Locomozione nello spazio include tutte le azioni o i metodi utilizzati per muovere il proprio corpo in condizioni di microgravità attraverso lo spazio esterno. La locomozione in queste condizioni è diversa dalla locomozione in un campo gravitazionale, come quello terrestre. Ci sono molti fattori che contribuiscono a queste differenze, e sono cruciali quando si studia la sopravvivenza a lungo termine degli esseri umani nello spazio.

Sfide della locomozione a gravità ridotta

Gli esseri umani si sono evoluti in un ambiente con gravità pari a 1 G e sono quindi abituati alle normali condizioni atmosferiche della Terra; inoltre, l'ambiente di microgravità dello spazio può avere effetti enormi sul corpo umano e sulla sua locomozione.

Condizioni ambientali Le condizioni ambientali nello spazio sono dure e richiedono attrezzature complesse per la sopravvivenza e lo svolgimento delle attività quotidiane. Sono molti i fattori ambientali da considerare, sia all'interno che all'esterno della navicella spaziale in cui lavorano gli astronauti. Questi fattori includono, ma non si limitano a, il movimento in assenza di peso, l'equipaggiamento generale necessario per raggiungere la destinazione desiderata nello spazio e attrezzature come le tute spaziali che ostacolano la mobilità.Harris, G., & American Astronautical Society. (2001). The origins and technology of the advanced extravehicular space suit (American Astronautical Society. AAS history series ; v. 24). San Diego, Calif.: Published for the American Astronautical Society by Univelt.Reinhardt, A., & Ames Research Center. (1989). Results and applications of a space suit range-of-motion study (NASA technical memorandum ; 102204). Moffett Field, Calif. : Springfield, Va.: National Aeronautics and Space Administration, Ames Research Center ; For sale by the National Technical Information Service. Quando si svolgono attività extraveicolari (EVA) è importante proteggersi dal vuoto dello spazio.Mallan, L. (1971). Suiting up for space; the evolution of the space suit. New York: John Day. L'esposizione a questo ambiente ostile può causare la morte in poco tempo. I principali fattori ambientali di preoccupazione nello spazio includono: assenza di ossigeno differenze estreme di pressione e temperatura livelli di radiazioni più elevati

Effetti nel corpo umano L'esposizione prolungata alla gravità ridotta provoca molti effetti negativi, simili a quelli dell'invecchiamento e delle malattie. Alcuni effetti di lunga durata della gravità ridotta possono essere simulati sulla Terra utilizzando il riposo a letto.

Questi effetti includono: atrofia muscolare Deallenamento (ad esempio costrizione arteriosa, osteopenia) sintomi simili all'invecchiamento o alla malattia spostamenti di fluidi verso la testa (mal di testa, congestione sinusale/nasale, gonfiore facciale) diminuzione del volume muscolare diminuzione della resistenza ossea e fratture aumento della fatica e perdita di forza generale diminuzione del controllo locomotorio cinetosi problemi di vista flatulenza eccessiva altri effetti fisici effetti psicologici Il volume muscolare può diminuire fino al 20% in una missione di sei mesi e la densità ossea nell'anca può diminuire a una velocità di circa l'1,4% in un mese. Uno studio condotto da Fitts e Trappe ha esaminato gli effetti di un volo spaziale prolungato (definito come di circa 180 giorni) sui muscoli scheletrici umani utilizzando biopsie muscolari. È stato dimostrato che l'assenza di peso prolungata causa una significativa perdita di massa, forza e produzione di potenza nei muscoli soleo e gastrocnemio. Esistono numerose contromisure a questi effetti, ma finora non sono stati sufficienti a compensare gli effetti dannosi dei viaggi spaziali e gli astronauti necessitano di una lunga riabilitazione al loro ritorno sulla Terra.

Tecnologia utilizzata per compensare gli effetti negativi Per compensare gli effetti negativi dell'esposizione prolungata alla microgravità, gli scienziati hanno sviluppato numerose tecnologie con vari gradi di successo.

Stimolazione elettrica L'elettrostimolazione muscolare transcutanea (EMS) fa uso della corrente elettrica per stimolare l'attività muscolare. Questo metodo è teoricamente utilizzato per prevenire l'atrofia e la debolezza muscolare. L'efficacia di questo approccio è stata testata in uno studio di riposo a letto di 30 giorni condotto da Duovoisin nel 1989. Sebbene i pazienti mostrassero tassi ridotti di atrofia muscolare nell'arto stimolato, non vi erano prove a sostegno del fatto che questo metodo avrebbe necessariamente prevenuto tali effetti. Più di recente, nel 2003, Yoshida et al. hanno condotto uno studio sulla sospensione degli arti posteriori nei ratti. Questo studio ha concluso che la sospensione degli arti posteriori e l'EMS hanno avuto un certo successo nella prevenzione del deterioramento della funzionalità muscolare indotto dal non utilizzo. Sono stati condotti diversi studi scientifici che menzionano l'applicazione di questa tecnica come contromisura nei voli spaziali a lungo termine.

Tute di carico Le tute di carico sono indumenti utilizzati per aiutare a mantenere il carico sulle ossa durante la loro permanenza nello spazio e che non sono confondere con le tute spaziali, che aiutano gli astronauti a sopravvivere al clima duro all'esterno di un veicolo come la Stazione spaziale internazionale (ISS).

Pingvin suit La tuta Pingvin è progettata per aggiungere carichi muscoloscheletrici a specifici gruppi muscolari durante i voli spaziali, al fine di prevenire l'atrofia dei muscoli della schiena. Questa tuta leggera è dotata di una serie di elastici per creare dei carichi corporei verticali. Carica separatamente la parte superiore e inferiore del corpo. La parte superiore del corpo può sopportare un carico fino a 40 kg. Gli utenti hanno trovato questa tuta calda e scomoda, nonostante il suo peso ridotto.

Gravity Loading Countermeasure Skinsuit (GLCS) Il GLCS è un indumento progettato per aiutare ad attenuare gli effetti del deallenamento muscoloscheletrico. È in parte ispirato alla tuta Pingvin,D.S.F. Portree (March 1995). "Mir Hardware Heritage" (PDF). NASA. p. 69. accesso 2016-04-17. una tuta spaziale russa utilizzata a partire dagli anni '70. Utilizzando materiali elastici per posizionare carichi sul corpo, il GLCS tenta di imitare i carichi gravitazionali sperimentati mentre si è in piedi.Kendrick, D. P. and D. J. Newman (2014). Modeling the Gravity Loading Countermeaure Skinsuit, 44th International Conference on Environmental Systems. Nel 2009 è stato condotto uno studio pilota in volo parabolico per valutare la fattibilità del progetto iniziale. Questa tuta crea un gradiente di carico sul corpo che aumenta gradualmente il carico del peso corporeo nei piedi. Sono state sviluppate ulteriori iterazioni del progetto iniziale e ora la versione attuale della tuta è in fase di test sulla ISS come parte di un progetto di ricerca sponsorizzato dall'ESA.

Altre tute di carico DYNASUIT è un progetto concettuale che prevede una tuta che può essere divisa in molti sottosistemi. Ogni sottosistema controlla un aspetto diverso della tuta. Ad esempio, c'è un sottosistema di parametri biologici che misurerebbe le risposte fisiologiche come segnali muscolari (EMG), frequenza cardiaca, elettrocardiogramma, frequenza respiratoria, temperatura corporea, pressione sanguigna e saturazione del sangue. È presente anche un'unità di controllo centrale, così come un sottosistema muscolare artificiale che propone di utilizzare polimeri elettroattivi (EAP) o pneumatica per applicare forze sul corpo. Presenta inoltre un'interfaccia utente proposta per aiutare l'astronauta a interagire con la tuta. Questo potenziale progetto è ancora in fase di sviluppo e non è stato ancora prototipato.

Terapia farmacologica In generale, il modo in cui il corpo di una persona assorbe i farmaci in condizioni di gravità ridotta è significativamente diverso dalle normali proprietà di assorbimento qui sulla Terra. Esistono inoltre diverse terapie farmacologiche che vengono utilizzate per contrastare alcuni effetti collaterali dei voli spaziali prolungati. Ad esempio, la destroamfetamina è stata utilizzata dalla NASA per combattere la cinetosi spaziale e l'intolleranza ortostatica. È stato proposto l'uso dell'alendronato biofosfato per aiutare a prevenire la perdita ossea, ma non sono state trovate prove conclusive che dimostrino che sia utile in questo senso.

Gravità artificiale La gravità artificiale è l'aumento o la diminuzione della forza gravitazionale su un oggetto o una persona mediante mezzi artificiali. Per generare questa forza gravitazionale artificiale si possono utilizzare diversi tipi di forze, tra cui l'accelerazione lineare e la forza centripeta. È stato dimostrato che l'uso della gravità artificiale per contrastare la microgravità simulata (ad esempio il riposo a letto) sulla Terra ha risultati contrastanti per il mantenimento dei sistemi osseo, muscolare e cardiovascolare. Le centrifughe a braccio corto possono essere utilizzate per generare condizioni di carico superiori alla gravità, che potrebbero aiutare a prevenire la perdita di massa ossea e muscolare scheletrica associata ai voli spaziali prolungati e al riposo a letto. In uno studio pilota condotto da Caiozzo e Haddad nel 2008 sono stati confrontati due gruppi di soggetti: uno che era stato a riposo a letto per 21 giorni (per simulare gli effetti di un viaggio spaziale prolungato) e un altro che era stato a riposo a letto ma esposto alla gravità artificiale per un'ora al giorno. Hanno utilizzato una centrifuga a braccio corto per indurre artificialmente la forza gravitazionale. Dopo aver prelevato campioni di biopsia muscolare, hanno determinato che il gruppo che era stato esposto alla gravità artificiale non mostrava un deficit così grave in termini di area trasversale delle fibre muscolari. Sebbene questa tecnologia abbia il potenziale per contribuire a contrastare gli effetti negativi dei voli spaziali prolungati, l'applicazione di questi sistemi di gravità artificiale nello spazio presenta delle difficoltà. Ruotare l'intera navicella spaziale è costoso e aggiunge un ulteriore livello di complessità alla progettazione. Una centrifuga più piccola può essere utilizzata per fornire un'esposizione intermittente, ma le attività di esercizio disponibili nella piccola centrifuga sono limitate a causa dell'elevata velocità di rotazione richiesta per generare forze gravitazionali artificiali adeguate. Il soggetto può sperimentare "effetti vestibolari e di Coriolis spiacevoli" mentre si trova nella centrifuga. Diversi studi hanno suggerito che la gravità artificiale potrebbe rappresentare una contromisura adeguata per i voli spaziali prolungati, soprattutto se abbinata ad altre contromisure. Un progetto concettuale chiamato ViGAR (Virtual Gravity Artificial Reality) è stato proposto nel 2005 da Kobrick et al. e descrive un dispositivo che combina gravità artificiale, esercizio e realtà virtuale per contrastare gli effetti negativi dei voli spaziali prolungati. Include una bicicletta su una centrifuga e un sistema di realtà virtuale integrato.

Metodi di esercizio

Treadmill Vibration Isolation and Stabilization (TVIS)