ARED – siłownia na orbicie

0

Astronauci przebywający na orbicie, by zachować sprawność fizyczną zbliżoną do tej z Ziemi, muszą ćwiczyć. Jak jednak podnosić ciężary w warunkach mikrograwitacji?

Cel treningów

Celem wszystkich ćwiczeń na orbicie jest poprawa zdrowia astronautów i ochrona ich ciała przed skutkami długotrwałego przebywania w warunkach mikrograwitacji. Nasze mięśnie i kości są przez cały czas poddawane różnym obciążeniom, z jednym nadrzędnym, towarzyszącym od narodzin aż do śmierci – grawitacją.

Wpływ grawitacji na organizmy żywe jest niezaprzeczalny. Ewolucja na planetach z mniejszą grawitacją przebiegałaby inaczej i analogiczne na obiektach masywniejszych. Wraz ze wzrostem tej siły, na ciało oddziałują coraz większe reakcje podłoża – na planetach znacznie większych od Ziemi skok, nawet z niewielkiej wysokości, mógłby skończyć się kalectwem.

Grawitacja oddziałuje głównie z naszymi kośćmi. Przykładowo, kiedy chodzimy, nasze kości są cały czas ściskane (przez nasz ciężar i siłę reakcji podłoża). Dzięki odpowiedniej budowie, nie łamią się pod wpływem tych obciążeń. Okazuje się nawet, że są one potrzebne – w innym przypadku kościec ulega degeneracji. To tak jakby szkielet „reagował” na działające na niego siły i rozbudowywał się w taki sposób, by efektywnie i ekonomicznie im się przeciwstawiać.

Tkanka kostna nie jest statyczna, jest wciąż przebudowywana w procesie resorpcji i odbudowy. Jest to działanie zgodne z obciążeniami, którym poddawana jest kość (choć nie mogą być za duże, ponieważ prowadzą one do uszkodzenia kości, a nie jej wzmocnienia). Za resorpcję odpowiadają komórki nazywane osteoklastami, a za budowanie nowej tkanki mineralnej kości – osteocytami. W normalnych warunkach tyle ile tkanki zostaje „pochłonięte”, tyle samo jest później budowane (u dorosłego człowieka). Jednakże na orbicie, w warunkach zmniejszonego ciążenia, jest inaczej.

Kiedy kości astronautów nie są poddawane żadnym obciążeniom, ciało reaguje w dziwny sposób – zaczyna pozbywać się zbędnego „balastu”, głównie kości, szczególnie tych dolnej połowy ciała. Proces resorpcji wzmaga się, nie pojawia się jednak odpowiedź osteocytów. Składniki mineralne ze szkieletu są wypłukiwane, a przestrzenie między beleczkami tworzącymi kość stają się coraz większe. Bardzo przypomina to przebieg osteoporozy. Jasnym jest, że życie i zdrowie astronautów jest zagrożone.

Stąd potrzeba, już teraz, w trakcie przebywania ludzi na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, wytworzenia sztucznych obciążeń, którym podda się kości astronautów. Jednym z takich mechanizmów jest ARED – Advanced Resistive Exercise Device – którego najłatwiej opisać jako atlas do ćwiczeń siłowych.

Budowa urządzenia ARED

ARED nie przypomina zwykłego atlasu do ćwiczeń. Taki nie znalazł by zastosowania na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej ze względu na gabaryty (przede wszystkim kształt) i obciążniki, które są zwykle masywnymi blokami, krążkami itp.

ARED jest ograniczony specjalną konstrukcją ze sprężyn i amortyzatorów stanowiącą system izolujący kadłub ISS od drgań spowodowanych pracą na maszynie (VIS – Vibration Isolation System). Łączy w sobie cechy większości najważniejszych przyrządów z siłowni.

Składa się z siedmiu podstawowych części:

  1. Platforma do ćwiczeń – przymocowana do głównej ramy ARED. Jest powierzchnią, która zapewnia oparcie stopom astronautów, ale także spełnia zadanie ściśle naukowe – ukryte pod płytą czujniki obciążenia pozwalają monitorować siły reakcji podłoża działające na nogi trenujących.

  2. Zespół próżniowych cylindrów/tłoków i koło zamachowe – „obciążniki”, które zapewniają odpowiedni opór w warunkach mikrograwitacji. W przypadku tłoków i cylindrów na przyrządy przenoszony jest redukowalny i stały moment, stanowiący symulację ciężaru na Ziemi. Koło zamachowe ma na celu wytwarzanie efektów bezwładnościowych, odczuwanych w trakcie ćwiczeń na Ziemi.

  3. Główne ramię (włączając w to wahacze i drążek do podnoszenia) – na obu końcach drążka znajdują się czujniki obciążenia.

  4. Rama – zawiera się w niej także: mechanizm regulacji obciążeń. Na ramie utwierdzone są cylindry, koło zamachowe i główne ramię oraz kabel na krążku. Dodatkowo znajdują się tam dwa czujniki obciążenia i jeden kąta obrotu (wychylenia).

  5. Bloczek – nawinięta na niego jest linka, służąca do ćwiczeń. Układ połączony z ramą.

  6. Ławka do ćwiczeń – moduł montowany w zależności od potrzeb, umożliwia wykonywanie ćwiczeń w pozycji siedzącej i leżącej. Montowana do platformy.

  7. Podstawka pod piętę – jest to akcesorium (moduł) montowane do platformy na ćwiczenia związane z unoszeniem pięt.

Zasada działania

Opór (sztuczny ciężar, którym operuje astronauta) jest wytwarzany za pomocą ruchu tłoków w cylindrach. Tłoczyska zamontowano do podstawy ramy, która działa jako dźwignia, kiedy główne ramię znajduje się w ruchu.

ARED wyposażony jest także w koło zamachowe, które podczas ruchu głównego ramienia także wprawiane jest w obrót, nadając całemu układowi bezwładności symulującej warunki na Ziemi.

Opór zmienia się regulując ramię działania dźwigni. Obciążenie dla ćwiczeń na drążku waha się od 0 do 270 kilogramów w warunkach normalnego ciążenia (2670 Niutonów).

Obciążenie dla kabla to około 70 kilogramów w warunkach ziemskich.

ARED wyposażony jest w zespół trójosiowych czujników obciążenia ukrytych pod platformą, pozwalających na monitorowanie reakcji w każdym z kierunków trójwymiarowej przestrzeni. Pozostałe czujniki siły służą jedynie do pomiarów jej wartości, bez uwzględniania kierunku. Czujnik obrotu reguluje zakres ruchu głównego ramienia.

Układ wyposażony jest także w jednostkę PC i dotykowy ekran, na którym wyświetlane są zindywidualizowane treningi dla każdego z rezydentów ISS. Komputer zbiera także dane z czujników, po każdej z serii ćwiczeń, umożliwiając monitorowanie wyników i nieprawidłowości w ćwiczeniach. Zapewniona jest komunikacja i przesył danych między systemem ARED a Ziemią – trenerzy w centrum lotów mogą układać nowe programy treningowe w zależności od informacji przedstawianych im przez system.

{youtube}YxImeOomkUk{/youtube}
Astronauta Scott Kelly prezentuje ćwiczenia na Advanced Resistive Exercise Device, czyli ARED. (Credits: NASA; User: ReelNASA)

Korzyści

W połączeniu z odpowiednią dietą, korzyści z ćwiczeń są niezaprzeczalne. Najważniejszym aspektem treningów jest ochrona tkanki kostnej astronautów. Naukowcy porównali dane z lat 2006-2008, do danych zebranych po dostarczeniu ARED na ISS w listopadzie 2008. We wcześniejszym okresie astronauci także ćwiczyli – ale z połową obciążenia dostępnego na ARED. Zauważono, że astronauci zachowali większą gęstość mineralną kości, a poza tym byli bardziej umięśnieni – gdyby ich tkanka mięśniowa zmniejszyła się o 15%, szkody mogłyby być nieodwracalne.

Porównano zdjęcia rentgenowskie kości sprzed lotu i po locie. W trakcie przebywania załogantów na ISS pobierano ich krew i mocz, w celu analizy ilości wytrącających się z kości pierwiastków, świadczących o ich metabolizmie. Okazało się, że resorpcja przyspieszała, ale proces odbudowy także się pojawiał, jako odpowiedź układu na ćwiczeniu. Zmniejszenie gęstości kości było minimalne.

Oprócz dbałości o szkielet astronautów, ważne są także ich mięśnie. Wiele operacji orbitalnych, np.: EVA, wymaga używania siły od astronautów, a w warunkach mikrograwitacji ich tkanka mięśniowa ulega atrofii. Mięśnie rąk, używane w trakcie napraw, czy nawet przemieszczania się po ISS, są mniej zagrożone niż mięśnie nóg, w kosmosie praktycznie niepotrzebne. Stąd dobór ćwiczeń, z których większość jest „na nogi”.

Ćwiczenia na ARED poprawiają także ogólną kondycję, wspomagają układ krążenia (pamiętajmy, że serce to także mięsień!) i zwiększają wydolność astronautów.

Ćwiczenia – czy wystarczają?

Na ARED można wykonywać 29 różnych rodzajów ćwiczeń, wiele z nich może mieć także swoje warianty, stąd liczba ta jest tylko orientacyjna. Same przysiady inaczej oddziałują kiedy wykonywane są na jednej nodze, z nogami rozstawionymi szeroko, czy bardzo głęboko.

Do podstawowych ćwiczeń na orbicie zalicza się martwy ciąg i przysiady. Pozostałe, nie mniej ważne, to unoszenie pięt (na specjalnej podstawie), odwodzenie i przywodzenie bioder, wyciskanie sztangi, ugięcia i wyprosty ramion itp. Szczególnie pożądane są ruchy angażujące mięśnie i kości nóg oraz miednicę, ponieważ te części ciała dotyka największy ubytek tkanki kostnej i mięśniowej w trakcie lotów na orbicie.

Na koniec warto chwilę się zastanowić nad procesem remodelingu kości. Jest on odpowiedzią naszych organizmów na zadane obciążenie. W warunkach ziemskich, jest to przede wszystkim reakcja podłoża na prędkość naszego chodu i ciężar ciała, stąd specyficzna budowa nóg. Niestety, system taki jak ARED nie oddaje w pełni tych obciążeń, które znamy z dnia codziennego. Testowanie gęstości mineralnej kości to nie wszystko, ponieważ mogły zostać przebudowane pod obciążenia zadawane przez ćwiczenia na ARED. Stąd potrzeba dalszych badań, szczególnie tych ukierunkowanych na analizę wytrzymałości mechanicznej.

Źródło: NASA

Model ARED przedstawiający umiejscowienie pary cylindrów/tłoków wytwarzających opór potrzebny do ćwiczeń. (Credits: NASA)Scott Kelly w trakcie ćwiczeń siłowych na ARED. (Credits: NASA)

Share.

Comments are closed.