Przygotowanie astronautów do lotów w kosmos [ANALIZA]

IGNIS to technologiczno–naukowa misja zaplanowana na pokład Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ang. International Space Station – ISS). Podczas jej trwania zakłada się testowanie nowych systemów technologicznych oraz eksperymentów medycznych. Udział dr Sławosza Uznańskiego - Wiśniewskiego to wydarzenie przełomowe dla polskiego sektora kosmicznego. Po raz pierwszy od czasów generała Mirosława Hermaszewskiego obywatel Polski poleci w kosmos jako pełnoprawny członek załogi ESA (ang. European Space Agency – ESA), a nie delegowany uczestnik w ramach programu ZSRR.

Zanim astronauta zasiądzie w kapsule startowej i zostanie wyniesiony do przestrzeni kosmicznej jest zobligowany przejść jeden z najbardziej wymagających procesów szkoleniowych. Kosmos stanowi środowisko skrajnie ekstremalne. Przede wszystkim jest pozbawiony atmosfery, grawitacji i osłony przed promieniowaniem kosmicznym. Przetrwanie człowieka w przestrzeni pozaziemskiej staje się w pełni uzależnione od technologii, ponieważ organizm ludzki jest ewolucyjnie przystosowany do życia na Ziemi. Wobec tego, koniecznie należy przystosować go do funkcjonowania w stanie mikrograwitacji. Z kolei psychika musi zostać przygotowana na izolację, stres, przeciążenia i poczucie oderwania od świata.

Właśnie dlatego przygotowanie astronautów to proces wieloletni, złożony i wielopłaszczyznowy. Obejmuje on nie tylko badania medyczne i fizyczne treningi. Uwzględnia również naukę i obsługę systemów pokładowych, symulacje awarii, szkolenia w zakresie współpracy międzynarodowej, psychologii stresu oraz trening w warunkach zbliżonych do mikrograwitacji.

Etap I – selekcja kandydatów

Proces selekcji astronautów to jedno z najbardziej wymagających etapów rekrutacyjnych. Szacuje się, że zaledwie 0,1% kandydatów lub mniej przechodzi wszystkie etapy kwalifikacji i otrzymuje możliwość rozpoczęcia właściwego szkolenia. W ostatnim naborze Europejskiej Agencji Kosmicznej w 2022 roku, do etapu końcowego zakwalifikowano zaledwie 17 kandydatów spośród 22,5 tysięcy aplikujących.

Podstawą selekcji są badania lekarskie, które wykluczają wszelkie istotne odchylenia od normy zdrowotnej. Kandydaci muszą reprezentować nieskazitelny stan zdrowia; nie są tolerowane przewlekłe schorzenia, wady układu krążenia, zaburzenia neurologiczne, choroby autoimmunologiczne. Wymagana jest także ponadprzeciętna odporność immunologiczna oraz nienaganny stan układu ruchu, niezbędny do wykonywania zadań w mikrograwitacji i podczas spacerów kosmicznych.

Ocenie podlega m. in. wydolność krążeniowo–oddechowa, równowaga i układ przedsionkowy, koordynacja wzrokowo–ruchowa, percepcja głębi i zdolność widzenia w trudnych warunkach oświetleniowych, ogólna sprawność biomechaniczna. Dodatkowo, kandydaci przechodzą szczegółową diagnostykę obrazową, badania hormonalne i genetyczne, testy odporności na infekcje oraz działanie leków. Ostatnie z wymienionych jest szczególnie ważne z uwagi na to, że na ISS nie ma możliwości przeprowadzenia pełnej interwencji medycznej.

ESA, NASA, Roskosmos i CNSA dysponują własnymi ośrodkami medycyny kosmicznej, które prowadzą te badania na poziomie niedostępnym w klasycznej opiece zdrowotnej. Warto dodać, że nie tylko obecny stan zdrowia ma znaczenie. Analizowany jest również długoterminowy potencjał biologiczny. Obejmuje on prognozy sprowadzające się do określenia w jaki sposób organizm może się zachowywać w warunkach izolacji i promieniowania kosmicznego.

Równie istotna co kondycja fizyczna jest odporność psychiczna. Przestrzeń kosmiczna to środowisko izolacji, monotonii, ograniczonej prywatności i ciągłej czujności. Astronauci są zmuszeni funkcjonować przez wiele miesięcy w zamkniętych modułach, w towarzystwie tej samej załogi, bez możliwości „wyjścia na zewnątrz”.

W trakcie rekrutacji kandydaci przechodzą szereg testów i wywiadów. W zakresie testów przeprowadza się testy osobowościowe, testy zdolności poznawczych pod wpływem stresu oraz symulacje zespołowe w warunkach izolacji. W ramach wywiadów realizowane są rozmowy behawioralne z psychologami i psychiatrą w celu oceny kompetencji miękkich: empatii, komunikacji, zdolności do mediacji konfliktów. Idealny kandydat to osoba odporna na frustrację, umiejąca funkcjonować w hierarchicznym zespole i elastycznie reagować na zmiany bez przejawiania cech lidera lub samotnika.

Przede wszystkim współczesny astronauta to wysoko wykwalifikowany specjalista. Z tego względu większość astronautów posiada wykształcenie w dyscyplinach STEM (ang. Science, Technology, Engineering, Mathematics). Szczególnie cenione są: inżynieria lotnicza i kosmiczna, fizyka stosowana i fizyka cząstek, medycyna i biotechnologia, automatyka i robotyka, informatyka i systemy sterowania.

Oprócz wiedzy teoretycznej, kandydat musi wykazywać umiejętność szybkiego przyswajania nowych procedur technicznych oraz rozwiązywania problemów pod presją czasu. Umiejętność logicznego myślenia w warunkach stresu jest badana specjalistycznymi testami. Obowiązkowa jest znajomość języka angielskiego na poziomie biegłym (C1/C2), ponieważ jest to język operacyjny ISS. W przypadku lotów realizowanych z użyciem rosyjskich systemów wymagana jest również znajomość języka rosyjskiego w mowie i piśmie.

Etap II – trening fizyczny

Lot w kosmos to ekstremalna próba dla ludzkiego ciała. W ciągu zaledwie kilku dni od wejścia na orbitę okołoziemską rozpoczyna się proces atrofii mięśni i odwapniania kości, który może prowadzić do poważnych zaburzeń funkcjonowania po powrocie na Ziemię. Z tego powodu utrzymanie wysokiego poziomu kondycji fizycznej stanowi konieczność przetrwania.

Trening fizyczny rozpoczyna się na długo przed lotem i trwa nieprzerwanie aż do momentu zakończenia misji. Astronauci przygotowują się pod okiem zespołów specjalistów według indywidualnie dopasowanych planów. Podstawowe cele treningów to: zwiększenie wydolności układu krążeniowo–oddechowego, utrzymanie masy i siły mięśniowej, poprawa koordynacji nerwowo–mięśniowej, trening równowagi i propriocepcji, profilaktyka przeciążeń kręgosłupa i stawów.

Trening zazwyczaj obejmuje katalog różnorodnych ćwiczeń. Wśród nich niezbędne są: bieganie na bieżni z uprzężą, która odtwarza „efekt grawitacji”, ćwiczenia oporowe, treningi interwałowe o wysokiej intensywności, jazda na rowerze stacjonarnym.

W trakcie misji na ISS astronauci ćwiczą około 2 godzin dziennie, 6 dni w tygodniu, by ich organizmy były w stanie funkcjonować po powrocie w ziemskiej grawitacji. Badania wykazały, że bez ćwiczeń w kosmosie człowiek traci miesięcznie nawet do 20% siły mięśniowej i 1–2% gęstości kości.

Start rakiety nośnej oraz lądowanie to momenty, w których astronauta poddawany jest silnym przeciążeniom. Mogą one osiągać wartość nawet 4–5 g, czyli 4–5-krotność ciężaru własnego ciała. Aby było ono w stanie funkcjonować w takich warunkach, niezbędne jest specjalistyczne przygotowanie fizjologiczne i techniczne. W tym celu kandydaci do lotu trenują w: wirówkach przeciążeniowych, które symulują przyspieszenie liniowe i rotacyjne, symulatorach kapsuł, odwzorowujących pozycję startową i układ foteli, kabinach wibracyjnych, imitujących drgania rakiety w czasie startu.

Podczas tych ćwiczeń astronauci uczą się stosowania techniki L–1. Oznacza ona sposób oddychania, który pozwala utrzymać przepływ krwi do mózgu i uniknąć utraty przytomności (ang. G–force induced Loss of Consciousness – G–LOC). Technika ta polega na świadomym napinaniu mięśni brzucha i nóg przy jednoczesnym rytmicznym i kontrolowanym oddychaniu.

Dodatkowo ćwiczy się świadomość przestrzenną i orientację w warunkach utraty równowagi oraz odruchowe reagowanie na zmiany przeciążeń. Ciało musi być przygotowane na dezorientację sensoryczną i „kosmiczną chorobę lokomocyjną” (ang. Space Motion Sickness), która dotyczy około 70% astronautów w pierwszych dniach misji.

Etap III – szkolenie techniczne

Podstawą treningu technicznego są symulatory statków kosmicznych oraz modułów orbitalnych. Kandydaci spędzają setki godzin w replikach kapsuł, ucząc się każdego etapu lotu i obsługi systemów pokładowych. Trening obejmuje: uruchamianie silników, kontrolowanie trajektorii, nawigację orbitalną, dokowanie do Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, a także procedury bezpiecznego powrotu na Ziemię.

Instruktorzy przeprowadzają symulacje sytuacji awaryjnych, w tym pożaru, utraty ciśnienia, awarii zasilania, konieczności ewakuacji kapsuły, aby przygotować astronautów do zachowania pełnej kontroli w ekstremalnych warunkach. W takich scenariuszach konieczne jest wyćwiczenie pamięci mięśniowej, by każda reakcja przebiegała natychmiastowo i bezbłędnie, ponieważ opóźnienie lub pomyłka mogą zadecydować o losie całej załogi.

Równolegle z treningiem w symulatorach prowadzone są zajęcia z zakresu obsługi skafandrów kosmicznych oraz systemów podtrzymywania życia. Nauka obsługi skafandra obejmuje zakładanie i zdejmowanie go w ciasnych przestrzeniach airlocków, konfigurację systemów wewnętrznych oraz działania naprawcze w razie uszkodzeń. Szczególny nacisk kładzie się na ćwiczenia precyzyjnych manewrów wykonywanych w rękawicach, które ograniczają sprawność manualną.

Szkolenie techniczne nie kończy się na obsłudze kapsuły i skafandra. Dużą część programu stanowi nauka zarządzania systemami pokładowymi Międzynarodowej Stacji Kosmicznej lub innych habitatów orbitalnych. Astronauci uczą się obsługi i diagnostyki układów elektrycznych, filtrów powietrza, systemów przetwarzania wody i urządzeń komunikacyjnych. Poznają zasady działania systemów klimatyzacji, regulacji wilgotności i kontroli stężenia dwutlenku węgla.

Etap IV – szkolenie w warunkach mikrograwitacji

Jednym z najbardziej wymagających aspektów pobytu w przestrzeni kosmicznej jest konieczność funkcjonowania w środowisku mikrograwitacji. Oznacza to, że panujące warunki są niemal całkowicie pozbawione siły ciężkości. Dla ludzkiego ciała i psychiki to doświadczenie nienaturalne i dezorientujące. Ulega zmianie układ odniesienia, zanikają typowe punkty podparcia, a każde działanie wymaga kontroli ruchu i precyzyjnego planowania.

Największym i najbardziej zaawansowanym obiektem na świecie pozwalającym na trening w symulowanych warunkach mikrograwitacji jest Neutral Buoyancy Laboratory (NBL), czyli basen treningowy należący do NASA, znajdujący się w Houston. Ma on ponad 60 metrów długości i 12 metrów głębokości, a w jego wnętrzu zanurzone są pełnowymiarowe repliki modułów Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. W tym środowisku astronauci doskonalą umiejętności wykonywania złożonych czynności serwisowych i naukowych.

Każdy ich ruch jest uważnie obserwowany przez zespół instruktorów oraz nurków wspierających ich pod wodą. Woda, odpowiednio wyważona przez kamizelki balastowe i systemy pływalności, pozwala stworzyć iluzję braku grawitacji, choć wciąż z pewnymi fizycznymi ograniczeniami. Treningi te są wyczerpujące, gdyż mogą trwać po sześć godzin dziennie przez wiele tygodni i wymagają znacznej siły fizycznej, cierpliwości oraz umiejętności planowania każdego ruchu.

Drugim filarem szkolenia w mikrograwitacji są loty paraboliczne, znane potocznie jako „loty zerowej grawitacji” lub „loty w samolocie Zero–G”. Prowadzi się je na pokładzie zmodyfikowanych konstrukcji samolotów pasażerskich Boeing 727 lub Airbus A310. Obiekt symuluje wznoszenie po stromej trajektorii, a następnie gwałtowne opadanie, tworząc wewnątrz kabiny stan nieważkości trwający około 20–25 sekund. Cały lot obejmuje serię kilkunastu, a nawet kilkudziesięciu takich manewrów, co pozwala astronautom na wielokrotne doświadczanie realnych warunków mikrograwitacji w krótkich odstępach czasu.

W tym czasie ćwiczy się orientację w trójwymiarowej przestrzeni, kontrolowane przemieszczanie się po pokładzie kapsuły, obsługę narzędzi oraz precyzyjne manipulacje sprzętem naukowym. Dla wielu uczestników lotów parabolicznych pierwsze chwile nieważkości bywają dezorientujące. Jednak poprzez wielokrotne powtarzanie tych manewrów astronauci uczą się, jak zachować pełną kontrolę nad własnym ciałem, przemieszczać się bez użycia siły oraz działać precyzyjnie w przestrzeni.

Etap V – przygotowanie do spaceru kosmicznego

Spacer kosmiczny (ang. Extravehicular activity – EVA) zalicza się do najbardziej spektakularnych i wymagających zadań, jakie może wykonać człowiek w przestrzeni pozaziemskiej. W jego trakcie astronauta opuszcza bezpieczne wnętrze obiektu kosmicznego i wykonuje prace serwisowe, instalacyjne lub naukowe na zewnątrz modułów orbitalnych. Odbywają się one w całkowitej próżni, pozbawionej powietrza, dźwięków, grawitacji, a także osłony przed promieniowaniem. To sprawia, że EVA to operacja o podwyższonym ryzyku, wymagająca perfekcyjnego przygotowania technicznego, fizycznego i psychicznego.

Przygotowanie do spaceru kosmicznego rozpoczyna się wiele miesięcy przed planowaną misją. Astronauci zapoznają się z obsługą skafandra EVA, który chroni ich ciało przed temperaturą (sięgającą od –150 do +120°C), zapewnia tlen, odprowadza dwutlenek węgla, umożliwia komunikację z załogą i kontrolą misji oraz pozwala na poruszanie się w stanie mikrograwitacji.

Obsługa skafandra to umiejętność wieloetapowa. W pierwszej kolejności należy go odpowiednio założyć, przeprowadzić testy szczelności, ustawić wewnętrzne parametry ciśnienia, temperatury, wentylacji i komunikacji. Następnie trzeba przez kilka godzin funkcjonować w jego wnętrzu mimo sztywności, ograniczonego pola widzenia i obciążenia dla układu mięśniowego.

Ważnym aspektem przygotowań do spacerów kosmicznych jest nauka poruszania się poza ISS z wykorzystaniem linek bezpieczeństwa (tetherów). Każdy astronauta jest przypięty do struktury stacji specjalnymi karabinkami, które zapobiegają oddaleniu się w przypadku utraty chwytu. Jednak to nie wystarcza i z tego powodu członkowie załogi muszą opanować korzystanie z systemu ratunkowego SAFER (ang.Simplified Aid For EVA Rescue). Stanowią go miniaturowe dysze odrzutowe zamontowane na plecach skafandra. SAFER umożliwia bezpieczny powrót do stacji w przypadku zerwania połączenia linowego i dryfowania w otwartej przestrzeni kosmicznej.

Szkolenie obejmuje także realistyczne scenariusze awaryjne. Astronauta jest zobligowany wiedzieć jak zareagować na rozszczelnienie skafandra, awarie systemów podtrzymywania życia oraz utratę komunikacji z kontrolą misji. Sytuacje te mogą stanowić bezpośrednie zagrożenie życia, dlatego procedury muszą być opanowane do perfekcji, a decyzje podejmowane w ciągu sekund. Dodatkowo należy opanować procedury ewakuacyjne i konieczność współpracy z partnerem EVA, gdyż spacery zawsze odbywają się w parach.

Etap VI – przygotowanie psychologiczne i społeczne

Wysyłając człowieka w kosmos, agencje kosmiczne muszą brać pod uwagę nie tylko wyzwania techniczne i fizjologiczne, ale także psychikę astronauty. Długotrwała izolacja, zamknięcie w ograniczonej przestrzeni oraz konieczność życia i pracy w ścisłej współpracy z tą samą grupą ludzi mogą prowadzić do napięć, znużenia, frustracji i spadku wydajności.

Jednym z najważniejszych narzędzi tego przygotowania są symulacje długoterminowych misji. Za przykład może posłużyć projekt Mars500, w którym uczestnicy przebywali przez ponad 500 dni w zamkniętym module, symulując podróż na Marsa. W takich środowiskach testuje się reakcje psychiczne, sposoby radzenia sobie ze stresem, zarządzanie rytmem snu, odpoczynkiem i produktywnością w warunkach monotonnego trybu życia.

Istotnym elementem jest też nauka technik autoregulacji emocji w formie ćwiczeń oddechowych, technik relaksacyjnych, strategii zarządzania konfliktem i stresem w czasie rzeczywistym. Astronauci powinni być zdolni rozpoznawać oznaki przeciążenia psychicznego u siebie i innych w celu zachowania bezpieczeństwa misji.

Ważnym aspektem przygotowań jest trening międzykulturowy, ponieważ różnice językowe, obyczajowe i komunikacyjne mogą prowadzić do nieporozumień. Astronauci przechodzą szkolenia z zakresu różnic kulturowych, stylów komunikacji i metod rozwiązywania konfliktów. Uczą się także podstawowych zwrotów w językach partnerów misji oraz uczestniczą w warsztatach z psychologami, którzy pomagają im zrozumieć mechanizmy pracy w wielonarodowym zespole.

Etap VII –  szkolenie medyczne i ratunkowe

Podczas misji kosmicznych dostęp do pomocy medycznej jest ograniczony. W związku z tym, każdy astronauta musi posiadać gruntowną wiedzę i praktyczne umiejętności z zakresu medycyny ratunkowej. Niezależnie od swojego wykształcenia i wcześniejszych doświadczeń, odbywa intensywne szkolenie medyczne, obejmujące pierwszą pomoc oraz bardziej zaawansowane procedury, które mogą okazać się niezbędne na orbicie okołoziemskiej.

Podstawą są umiejętności szybkiego diagnozowania i reagowania na nagłe przypadki, do których zaliczają się omdlenia, udary cieplne, reakcje alergiczne, problemy z krążeniem, infekcje. Astronauci muszą rozpoznać objawy chorób w warunkach mikrograwitacji, gdzie fizjologia człowieka funkcjonuje inaczej niż na Ziemi, a objawy mogą być nietypowe. Ćwiczą używanie sprzętu medycznego dostępnego na pokładzie stacji kosmicznej, w tym zestawów pierwszej pomocy, defibrylatorów AED, urządzeń do pomiaru parametrów życiowych, mobilnych zestawów diagnostycznych.

Oprócz zagrożeń zdrowotnych, astronauci powinni być również gotowi na sytuacje awaryjne po zakończeniu lotu. Ewakuacja po nieplanowanym lądowaniu to ryzyko, które wciąż się liczy, zwłaszcza w przypadku kapsuł powracających z orbity. Szkolenie integruje scenariusze awaryjnego opuszczania kapsuły, używania tratw ratunkowych, przetrwania w ekstremalnych warunkach pogodowych i korzystania ze środków sygnalizacyjnych w celu wezwania pomocy. Uczą się także współpracy ze służbami ratunkowymi oraz działania w sytuacjach, gdy kontakt z bazą jest ograniczony lub zerwany.

Szkolenie medyczne i ratunkowe to nie tylko zabezpieczenie przed zagrożeniami. Stanowi ono element budowania zaufania w zespole oraz świadomości, że w razie kryzysu każdy członek załogi potrafi zareagować profesjonalnie, zadbać o bezpieczeństwo innych i przejąć odpowiedzialność za zdrowie partnerów w przestrzeni kosmicznej.