Meze člověka

Krajní meze člověka

Skutečný vesmír, stejně jako kosmos fiktivní, scifistický, často vystavuje člověka extrémním podmínkám. Člověk bohužel není vybaven odolností extrémofilních bakterií, ale i tak toho snese poměrně hodně. Rozhodně není bez zajímavosti si připomenout konkrétní limity jeho možností.

Tlaky a plyny

Člověk je živočichem (zpravidla) zcela vázaným na plynné prostředí. Od něj vyžaduje v zásadě tři věci: přijatelný tlak, rozumný obsah kyslíku a nejedovaté složení.

Abychom mohli porozumět následujícím údajům, musíme si zopakovat definici termínu parciální tlak (PP). Jednoduše řečeno, je to celkový tlak vynásobený podílem daného plynu.

Naše atmosféra má tlak blízký 100 kPa. 21% je tvořeno kyslíkem. Můžeme též říci, že parciální tlak kyslíku v ovzduší je 21 kPa. (100*0,21=21)

Pro lidskou potřebu je směrodatný zpravidla právě parciální tlak.

Pokud naši průzkumníci někdy přistanou na vysokotlaké planetě (Venuše, Titan) bude pro ně nejpraktičtější žít v umělé atmosféře o stejném tlaku jako má venkovní prostředí. To je postaví před totožné problémy jako potápěče – budou se muset vyrovnat s efekty zvýšeného tlaku „vzduchu“.

Naopak při pobytu ve vakuu, např. v kosmických skafandrech se s výhodou používá snížený tlak (např. 22 - 40 kPa čistého kyslíku), který snižuje namáhání materiálu i astronauta.

Změny tlaku musejí probíhat postupně, zejména jeho snižování. Při vysokém tlaku se v krvi rozpustí velké množství plynů (jakýchkoli) a při snížení se uvolňují. Pokud se tak stane rychle, vytvoří se bublinky jako v sodovce, které ucpou krevní cévy a způsobí zdravotní problémy nebo smrt. Proto je při snižování okolního tlaku (a nejen při potápění) nutná pozvolná dekomprese.

Dalším problémem přetlaků je HPNS, vysokotlaký nervový syndrom. Nastává v hloubkách pod 130 m, tedy v tlacích nad 1,4 MPa. Tlak vede k hyperexcitaci neuronů, a tedy třesu rukou a závratím. Paradoxně jej lze tlumit malým množstvím dusíku ve vdechované směsi.

Problémem je i fakt, že s rostoucím tlakem vzrůstá hustota plynů, a tedy je stále namáhavější vdechovat a vydechovat, což může vést k hromadění CO2 a udušení. Hélium se svou malou hustotou tyto problémy zmírňuje.

 

Kyslík

Kyslík je plyn dvou odlišných tváří. Je pro nás životně důležitý, protože naše buňky jej používají při svém energetickém metabolismu. Nemáme-li jej po delší dobu, začneme se dusit, naše mozkové buňky odumírají a nakonec zahyneme. Na druhou stranu je kyslík už ze své podstaty plynem agresivním, žíravým a toxickým, ba přímo životu nebezpečným – však také organismům dlouho trvalo, než se jej naučily tolerovat, a dodnes patří oxidativní metabolismus k nejnebezpečnějším procesům v lidských buňkách.

 

Minimální bezpečný PP kyslíku je udáván jako 16 kPa. Pokud je nižší, následuje zpravidla hypoxie, bezvědomí a smrt. Na vrcholu Mt. Everestu je celkový tlak kolem 36 kPa, parciální tlak kyslíku tedy kolem 7,6 kPa. Je však známo, že i na tento vrchol lze po odpovídající aklimatizaci vystoupit bez kyslíkového přístroje.

Nad 5000 m (Tlak 56 kPa, PP O2 12 kPa) ovšem nemůže člověk existovat jako biologický druh, protože narozené děti do 1 roku umírají na poškození plic.

 

Maximální krátkodobě snesitelný PP kyslíku se uvádí jako 140 – 160 kPa. Delší expozice (či vyšší PP) může vyústit v nervové potíže podobné epilepsii, psychické poruchy, výpadky zraku, křeče, bezvědomí a smrt.

Dlouhodobě snesitelný tlak je však mnohem nižší – při tlaku O2 nad 50 kPa po dobu 16 hodin již dochází k poškození plic. 100% kyslík je nebezpečný již po 5 hodinách.

Inhalace nadměrného množství kyslíku může vyvolat nevolnost, závratě a podráždění dýchacích cest.

Škodlivé efekty kyslíku se projevují v lékařství (je-li pacientovi podán čistý kyslík při atmosférickém tlaku) a při potápění, kdy se díky zvyšujícímu se okolnímu tlaku zvyšuje zároveň i PP kyslíku v dýchané směsi.

Při pobytu ve vysokém tlaku je nutno používat směsi s nízkým procentuálním obsahem kyslíku, aby byl zachován PP podobný podmínkám na povrchu Země.

Dýchání čistého kyslíku při tlaku 33 kPa je i dlouhodobě neškodné.

 

I mírně zvýšená hladina kyslíku velmi zvyšuje riziko požárů. 23,5% se již považuje za nebezpečné. Pod 13% naopak běžná paliva (dřevo) prakticky nehoří.

 

Oxid uhličitý

Oxid uhličitý je prevít. Je odpadem našeho metabolismu, a jako takový je samozřejmě nedýchatelný. Kromě toho je ovšem i slabě jedovatý.

V atmosféře je v současné době 0,038% CO2 a jeho obsah mírně stoupá. Naštěstí (?) se v tak nízké koncentraci zdaleka neprojeví jeho toxicita, ale „pouze“ skleníkové účinky. Během dohledné geologické minulosti Země (prvohory-současnost) se jeho obsah pohyboval vždy pod 1% (max. asi 0,5%).

Zvýšený obsah CO2 je škodlivý. Může ovlivnit dýchací centrum (zvýšený obsah CO2 v krvi stimuluje dýchání). Uvádí se, že je možné se na zvýšený obsah CO2 adaptovat.

Efekty na člověka:

Pod 1,5% - Alespoň krátkodobě neškodný, patrně v mezích adaptace.

3-6% - Prohloubený dech, po delší expozici poruchy nočního a barevného vidění. Lze předpokládat zhoršení fyzické a psychické výkonnosti. Alespoň u zvířat bez trvalejších následků.

6-15% - Neschopnost dýchat, zvýšený tep, bolesti hlavy, pocení, neklid, poruchy vidění, zvracení, bezvědomí. Může vést k poškození zdraví.

30% - křeče a bezvědomí

40% a více - smrtící účinky během několika hodin. Poškození plic, srdce, mozku.

 

Dusík

Tento plyn je hlavní složkou našeho ovzduší a za normálních podmínek je neškodný a chemicky nereaktivní. Za zvýšeného PP, např. při potápění, se však chová jako narkotikum (efekty se připodobňují např. k alkoholu). Tzv. dusíková narkóza snižuje vnímání bolesti, zhoršuje úsudek, způsobuje bezstarostnost, malátnost až bezvědomí.

Jako maximální bezpečný tlak dusíku se uvádí 350 kPa. Při 800 kPa se dostavují halucinace a bezvědomí. Reakce na dusíkovou narkózu je však značně individuální věc – podobně jako u alkoholu.

Naproti tomu nedostatek plynného dusíku žádné nepříznivé efekty nevyvolává, proto může být nahrazen jakýmkoli jiným nejedovatým plynem.

 

Argon

Patří mezi vzácné plyny. Je 2x více narkotický než dusík, patrně způsobuje narkózu už nad 150 kPa. Někdy se přesto může požívat při potápění, především jako tepelná izolace. Jeho atomy jsou totiž relativně těžké, a proto špatně vede teplo.

 

Hélium

Používá se při pobytu člověka ve velkých hloubkách jako hlavní dýchací plyn. Nemá totiž narkotické účinky, a nepříznivě se projevuje až nad 1 400 kPa, kdy může způsobit HPNS, což je porucha nervové soustavy z vysokého tlaku. Paradoxně lze tyto účinky zmírnit přidáním malého množství dusíku. S vhodně namíchanou směsí hélia, dusíku a kyslíku lze přežít tlak minimálně 6 200 kPa, a možná i vyšší.

K negativním účinkům se počítá dobrá tepelná vodivost (tj. organismus rychle ztrácí teplo) a vyšší rychlost zvuku v héliu, která způsobuje posun hlasu do pisklavé tóniny.

 

Neon

Neon je pravděpodobně bezpečný do 3 700 kPa. Jeho výhodou je, že lépe tepelně izoluje a nedeformuje hlas jako hélium. V potápění se používá spíše jen experimentálně, je však pravděpodobné, že pro pobyt člověka v extrémních tlacích je dost možná právě neon (či nějaké jeho směsi) tou nejlepší volbou.

 

V tlacích ještě vyšších se naskýtá možnost používat kapalinové dýchání – tedy přijímání kyslíku ze speciálního tekutého média namísto plynu. Prozatím to naráží na několik problémů – dýchat kapalinu je obtížné a nepříjemné, může to vést k poškození plic a většina kapalin neumožňuje rozpuštění dostatečného množství kyslíku.

 

Vakuum

V některých sci-fi jsou hrdinové vystaveni kosmickému vakuu. Někde bez okolků explodují, zatímco jinde se vesele procházejí po kosmu několik desítek sekund, či dokonce několik minut. A co doopravdy?

Na jednu stranu by se zřejmě nestalo nic tak hrozného jako totální exploze. Krátkodobé přežití ve vakuu není zcela vyloučeno. Na druhou stranu je zcela nepravděpodobné, že by se sebekratší pobyt ve vakuu obešel bez vážných zdravotních problémů. Rozhodně bych to nezkoušel!

http://imagine.gsfc.nasa.gov/docs/ask_astro/answers/970603.html

http://www.madsci.org/posts/archives/may98/891504185.Bp.r.html

http://en.wikipedia.org/wiki/Human_adaptation_to_space

http://www.daviddarling.info/encyclopedia/S/space_survival.html

 

1)      Puknutí plic a ušních bubínků
Na Zemi (a v tlakové kosmické lodi) jsme vystaveni tlaku odpovídajícímu deseti tunám na metr čtvereční. Protože však působí zevnitř i zvenčí, nijak nám neublíží, ani jej nevnímáme. Pokud bychom se však ve vakuu snažili zadržet dech, celá tato síla by působila na náš hrudník, jenž by asi explodoval. Totéž platí pro středoušní dutinu, možná i trávicí trakt. Pokud však vzduch ze zmíněných prostor může volně unikat dýchacími cestami, resp. Eustachovou trubicí, neměl by způsobit žádné větší problémy.

2)      Vaření krve
Var kapaliny závisí na okolním tlaku. Pokud jej snížíme, urychlí se odpar nebo dojde dokonce k bouřlivému varu. Při tělesné teplotě voda (a tedy i krev) začíná vřít pod 6 kPa. Naštěstí je kůže schopna vnější tlak kompenzovat. Člověk by tedy zřejmě neexplodoval do podoby oblaku páry. Mohlo by však docházet k otokům, vzniku podlitin, nebo obdobě kesonové nemoci, tedy vyprchávání rozpuštěného vzduchu z krve. Každopádně by docházelo k urychlenému vysušování těla, především sliznic, které by jím mohly být poškozeny. Po smrti by tělo postupně více či méně vyschlo, eventuálně zmrzlo (pokud by nebylo zahříváno Sluncem).

3)      Hypoxie
Ve vakuu není kyslík, a je logické, že po nějaké době člověk ztratí vědomí a zemře. Je značně pravděpodobné, že k tomu dojde rychleji než ve vodě, protože ve sníženém okolním tlaku musí kyslík z krve rychle vyprchávat. Podle údajů ke ztrátě vědomí dojde během 15 sekund, smrt by měla nastat během minut.

4)      Radiace
Slunce produkuje nebezpečné paprsky, např. UV všech typů, ale i jiné. Atmosféra, povrch lodi či skafandr je obyčejně zadržuje, či alespoň oslabuje. Nahý ve vakuu by patrně utrpěl těžké popáleniny a hrozilo by mu oslepnutí, pokud by měl otevřené oči.

5)      Zmrznutí
Vesmír je mrazivý, ale vakuum špatně vede teplo. Člověk by se patrně dříve udusil než by zmrzl. Na druhou stranu odpar ochlazuje, a vlhké povrchy (sliznice) by mohly utrpět lokální omrzliny.

 

Skafandry

http://www.daviddarling.info/encyclopedia/S/spacesuit.html

Skafandr je oblek, který člověku umožňuje přežít tam, kde by jinak nepřežil. V kosmu se jedná o tlakové skafandry – tedy obleky, které jsou nejen vzduchotěsné, ale také udržují uvnitř větší tlak než vně. Problém je v tom, že tento tlak má tendenci skafandr nafukovat do pokudmožno kulovitého tvaru, je tedy nutné jej zhotovit z více či méně pevných částí, které nafouknout nelze. Stinnou stránkou je omezení pohyblivosti.

Další problém spočívá v tom, že tlak brání ohýbání končetin. Pokud se pokusíme ohnout balónek podlouhlého tvaru, zmenšíme tím jeho objem, k čemuž musíme překonávat vnitřní tlak. Po uvolnění vnější síly se rychle vrátí do tvaru původního. Totéž platí i pro končetiny a prsty skafandru. Tento problém se eliminuje a) použitím nižšího tlaku uvnitř skafandru (1/3 – 1/4 atmosféry) b) použitím kovových kloubů (což je značně těžkopádné) c) použitím „harmonikových“ skládaných kloubů, což je lepší, ale stále dosti neohrabané.

K přežití v kosmu potřebuje člověk i systémy podpory života (LSS), které zajišťují jeho fyziologické potřeby. Právě LSS tvoří objemný „batoh,“ který astronauti vlekou na zádech. Co je jeho funkcí?

Vakuum je chladné, ale přesto se člověk ve skafandru přehřívá. Je to proto, že vakuum výborně izoluje (proto se používá v termoskách a vakuových sklech!). Veškeré teplo, které člověk vyprodukuje, tedy zůstává uvnitř jeho obleku. Bez speciálního chlazení by se tedy brzy uvařil.

Další zařízení musejí pohlcovat vydýchanou vlhkost (zapocený průzor při vesmírné procházce není nic moc, a otřít si jej nelze), vydýchaný oxid uhličitý, doplňovat kyslík a v neposlední řadě se starat o produkty astronautovy vylučovací a trávicí soustavy. I tak je pobyt ve skafandru po všech stránkách extrémně fyzicky i psychicky náročný a vyčerpávající.

 

Uvažuje se o nasazení skafandrů, kde by tlak, nahrazující tlak atmosférický, nebyl vyvoláván tlakem plynu, ale elastickým přiléhavým materiálem. Pouze přilba by obsahovala umělou atmosféru. Je jasné, že takový skafandr by umožňoval daleko větší pohyblivost a přirozenou termoregulaci přímým odparem potu. Zatím jsou však tyto obleky ve stádiu vývoje a nebyly dosud nasazeny v kosmu.

Gravitace

Stav beztíže

Nedostatek gravitace se na první pohled možná jeví zábavným, ovšem tak tomu zdaleka není vždy.

45% lidí (trénovaných lidí…) v něm pociťuje „vesmírnou nemoc“ – obdobu mořské nemoci. Většinou odezní do 72 hodin.

Dlouhodobější efekty zahrnují v první řadě hlavně poruchy pohybové soustavy:

Svalovou atrofii, degeneraci kostí (odvápnění – člověk ztrácí 1-1,5% kostní hmoty za každý měsíc), s tím souvisí zvyšování hladiny vápníku v krvi.

Další obtíže jsou spjaté s přesuny tekutin v těle:

Nahromadění tekutin v horní části těla a jejich úbytek v dolní (otoky, bolesti hlavy…), celková dehydratace tkání,ochabování kardiovaskulárního systému, úbytek krevních buněk.

Další obtíže zahrnují tvorbu ledvinových kamenů, poruchy spánku, nechutenství a bolesti hlavy, oslabení imunity, poruchy hojení ran a další zákeřné vlivy.

Některé z těchto příznaků mohou být zmírněny intenzivní fyzickou námahou (cvičení pomáhá zpomalit atrofii kostí a svalů), aplikací ultrazvuku (prozatím experimentálně) či podtlaku na dolní část těla (brání odkrvení nohou).

Stav beztíže je však obecně dlouhodobě nebezpečný, zejména v okamžiku, kdy se astronaut vrací na zem. Jeho organismus je vystaven náhlému šoku a neobvyklé námaze, často se nemůže samostatně postavit a má obtíže s dýcháním. Zdá se, že většina následků s časem vymizí, není to však zcela jisté.

Každopádně mise delší než jeden rok jsou velice riskantní, a není pravděpodobné, že by se k nim přikročilo v rámci průzkumu kosmu. Doletět na Mars a zemřít ze šoku z jeho gravitace není totiž to nejlepší. Pro meziplanetární lety budou využity buď „rychlé“ typy pohonu, anebo umělá gravitace (odstředivá síla).

Otázka je, co by se stalo, kdyby byl člověk trvale ponechán ve stavu beztíže, aniž by se chtěl vrátit. Není to, co vnímáme jako degeneraci, jen určitou formou adaptace? To je velká otázka. Člověk nicméně nebyl konstruován na nulovou gravitaci, a proto není cíleně vybaven na to, aby v ní přežíval. Je proto logické, že „adaptace“ není a nemůže být dokonalá, a beztíže je zdraví škodlivá i sama o sobě. Myslím, že minimálně poruchy imunity a hojení by v delším časovém úseku znamenaly obrovské riziko vzniku nejrůznějších nemocí a poruch, vedoucí patrně ke smrtelným následkům.

Není taktéž jisté, jaká minimální úroveň gravitace je dostatečná pro zachování stoprocentního zdraví člověka. Měsíční? Marsovská? Prozatím nemáme žádná fakta, pouze dohady.

 

Vytváření umělé gravitace rotací kosmické lodi:

http://www.spacefuture.com/archive/artificial_gravity_and_the_architecture_of_orbital_habitats.shtml

http://www.permanent.com/s-centri.htm

http://www.npl.washington.edu/AV/altvw18.html

http://www.firstscience.com/site/articles/brains.asp

 

 

Přetížení

http://en.wikipedia.org/wiki/Gee

Při startu raket jsou astronauti vystaveni vyššímu gravitačnímu zrychlení než panuje na Zemi. Při startu Apolla činilo 4 g, v raketoplánu jen 3g.

Při 2g lidé pociťují tíži končetin, při 3-4 g nedokáží vzpřímeně stát, dýchání a otevírání očí je namáhavé.

Při 4-6 g většina lidí upadne do bezvědomí (blackout) z odkrvení mozku, trénovaní piloti však ve speciálním obleku zdolají i 9 g.

Při 20 g již hrozí fraktury kostí.

Nejlépe se přetížení snáší vleže na zádech (10-17 g po dobu až 3 min). Naopak přetížení „hlavou dolů“ je extrémně nebezpečné, vzniklý přetlak vede k překrvení sítnice, což se projeví „viděním rudě“ a následným výpadkem zraku. Samozřejmé je riziko mozkového krvácení.

Jako rekordní přetížení, které člověk přežil, se udává 179,8 g. Dotyčný David Purley ovšem nebyl astronaut, nýbrž závodník, a jeho rekord nepadl při startu rakety, ale při „přistání“ automobilu. Vzhledem k tomu, že sice přežil, ale v nepříliš kompletním stavu, nedoporučuje se zkoušet to po něm.

S přetížením se kupodivu musí více počítat v raketách než na povrchu planet. Jediná planeta ve Sluneční soustavě s gravitací výrazně vyšší než Země je Jupiter s 2,5 g, a tam se asi lidé hned tak nepodívají. Je značně nepravděpodobné, že by jakákoli obyvatelná planeta (respektive neplynná planeta vůbec) měla gravitaci ještě vyšší. 2,5 g by člověk téměř jistě přežil i dlouhodobě, pokud by byl v dobré fyzické kondici. Ostatně též na Zemi existují lidé, jejichž váha je 2,5x větší než hmotnost průměrného člověka, a i oni jsou schopni existovat a pohybovat se.

Radiace

Jednotkou ozáření  je 1Gy (Gray = 100 rad =1 Joule na 1 kg).

Příznaky jaderného ozáření jsou následující: Akutní nemoc z ozáření se dostavuje od 2 Gy. V rozmezí 4-8 Gy se objevuje zarudnutí pokožky, zákal oční čočky, poruchy krvetvorby a srážlivosti, a také reverzibilní sterilizace. Při 10 Gy nastává krvavý průjem, totální minerální rozvrat organismu a zpravidla smrt.

 

V kosmu existuje mnoho typů radiace. Liší se pronikavostí, typem účinků i nebezpečností. Kromě akutních zdravotních problémů se objevují i dlouhodobé a latentní obtíže – nádorové bujení, mutace a poškození pohlavních buněk, vedoucí k defektnímu potomstvu. Efekt ozáření nemusí být přímo úměrný jeho síle a trvání – někde je slabé záření neškodné a riziko se projeví až při překročení určité dávky, jinde naopak vyšší dávka aktivuje ochranné mechanismy chránící naší DNA, zatímco při dávce nižší se neaktivují, a výsledné poškození je tedy paradoxně větší.

 

Z elektromagnetického záření je nebezpečné UV – v meziplanetárním prostoru chybí ozónová vrstva, jeho nebezpečnost je proto mnohem vyšší. Ohrozit nás však může i obyčejné sluneční světlo, jehož intenzita je mimo atmosféru nebezpečná. Proto musí být kosmonauti vybaveni speciálními slunečními a UV filtry. Jinak by jim hrozily spáleniny, rakovina kůže či oslepnutí.

Paprsky X neboli rentgenové se uvolňují zejména při slunečních erupcích. Jsou pronikavější, ochranou je jedině vrstva kovu.

 

Částicová radiace pochází ze Slunce (převážně protony) i z Galaxie, a je de facto obdobou radioaktivního záření, ač se od něj více či méně liší svou povahou.

Velmi nebezpečná je v místech radiačních pásů. To jsou oblasti, kde magnetické pole planet akumuluje nabité částice. Pozemské radiační pásy může rychle se pohybující kosmická loď (např. Apollo) proletět bez většího rizika, horší je to třeba u Jupiteru. Bez opravdu masivního stínění (síla v řádu decimetrů či spíše metrů) by tam jakákoli živá bytost okamžitě zahynula.

Problematické jsou též sluneční erupce, které vyvrhují rychle létající částice. Astronauti na ISS se před nimi musejí ukrývat do nejlépe chráněných částí lodi, ačkoli je stále částečně chrání magnetosféra Země.

Při letu na Mars je problém mnohem horší. Stávající kosmické stanice a lodě jsou chráněny jen několika centimetry hliníku, což je nedostatečné. Silná sluneční erupce by mohla posádku zabít, či vyvolat nemoc z ozáření. Loď by byla asi vybavena speciálním „krytem,“ kam by se astronauti v případě nouze ukryli. Nutností je v tomto případě včasné varování – uvádí se, že je možné posádku varovat 15 minut předem. Problém dostatečného stínění však dosud nebyl spolehlivě vyřešen – zřejmě se přikročí ke kompozitním materiálům lepším než je aluminium.

Pro pokročilé kosmické lodě se uvažuje o elektromagnetickém stínění – umělé magnetosféře, ale dokonce ani ona není schopna zachytit úplně všechny složky kosmické radiace.

http://en.wikipedia.org/wiki/Solar_flare

http://www.thespacereview.com/article/308/1

http://www.futurepundit.com/archives/002704.html