Anzug mit mechanischem Gegendruck

Ein mechanischer Gegendruckanzug (MCP-Anzug) , auch Teildruckanzug , Direktkompressionsanzug oder Weltraumanzug ( SAS ) genannt, ist ein experimenteller Raumanzug , der mittels eng anliegender elastischer Kleidung einen stabilen Druck auf die Haut ausübt. Der SAS wird nicht wie ein herkömmlicher Raumanzug aufgeblasen, sondern nutzt mechanischen Druck anstelle von Luftdruck, um den menschlichen Körper in Umgebungen mit niedrigem Druck zu komprimieren. Die Entwicklung wurde von der NASA und der US-Luftwaffe Ende der 1950er-Jahre und erneut Ende der 1960er-Jahre begonnen, jedoch wurde keiner der beiden Entwürfe eingesetzt. Am Massachusetts Institute of Technology (MIT) wird derzeit an einem „Bio-Suit“-System geforscht, das auf dem ursprünglichen SAS-Konzept basiert. ^{[ 1 ]}

Der menschliche Körper kann den Aufenthalt im Vakuum des Weltraums kurzzeitig ungeschützt überstehen ^{[ 2 ]} , entgegen mancher Darstellungen in populärwissenschaftlichen Science-Fiction-Werken . Die menschliche Haut benötigt keinen Schutz vor dem Vakuum und ist von Natur aus gasdicht. Das menschliche Gewebe dehnt sich unter diesen Bedingungen auf etwa das Doppelte seines Volumens aus, was eher an einen Bodybuilder als an einen überfüllten Ballon erinnert. Dem kann durch mechanischen Gegendruck eines geeignet konstruierten Kleidungsstücks entgegengewirkt werden. Das Bewusstsein bleibt bis zu 15 Sekunden erhalten, bevor die Auswirkungen des Sauerstoffmangels einsetzen. Um dem entgegenzuwirken, ist ein Helm erforderlich, der die Atemgase zurückhält und Ohren und Augen schützt. ^{[ 3 ]} Diese Effekte wurden durch verschiedene Unfälle in großer Höhe, im Weltraum und in Trainingsvakuumkammern bestätigt. ^{[ 4 ] [ 2 ]}

Die Kühlung des Astronauten in einem Raumanzug mit Luftunterstützungssystem (SAS) erfolgt im Allgemeinen durch Verdunstung des Körperschweißes, der vom Anzug in alle Richtungen abgegeben wird. Wasser, Salze und Proteine ​​können sich auf Optiken und anderen empfindlichen Oberflächen ablagern und diese beschädigen oder beeinträchtigen. Dies kann die Funktionalität eines SAS einschränken. Bei den aufgeblasenen Raumanzügen des Space Shuttles , der Internationalen Raumstation und des Apollo-Programms wurde die Kühlung im primären Lebenserhaltungssystem durch Sublimation von Wasser im Vakuum erreicht.

1959 arbeitete Hans Mauch an atmungsaktiver Unterwäsche für den Mercury-Raumanzug, als er die Idee für ein mechanisches Gegendrucksystem entwickelte. Das Team um Mauch stellte fest, dass sich geschlossenzellige Schäume , die Gas in ihrer Struktur einschließen, bei sinkendem Außendruck ausdehnen. Indem der Schaum von einer nicht expandierenden Außenschicht umschlossen wurde, würde der Druck auf den Körper mit sinkendem Druck zunehmen. Dies schien eine Konstruktion zu ermöglichen, die eine deutlich bessere Bewegungsfreiheit als die nahezu starre Mercury-Konstruktion bieten würde. ^{[ 5 ]}

Ende 1959 erhielt Mauch Laboratories von der US Air Force den Auftrag , im Rahmen der geheimen X-20 Dynasoar -Entwicklung der Air Force ein funktionsfähiges Modell zu entwickeln. Das Programm lief bis 1962; in dieser Zeit beteiligte sich auch die NASA . Der Anzug bestand aus einer Schaumstoffschicht zwischen zwei Stofflagen. Die innere Lage lag direkt auf der Haut (oder der Unterwäsche) des Trägers und sorgte für mechanische Stabilität, die äußere Lage schützte den Anzug. Ein separater, sperriger Helm lieferte Druck und Atemgase. Ähnlich wie bei der Unterwäsche, die Mauch für Mercury entwickelte, erfolgte die Wärmeregulierung durch direkte Schweißtranspiration durch den Stoff. Der fertige Anzug war, abgesehen vom großen Helm, etwa so sperrig wie der ursprüngliche Mercury-Anzug. ^{[ 5 ]}

Erweiterte Vakuumtests wurden erfolgreich durchgeführt, jedoch erwies sich der Anzug als weniger beweglich als erwartet, weshalb die Weiterentwicklung eingestellt wurde. ^{[ 5 ]}

Die Einführung verbesserter Stoffe führte zu Paul Webbs Konzept für eine neue Bauweise von SAS. ^{[ 6 ]} Weitere Arbeiten wurden in Auftrag gegeben, um verschiedene Konstruktionskonzepte zu testen. Zwischen 1968 und 1971 wurden zehn Konstruktionen mit zunehmender Komplexität gebaut, die schließlich zu einer Reihe erfolgreicher Tests in Vakuumkammern führten. Der längste Test dauerte zwei Stunden und 45 Minuten.

Die Tests verliefen erfolgreich: Die Praxistauglichkeit eines mechanischen Gegendruck-Raumanzugs wurde eindeutig nachgewiesen. Der Energieaufwand für die Fortbewegung war deutlich geringer als bei herkömmlichen Modellen, was eine erhebliche Verbesserung für Langzeit-Weltraumspaziergänge darstellte. Tests mit Durchstichen zeigten, dass bis zu einem Quadratmillimeter Haut über längere Zeiträume direkt dem Vakuum ausgesetzt werden konnte, ohne dass bleibende Schäden entstanden. Ein vergleichbarer Durchstich bei einem herkömmlichen Anzug hätte zu einem Druckverlust und damit zum Verlust der Atemluft geführt. Der Anzug wog nur halb so viel wie der primäre Druckanzug A7L, den die NASA- Astronauten im Rahmen des Apollo -Programms trugen .

Es traten auch einige Probleme auf, vor allem im Zusammenhang mit der Schwierigkeit, den Anzug an jeder Stelle des Körpers fest anzulegen. Vertiefungen oder kleine Falten im Stoff konnten dazu führen, dass sich Flüssigkeit in den Zwischenräumen sammelte; der Leistenbereich erwies sich als äußerst schwierig anzupassen. Um dies zu beheben, wurden kleine Polster aus Polyurethanschaum in die Vertiefungen eingesetzt, was in den meisten Problembereichen erfolgreich war. Die Anzüge mussten individuell angepasst werden, was jedoch für alle Raumanzüge jener Zeit galt. Die größte Schwierigkeit bestand im An- und Ausziehen des Anzugs. Um den für die menschliche Physiologie notwendigen Mindestdruck von 0,3 bar (4,4  psi ) effektiv zu gewährleisten, musste der Anzug extrem eng anliegen, was das An- und Ausziehen zu einer äußerst anstrengenden Angelegenheit machte.

1971 veröffentlichten Webb und James F. Annis ihre Ergebnisse in einem Bericht. ^{[ 7 ]} Der Bericht fiel weiterhin positiv aus, und die Forscher waren der Ansicht, dass weitere Verbesserungen möglich seien. Aus dem Bericht:

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das SAS in seiner aktuellen Entwicklungsphase den Menschen vor den Auswirkungen des Vakuums schützt und gleichzeitig verbesserte Bewegungsfreiheit und natürliche Körperbewegungen ermöglicht. Der Ansatz ist physiologisch fundiert, und obwohl noch viele Probleme zu lösen sind, sind diese hauptsächlich mechanischer Natur. Es wurde vorgeschlagen, dass die Lösung der mechanischen Probleme in Kombination mit einer sorgfältigen, auf biomechanischen Analysen basierenden Anpassung sowie der Entwicklung spezieller elastischer Stoffe letztendlich zu einer weltraumtauglichen Version des SAS führen könnte.

Das ursprüngliche SAS-Design basierte auf zwei neuen Stoffen: einem Powernet (oder Miedergewebe) für Bereiche mit hoher Spannung und einem elastischen Bobbinetgewebe für Bereiche mit geringerer Spannung. Beide bestanden aus einem starken elastischen Kettfaden und einem deutlich weniger elastischen Schussfaden , die ein Netz bildeten. Die Begriffe Kette und Schuss werden hier etwas ungenau verwendet, da das Material nicht mit traditionellen Methoden gewebt wurde . Powernet verwendete Spandexkordel als Kette und Nylonkordel als Schuss, wodurch Bewegungen hauptsächlich entlang der Kettachse möglich waren. Bobbinet verwendete eine mit Baumwolle umwickelte Gummikette und Nylon- oder Dacron- Schuss und war in beide Richtungen flexibel. Die Baumwollumwicklung begrenzte die maximale Dehnung auf 200 % der Ruhelänge. Der Überdruck, den Bobbinet erzeugen konnte, betrug etwa 0,02 bar (0,29 psi) über dem Rumpf, dem größten Volumen, und bis zu 0,053 bar (0,77 psi) über den kleineren Radien an Handgelenken und Knöcheln. Powernet könnte selbst am Oberkörper einen Druck von etwa 0,067 bar (0,97 psi) erzeugen. Für eine normale Atmung sind mindestens 0,17 bar (2,5 psi) erforderlich.

Mehrere Lagen und Einsätze der beiden Materialien dienten der Kontrolle des mechanischen Gesamtdrucks um den Körper. Direkt auf der Haut befand sich eine leichte Powernet-Gleitschicht, die es den äußeren Lagen ermöglichte, reibungslos über die Haut zu gleiten. Darunter waren Schaumstoffpolster in verschiedenen Körpervertiefungen angebracht, um den Kontakt zum Anzug zu gewährleisten. Darüber lag die Gegendruckblase, Teil des Atemsystems. Zusätzlich wurden bis zu sechs weitere Powernet-Lagen über dem Rumpf angebracht, wobei Arme und Beine aus Bobbinet-Gewebe bestanden oder der Rumpf komplett aus Bobbinet-Gewebe gefertigt war. Die Anzüge wurden wie ein normaler Ganzkörperanzug mit einem großen Reißverschluss vorne angezogen, an einigen Stellen erleichterten zusätzliche Kordelzüge das Schließen. Die Reißverschlüsse der abwechselnden Lagen waren versetzt angeordnet.

Das Überdruckbeatmungssystem bestand aus drei Hauptkomponenten: dem Druckhelm, dem Atemkissen und dem Druckluftbehälter in einem Rucksack. Atemkissen und Helm waren miteinander verbunden, um beim Einatmen Luft aus dem Atemkissen über den Oberkörper zu pumpen und so den Druck auf den Brustkorb zu reduzieren. Der Helm wurde durch ein nicht-elastisches Kleidungsstück aus Nomex- Gewebe , das um Brust und unter den Armen verlief, sowie durch darüber und darunter liegende elastische Lagen fixiert.

Der Bio-Suit ist ein experimenteller Raumanzug, der am Massachusetts Institute of Technology unter der Leitung von Professorin Dava Newman und mit Unterstützung des NASA Institute for Advanced Concepts entwickelt wird . Ähnlich dem SAS-Konzept nutzt der Bio-Suit Fortschritte in Ingenieurwesen und Messtechnik, um eine vereinfachte Version des SAS-Designs zu realisieren. ^{[ 8 ]}

Newman hat sich intensiv mit Biomechanik beschäftigt , insbesondere mit der computergestützten Messung menschlicher Bewegungen. Ähnlich wie bei gasgefüllten Anzügen nutzte Newman das Prinzip der „ Nicht-Dehnungslinien “, ein Konzept, das Arthur Iberall bereits Ende der 1940er-Jahre entwickelte, um die Spannungselemente entlang von Körperlinien zu platzieren, an denen sich die Haut bei den meisten normalen Bewegungen nicht dehnt.

Die Grundstruktur des BioSuits besteht aus elastischen Kordeln, die entlang der Dehnungslinien verlaufen. Dadurch bleibt der von ihnen erzeugte Druck konstant, auch wenn sich der Träger bewegt. So lässt sich der mechanische Gegendruck des Anzugs steuern. Der restliche Anzug wird aus Spandex gefertigt , das zwischen den primären Druckkordeln liegt. Bis 2005 hatte das BioSuit-Team mindestens drei Unterschenkelprototypen aus verschiedenen Materialien hergestellt, darunter Nylon-Spandex, Elastik und mit Urethan lackierter Schaumstoff. ^{[ 9 ]} In einem Versuchsaufbau wurde Kevlar- Gewebe zwischen den Kordeln verwendet, um Bereiche mit eingeschränkter Dehnung zu verstärken. Für Newman wurde mindestens ein Ganzkörperanzug angefertigt, den sie bei zahlreichen Fototerminen trug. Es ist nicht bekannt, ob der gesamte Anzug die gleichen Gegendruckstandards erfüllt wie die Unterschenkelprototypen. Jeder Anzug muss individuell angepasst werden, die Komplexität dieses Prozesses wird jedoch durch Ganzkörper-Laserscans reduziert.

Das Ergebnis ist eine einlagige Version des SAS; sie ist leichter und flexibler als das Original, ermöglicht natürlichere Bewegungsabläufe und reduziert den Energieaufwand. Einzelne Teile des BioSuits erreichten bereits konstant 0,25 bar (3,6 psi), und das Team strebt derzeit 0,3 bar (4,4 psi) an. Da sich mechanischer Gegendruck bei kleinen Gelenken wie denen der Hände als schwierig erwiesen hat, verwendet das Basisdesign des BioSuits neben einem gasgefüllten Helm auch gasgefüllte Handschuhe und Stiefel. ^{[ 10 ]}

Eine spätere Variante des Bioanzugs verwendet wärmeaktivierte Spulen aus Formgedächtnislegierung (FGL). ^{[ 11 ]} Bei dieser Ausführung sitzt der Anzug beim ersten Anlegen locker am Körper. Sobald ein Energiemodul angeschlossen ist, ziehen sich die federartigen Spulen im Anzug zusammen und passen ihn dem Körper an. Die Konstruktion der Spule wurde in einem Artikel der Fachzeitschrift IEEE/ASME: Transactions on Mechatronics genauer beschrieben. ^{[ 12 ]} Berichten zufolge hatte der Bioanzug im Jahr 2008 das Potenzial, in naher Zukunft für Marsmissionen eingesetzt zu werden. ^{[ 13 ] [ 14 ]}

Seit 2019 wurde eine weitere Verbesserung durch den Einbau von Borkernen erzielt, die den Träger des Anzugs vor der Strahlung im Weltraum sowie auf der Oberfläche von Mond und Mars schützen können. Laut Cathy Lewis vom National Air and Space Museum : „Es mag nicht der nächste Anzug sein, aber er wird einer der nachfolgenden sein“, was darauf hindeutet, dass die Entwicklung weiterhin aktiv ist und sich auf zukünftige Mond- und Marsmissionen konzentriert. ^{[ 15 ]}

• Ein-Personen-Raumschiff

• Webb, Paul. „Der Weltraumanzug: Ein elastischer Body für Außenbordeinsätze“. Aerospace Medicine , April 1968, S. 376–383.

• Trafton, Anne (16. Juli 2007). „Ein Riesenschritt für die Weltraummode: MIT-Team entwirft eleganten, hautengen Raumanzug“ . MIT News . Archiviert vom Original am 9. August 2007.
• Der Weltraumanzug: Ein elastischer Body für Außenbordeinsätze , die Originalveröffentlichung von 1968 (Microsoft DOC-Format)
• Entwicklung eines Weltraumanzugs , NASA-Auftragnehmerbericht von 1971, NASA CR-1892, als PDF- Datei
• Physiologische Auswirkungen eines mechanischen Gegendruckanzugs , PDF-Datei