Un sistema de soporte vital es el conjunto de equipos que permiten la supervivencia en un entorno o situación que no sería compatible con esa vida en su ausencia. Se aplica generalmente a sistemas que dan soporte a la vida humana en situaciones en las que el entorno exterior es hostil, como el espacio exterior o bajo el agua , o situaciones médicas en las que la salud de la persona está comprometida hasta el punto de que el riesgo de muerte sería alto sin el funcionamiento del equipo. [1]
En los vuelos espaciales tripulados , un sistema de soporte vital es un grupo de dispositivos que permiten a un ser humano sobrevivir en el espacio exterior. La agencia espacial del gobierno estadounidense NASA [ 2] y las compañías privadas de vuelos espaciales utilizan la frase "sistema de control ambiental y soporte vital" o el acrónimo "ECLSS" cuando describen estos sistemas. [3] El sistema de soporte vital puede suministrar aire, agua y alimentos. También debe mantener la temperatura corporal correcta, una presión aceptable en el cuerpo y lidiar con los productos de desecho del cuerpo. También puede ser necesario el blindaje contra influencias externas dañinas como la radiación y los micrometeoritos. Los componentes del sistema de soporte vital son críticos para la vida y están diseñados y construidos utilizando técnicas de ingeniería de seguridad .
En el buceo submarino , el aparato respiratorio se considera un equipo de soporte vital, y un sistema de buceo de saturación se considera un sistema de soporte vital; el personal responsable de operarlo se denomina técnico de soporte vital . El concepto también se puede extender a submarinos , sumergibles tripulados y trajes de buceo atmosférico , donde el gas respirable requiere tratamiento para seguir siendo respirable y los ocupantes están aislados de la presión y temperatura ambientales exteriores.
Los sistemas de soporte vital médico incluyen máquinas corazón-pulmón , ventiladores médicos y equipos de diálisis .
Un miembro de la tripulación de tamaño típico requiere aproximadamente 5 kilogramos (11 lb) de alimentos , agua y oxígeno por día para realizar actividades estándar en una misión espacial, y produce una cantidad similar en forma de desechos sólidos, desechos líquidos y dióxido de carbono . [4] El desglose de masa de estos parámetros metabólicos es el siguiente: 0,84 kg (1,9 lb) de oxígeno, 0,62 kg (1,4 lb) de alimentos y 3,54 kg (7,8 lb) de agua consumida, convertidos a través de los procesos fisiológicos del cuerpo en 0,11 kg (3,9 oz) de desechos sólidos, 3,89 kg (8,6 lb) de desechos líquidos y 1,00 kg (2,20 lb) de dióxido de carbono producido. Estos niveles pueden variar debido al nivel de actividad de una misión específica, pero deben obedecer al principio de balance de masa . El uso real de agua durante las misiones espaciales suele ser el doble del valor dado, principalmente debido al uso no biológico (por ejemplo, ducharse). Además, el volumen y la variedad de los desechos varían según la duración de la misión, e incluyen cabello, uñas, descamación de la piel y otros desechos biológicos en misiones de más de una semana de duración. Otras consideraciones ambientales, como la radiación, la gravedad, el ruido, la vibración y la iluminación, también influyen en la respuesta fisiológica humana en el espacio exterior, aunque no con el efecto más inmediato que tienen los parámetros metabólicos.
Los sistemas de soporte vital del espacio exterior mantienen atmósferas compuestas, como mínimo, de oxígeno, vapor de agua y dióxido de carbono. La presión parcial de cada gas componente se suma a la presión barométrica general .
Sin embargo, la eliminación de los gases diluyentes aumenta sustancialmente los riesgos de incendio, especialmente en operaciones terrestres cuando, por razones estructurales, la presión total de la cabina debe superar la presión atmosférica externa; véase Apolo 1. Además, la toxicidad del oxígeno se convierte en un factor a altas concentraciones de oxígeno. Por esta razón, la mayoría de las naves espaciales tripuladas modernas utilizan atmósferas de aire convencional (nitrógeno/oxígeno) y utilizan oxígeno puro solo en trajes presurizados durante la actividad extravehicular, donde la flexibilidad aceptable del traje exige la menor presión de inflado posible.
Los miembros de la tripulación consumen agua para beber, para las actividades de limpieza, para el control térmico de las EVA y para usos de emergencia. Debe almacenarse, usarse y recuperarse (a partir de aguas residuales y vapor de agua exhalado) de manera eficiente, ya que actualmente no existen fuentes in situ para los entornos a los que se llega en el curso de la exploración espacial humana. Las futuras misiones lunares pueden utilizar agua procedente de los hielos polares; las misiones a Marte pueden utilizar agua de la atmósfera o de los depósitos de hielo.
Hasta la fecha, todas las misiones espaciales han utilizado alimentos suministrados. Los sistemas de soporte vital podrían incluir un sistema de cultivo de plantas que permita cultivar alimentos dentro de edificios o naves. Esto también regeneraría agua y oxígeno. Sin embargo, hasta ahora ningún sistema de este tipo ha volado en el espacio exterior. Un sistema de este tipo podría diseñarse de manera que reutilice la mayoría de los nutrientes (que de otro modo se perderían). Esto se hace, por ejemplo, mediante letrinas de compostaje que reintegran el material de desecho (excrementos) en el sistema, lo que permite que los nutrientes sean absorbidos por los cultivos alimentarios. Los alimentos provenientes de los cultivos son luego consumidos nuevamente por los usuarios del sistema y el ciclo continúa. Sin embargo, los requisitos logísticos y de espacio involucrados han sido prohibitivos para implementar un sistema de este tipo hasta la fecha.
Dependiendo de la duración de la misión, los astronautas pueden necesitar gravedad artificial para reducir los efectos del síndrome de adaptación espacial , la redistribución de fluidos corporales y la pérdida de masa ósea y muscular. Existen dos métodos para generar peso artificial en el espacio exterior.
Si los motores de una nave espacial pudieran producir un empuje continuo en el viaje de ida con un nivel de empuje igual a la masa de la nave, aceleraría continuamente a una velocidad de 32,2 pies por segundo (9,8 m/s) por segundo, y la tripulación experimentaría una atracción hacia el mamparo de popa de la nave a la gravedad normal de la Tierra (1 g). El efecto es proporcional a la velocidad de aceleración. Cuando la nave alcance la mitad del camino, daría la vuelta y produciría un empuje en dirección retrógrada para reducir la velocidad.
Alternativamente, si la cabina del barco está diseñada con una gran pared cilíndrica o con una viga larga que se extiende a otra sección de la cabina o contrapeso, al girarla a una velocidad adecuada se generará una fuerza centrífuga que simule el efecto de la gravedad. Si ω es la velocidad angular del giro del barco, entonces la aceleración en un radio r es:
Obsérvese que la magnitud de este efecto varía con el radio de rotación, lo que puede resultar incómodo para los miembros de la tripulación según el diseño de la cabina. Además, se deben abordar los efectos de la fuerza de Coriolis (una fuerza que se imparte en ángulos rectos al movimiento dentro de la cabina). Y existe la preocupación de que la rotación pueda agravar los efectos de la alteración vestibular.
Las naves espaciales estadounidenses Mercury, Gemini y Apollo contenían atmósferas 100% de oxígeno, adecuadas para misiones de corta duración, para minimizar el peso y la complejidad. [5]
El transbordador espacial fue la primera nave espacial estadounidense en tener una mezcla atmosférica similar a la de la Tierra, compuesta por un 22 % de oxígeno y un 78 % de nitrógeno. [5] Para el transbordador espacial, la NASA incluye en la categoría ECLSS sistemas que proporcionan tanto soporte vital para la tripulación como control ambiental para las cargas útiles. El Manual de referencia del transbordador contiene secciones ECLSS sobre: presurización de la cabina del compartimento de la tripulación, revitalización del aire de la cabina, sistema de circuito de refrigeración por agua, sistema de control térmico activo, suministro y aguas residuales, sistema de recolección de residuos, tanque de aguas residuales, soporte de esclusa de aire, unidades de movilidad extravehicular , sistema de protección de altitud de la tripulación y enfriamiento del generador termoeléctrico de radioisótopos y purga de nitrógeno gaseoso para cargas útiles. [6]
El sistema de soporte vital de la nave espacial Soyuz se llama Kompleks Sredstv Obespecheniya Zhiznideyatelnosti (KSOZh) ( ‹Ver Tfd› Ruso : Комплекс Средств Обеспечения Жизнедеятельности (KCOЖ) ). [ cita requerida ] Vostok, Voshkod y Soyuz contenían mezclas similares al aire a aproximadamente 101 kPa (14,7 psi). [5] El sistema de soporte vital proporciona una atmósfera de nitrógeno/oxígeno a presiones parciales a nivel del mar. La atmósfera se regenera luego a través de cilindros de KO2, que absorben la mayor parte del CO2 y el agua producidos biológicamente por la tripulación y regeneran el oxígeno, los cilindros de LiOH luego absorben el CO2 sobrante. [7]
La Corporación de Desarrollo Espacial Paragon está desarrollando un ECLSS plug and play llamado sistema de revitalización aérea de transporte de tripulación comercial (CCT-ARS) [8] para futuras naves espaciales, financiado parcialmente con fondos de Desarrollo de Tripulación Comercial ( CCDev ) de la NASA. [9]
El CCT-ARS proporciona siete funciones principales de soporte vital de la nave espacial en un sistema altamente integrado y confiable: control de temperatura del aire, eliminación de humedad, eliminación de dióxido de carbono , eliminación de contaminantes traza, recuperación atmosférica posterior al incendio, filtración de aire y circulación del aire de la cabina. [10]
Los sistemas de estaciones espaciales incluyen tecnología que permite a los seres humanos vivir en el espacio exterior durante un período prolongado de tiempo. Dicha tecnología incluye sistemas de filtración para la eliminación de desechos humanos y la producción de aire.
Skylab utilizó 72% de oxígeno y 28% de nitrógeno a una presión total de 5 psi. [ cita requerida ]
Las estaciones espaciales Salyut y Mir contenían una mezcla de oxígeno y nitrógeno similar al aire a presiones de aproximadamente el nivel del mar de 93,1 kPa (13,5 psi) a 129 kPa (18,8 psi) con un contenido de oxígeno del 21% al 40%. [5]
El sistema de soporte vital para la Estación Espacial Comercial Bigelow está siendo diseñado por Bigelow Aerospace en Las Vegas, Nevada . La estación espacial será construida con módulos habitables Sundancer y naves espaciales expandibles BA 330. En octubre de 2010, comenzaron las [actualizar]" pruebas con participación humana del sistema de control ambiental y soporte vital (ECLSS)" para Sundancer . [11]
Los sistemas LSS naturales como el Biosphere 2 en Arizona han sido probados para futuros viajes espaciales o colonizaciones. Estos sistemas también se conocen como sistemas ecológicos cerrados . Tienen la ventaja de utilizar únicamente energía solar como energía primaria y de ser independientes del apoyo logístico con combustible. Los sistemas naturales tienen el mayor grado de eficiencia debido a la integración de múltiples funciones. También proporcionan el ambiente adecuado para los humanos, necesario para una estadía más prolongada en el espacio exterior.
Los hábitats submarinos y las instalaciones de alojamiento con saturación de la superficie brindan soporte vital a sus ocupantes durante períodos de días a semanas. Los ocupantes no pueden regresar de inmediato a la presión atmosférica de la superficie debido a obligaciones de descompresión que pueden durar varias semanas.
El sistema de soporte vital de una instalación de alojamiento de saturación de superficie proporciona gas respirable y otros servicios para sustentar la vida del personal bajo presión. Incluye los siguientes componentes: [12] Los hábitats submarinos se diferencian en que la presión externa ambiental es la misma que la presión interna, por lo que se simplifican algunos problemas de ingeniería.
Los hábitats submarinos equilibran la presión interna con la presión externa ambiental, lo que permite a los ocupantes el libre acceso al entorno ambiental dentro de un rango de profundidad específico, mientras que los buzos de saturación alojados en sistemas de superficie son transferidos bajo presión a la profundidad de trabajo en una campana de buceo cerrada.
El sistema de soporte vital de la campana proporciona y controla el suministro principal de gas respirable , y la estación de control supervisa el despliegue y las comunicaciones con los buzos. El suministro principal de gas, la energía y las comunicaciones con la campana se realizan a través de un umbilical de campana, formado por una serie de mangueras y cables eléctricos trenzados entre sí y desplegados como una unidad. [13] Este se extiende a los buzos a través de los umbilicales de los buzos. [12]
El sistema de soporte vital del alojamiento mantiene el ambiente de la cámara dentro de los límites aceptables para la salud y el confort de los ocupantes. Se supervisan y controlan la temperatura, la humedad, la calidad del gas respirable, los sistemas de saneamiento y el funcionamiento del equipo. [13]
El Sistema Alternativo de Soporte Vital Microecológico ( MELiSSA ) es una iniciativa liderada por la Agencia Espacial Europea , concebida como un ecosistema basado en microorganismos y plantas superiores, pensado como una herramienta para comprender el comportamiento de los ecosistemas artificiales y para el desarrollo de tecnología para un futuro sistema de soporte vital regenerativo para misiones espaciales tripuladas a largo plazo.
CyBLiSS ("Sistemas de soporte vital basados en cianobacterias") es un concepto desarrollado por investigadores de varias agencias espaciales ( NASA , el Centro Aeroespacial Alemán y la Agencia Espacial Italiana ) que utilizaría cianobacterias para procesar los recursos disponibles en Marte directamente en productos útiles y en sustratos [ aclaración necesaria ] para otros organismos clave del sistema de soporte vital bioregenerativo (BLSS). [14] El objetivo es hacer que los futuros puestos avanzados ocupados por humanos en Marte sean lo más independientes de la Tierra como sea posible (exploradores que vivan "fuera de la tierra"), para reducir los costos de la misión y aumentar la seguridad. Aunque se desarrolló de forma independiente, CyBLiSS sería complementario a otros proyectos BLSS (como MELiSSA) ya que puede conectarlos a materiales encontrados en Marte, haciéndolos así sostenibles y expandibles allí. En lugar de depender de un circuito cerrado, los nuevos elementos encontrados en el sitio pueden incorporarse al sistema.
