьбе, Издательство Альпина Паблишер, 2018г Леонов А.А., Лебедев В.И. Восприятие пространства и времени в космосе. М.: Наука, 1968

Береговой Г.Т. Роль человеческого фактора в космических полетах // Психологические проблемы космических полетов. М.: Наука, 1982.

Невесомость. Медико-биологические исследования / Под ред. В.В. Парина, О.Г. Газенко, Е.М. Юганова и др. М.: Медицина, 1974

. Панкратов Б.М. Спускаемые аппараты. М.: Машиностроение, 1984

Усманский С.П. «Космонавтика сегодня и завтра», М.Просвещение, 1997

http://pospsy.ru/psihologija-otkrytom-kosmose/

http://psymagazine.moscow/articles/090416

http://ru.wikipedia.org/

https://www.infoniac.ru/news/10-izmenenii-kotorye-proishodyat-s-nashim-telom-v-kosmose.html

https://www.infoniac.ru/news/10-izmenenii-kotorye-proishodyat-s-nashim-telom-v-kosmose.html

http://paranormal-news.ru/news/vlijanie_kosmicheskogo_prostranstva_na_cheloveka/2015-06-26-10991

.

Приложение 1

Результаты эксперимента

Приложение 2

Фотоотчет эксперимента

«Невесомость на кухне»

В стакан с водой нужно аккуратно влить спирт, чтобы жидкости не перемешались. Затем добавить немного подсолнечного масла

Масло собирается в шарики на границе спирта и воды

Приложение 3

Приложение 4