Центрифуга короткого радиуса в Институте медико-биологических проблем РАН

В Институте медико-биологических проблем разработана уникальная установка по созданию искусственной гравитации в условиях невесомости. Разгоняясь, центрифуга короткого радиуса способна обеспечить силу тяжести, столь необходимую человеческому организму в длительных космических полётах.

Наш корреспондент Наталья Бурцева испытала действие центрифуги на себе.

Подготовка к испытанию

В одном из корпусов ИМБП – Института медико‑биологических проблем – стоит необычная «карусель»: две кабины, в центре соединяющий узел, где расположен двигатель.

– Центрифуга короткого радиуса создана при помощи наших ракетостроителей. Это инновационная разработка, имеющая достаточно большой запас прочности, – говорит ведущий инженер ИМБП Дмитрий Мерекин. – Установка абсолютно безопасна для испытуемых и имеет неограниченные научные возможности для использования.

Всё сделано на будущее – с перспективой создания бортового варианта центрифуги для использования в отдельном модуле космической станции или межпланетного корабля: устройство центрифуги предполагает дальнейшую модернизацию. В лаборатории ИМБП представлена именно стендовая модель. Для установки на борт космической станции её габариты должны быть существенно уменьшены.

С помощью такой установки на борту космической станции на короткое время может воссоздаваться гравитационный стимул. Вращение на центрифуге короткого радиуса – мера профилактики, защищающая человеческий организм от последствий долгого пребывания в невесомости. Её эффективность уже доказана многочисленными испытаниями на Земле, в том числе с участием космонавтов.

Экспериментальная установка позволяет вращать двух человек сразу. На компьютере задаются параметры испытателя: возраст, вес, рост и расстояние от оси вращения. Программа просчитывает различную по величине перегрузку на уровне головы, сердца и стоп.

Дмитрий Мерекин, обходя «карусель», называет её не иначе как «последним детищем науки».

– Перед исследованием необходимо настроить видеокамеру, чтобы непрерывно наблюдать за испытуемым и оперативно оценивать внешние изменения на лице человека, в том числе эмоциональные реакции, – отмечает Дмитрий.

Он стоял у истоков создания центрифуги, сам крутился на ней неоднократно.

– А как без этого? Пока установку собирали и модернизировали, все изменения в конструкции обязательно испытывали на себе во время тренировочных вращений, чтобы понять, как будет удобнее, безопаснее и комфортнее для испытателей. Технические возможности у установки большие.

– В процессе исследований ведётся непрерывный врачебный контроль за изменениями со стороны сердечно‑сосудистой и дыхательной систем испытателя, – поясняет Милена Колотева, ведущий научный сотрудник лаборатории физиологии ускорений и искусственной силы тяжести ИМБП.

Датчики и приборы позволяют медикам следить за состоянием испытуемого, оперативно принимать решения и прервать исследование в случае ухудшения самочувствия человека, находящегося на установке.

Глава Космической Нации Игорь Ашурбейли и директор Института медико-биологических проблем РАН академик Олег Орлов на стенде «Центрифуга короткого радиуса». Визит в ИМБП 5 декабря 2023 года

Почти столетие от идеи до воплощения

Идея создания искусственной силы тяжести принадлежит Константину Циолковскому и была предложена ещё в начале XX века. Позднее её поддерживали Сергей Королёв и Вернер фон Браун. Но вот к технологической реализации приступили только в середине прошлого века.

– Первая центрифуга короткого радиуса была создана в нашем институте, – комментирует Милена Колотева. – Устройство, которое перед вами, – это уже центрифуга четвёртого поколения.

Оно воплощает в себе все достижения и учитывает все недостатки, которые есть в центрифугах, разработанных в разных странах мира, – японских, немецких, американских. Новая разработка способна реализовать абсолютно любые идеи, связанные с созданием искусственной гравитации. Для того чтобы чётко понимать, какая конструкция должна быть на борту МКС, все вопросы, связанные с использованием установки в космосе, нужно полностью отработать на Земле.

– Чем дольше космонавты находятся в невесомости, тем больше они утрачивают «гравитационные стимулы». В космосе исчезают гидростатическое давление крови, весовая нагрузка на костно-мышечный аппарат, происходят изменения в функционировании афферентных систем. В частности, отсутствует чувство опоры. А для космонавтов это очень желаемое чувство. И наша центрифуга поможет им его не забыть.

Милена Колотева, ведущий научный сотрудник лаборатории физиологии ускорений и искусственной силы тяжести ИМБП

Милена Колотева говорит о большом накопленном опыте медицинского обеспечения космических полётов специалистами ИМБП. Этот опыт свидетельствует о негативном влиянии невесомости на организм человека: пребывание в невесомости приводит к снижению функциональных возможностей и работоспособности.

Перед экспериментом Милена отмечает: важно зафиксировать как можно больше субъективных (собственных впечатлений испытуемых) и объективных медицинских физиологических данных для формирования необходимой научной базы, которой предстоит решить очень широкий спектр вопросов, в том числе найти оптимальные режимы воздействия на центрифуге.

– Смысл эксперимента, в том числе, и в том, чтобы мы получали онлайн как можно больше субъективных впечатлений и физиологической информации от испытателя во время каждой фазы вращения. Режимы вращений на установке должны быть максимально отработаны на Земле, чтобы пребывание на ней космонавтов в космосе было полезным и комфортным.

В области космической медицины центрифуги используются по двум направлениям. Традиционное использование – в практике авиационной и космической медицины, в первую очередь для изучения переносимости животными и человеком перегрузок различных направлений и физических характеристик; для разработки и апробации различных методов и устройств противоперегрузочной защиты; для определения устойчивости лётчиков и космонавтов к перегрузкам при проведении медицинского отбора и переосвидетельствования, проведения тренировок космонавтов и т. д.

Для этих целей наиболее адекватными установками являются центрифуги среднего радиуса (порядка 7 м), имеющиеся в ГНЦ РФ ИМБП РАН (ИМБП) и РГНИИ ЦПК имени Ю. А. Гагарина (ЦПК), или большого радиуса (18 м) – такая центрифуга установлена в ЦПК. Эти центрифуги вполне отвечают задачам отбора и подготовки космонавтов.

Второе направление в космической медицине, для которого могут применяться центрифуги, – проблема искусственной гравитации (ИГ), создаваемой в космическом полёте с помощью центрифуги, установленной на борту пилотируемого корабля.

Для решения этих – перспективных – задач необходим наземный лабораторный стенд, который традиционно называется «центрифуга короткого радиуса» (ЦКР).

Разработка проблемы создания на борту межпланетного космического корабля специального устройства для борьбы с неблагоприятным влиянием невесомости на организм человека – ЦКР – является составной частью программы медицинского обеспечения длительных пилотируемых полётов и предназначена, совместно с традиционными средствами профилактики, для поддержания, на новом качественном уровне, здоровья и работоспособности космонавтов; защиты их от неблагоприятного воздействия невесомости и сокращения периода реадаптации после возвращения на Землю.

Чтобы достичь значительного эффекта, находясь на орбите, космонавты должны заниматься на ЦКР постоянно, например по два часа в день. Во время перелёта к дальним планетам в центрифуге даже можно спать.

При этом при модернизации установки и связанных с ней методик учёным предстоит учесть не только эргономику ограниченного пространства космической станции, но и крайне дорогое во всех смыслах время космонавтов, чтобы ежедневная отработка профилактической методики не занимала слишком много этого ценного времени, но при этом сохраняла свою результативность.

Вращение на центрифуге: тело по горизонтали, кровь по вертикали

В руках испытателя особая ручка с кнопками: та, что посередине, должна быть нажатой всё время, пока человек находится в центрифуге, – это показатель состояния испытателя. Если кнопку отжать, центрифуга тут же остановится, поскольку это послужит сигналом о потере сознания.

Есть ещё одна кнопка – большая красная. Её необходимо нажимать, как только загораются красные лампочки по периметру.

Итак, начинается вращение. Набор скорости: один оборот, два, три. Центрифуга разгоняется. Когда кровь начинает перераспределяться – отливать от головы, периферическое зрение становится нечётким. И тут начинается тест. Загораются красные лампочки, и необходимо их сразу же гасить.

Набрав обороты, центрифуга выходит на площадку в две единицы. При вращении создаётся чёткое ощущение, что ты стоишь: тяжесть в ногах такая же, как при обычной ходьбе. Мозг-то понимает, что тело находится горизонтально, но кровь распределилась так, словно ты находишься в вертикальном положении.

– Что‑то изменилось в самочувствии? – вопросы звучат постоянно, специалистам важно знать состояние в каждый момент испытания.

Постепенно становится комфортнее. Можно без ущерба вращаться в течение 30 минут… О таком состоянии мечтают все космонавты на орбите. В условиях невесомости происходит отток крови от ног к верхней части тела, к голове. Это приводит к атрофии мышц, и космонавты практически теряют навык передвигаться на ногах при возвращении на Землю.

– Адаптация к невесомости происходит довольно быстро, – говорит Милена Колотева. – Разработанный специалистами нашего института комплекс мер профилактики неблагоприятного влияния невесомости позволяет обеспечить длительные – в течение года-полутора – пребывание и работоспособность космонавтов в условиях орбитальных полётов.

Однако, несмотря на применяемые меры профилактики, явления детренированности развиваются со стороны многих органов и систем организма и сохраняются в течение полутора‑двух месяцев после возвращения на Землю, даже при применении комплекса восстановительно‑лечебных мероприятий, а изменения костной ткани сохраняются до двух‑трёх лет.

Резкая перестройка к земной гравитации, которая происходит с организмом на спуске, неблагоприятна в первую очередь для сердечно‑сосудистой системы. Периодические вращения на центрифуге короткого радиуса в невесомости искусственно восполняют эффекты гравитационной среды.

Вращение центрифуги

Вращающийся тор

Получить искусственную гравитацию возможно двумя способами. Один из них – закрутка корабля вокруг своей оси, создание так называемого вращающегося тора, как показано во множестве фантастических фильмов.

– Замечательная красивая идея. Эквивалентом земной гравитации на космическом корабле может явиться центробежная сила, создаваемая равномерным вращением всего объекта или его части. К сожалению, обеспечить на орбите равномерное вращение модуля или части космического межпланетного корабля технически пока никто в мире не готов, – комментирует Милена Колотева. – Наиболее реализуемым на данный момент с технической точки зрения средством для воспроизводства отсутствующих в условиях сверхдлительной невесомости гравитационных стимулов может быть создание искусственной силы тяжести путём использования на борту пилотируемой станции центрифуги короткого радиуса.

Подготовка к лунной миссии

Учёные уже работают над новой модификацией центрифуги, которую можно будет отправить на орбитальную станцию, чтобы каждый космонавт смог испытывать в невесомости столь необходимую ему гравитацию.

– Мы считаем, что эта центрифуга должна обязательно находиться на борту космической станции и на борту будущего межпланетного корабля, – отмечает Милена. – Без неё пребывание в длительном полёте, так же как и на лунной базе, будет невозможным, если, конечно, космонавты и астронавты планируют возвращение на Землю…

Пока на Земле вырабатывают рекомендации и возможные режимы вращения на центрифуге для достижения необходимых эффектов. Сотрудники института и учёные сами испытывают устройство и создают научную базу. Исследования на центрифуге прошли участницы изоляционного наземного эксперимента «Луна‑2015». Хоть этот «полёт» был условным, испытания проводились в полном объёме. Женский экипаж впервые в истории принял участие в исследованиях на центрифуге.

– Если мы приступаем к созданию лунной базы и реализации идеи межпланетных полётов, необходимо уже сейчас обеспечить космонавтов новым средством профилактики, с которым они бы могли совершить сверхдлительный полёт без весомых потерь для организма, – говорит Милена. – Космонавты должны спокойно достичь Луны, без помощи выйти из космического корабля и тут же приступить к реализации построения лунной базы. Им нужно будет полноценно работать и существовать в этой среде. Совершив длительный перелёт к Марсу, они тоже должны оказаться на поверхности, работать и вернуться назад.

Центрифуга в травматологии: быстрое восстановление после переломов

На основании положительных результатов исследований на ЦКР в интересах пилотируемой космонавтики возникла идея использовать центрифугу в общемедицинской практике, а именно – для профилактики и лечения нарушений кровообращения в нижних конечностях.

Серии обстоятельных исследований на ЦКР первого и второго поколений подтвердили эффективность и перспективу использования ЦКР для терапии ряда заболеваний, в частности для больных, страдающих недостаточным кровоснабжением ног, для усиления притока артериальной крови к ишемизированным и травмированным нижним конечностям, а также реабилитации пациентов.

– Центрифуга может принести большую пользу народному здравоохранению. Сам стенд достаточно безопасный. В настоящее время физиотерапевтический фактор, который назван «гравитационной терапией», является перспективным направлением. На центрифуге возможно решать задачи, связанные с восстановлением костной ткани в случае травматических повреждений, – рассказала Милена. – При помощи центрифуги возможно и решение проблем, связанных с патологией нижних конечностей, в частности диабетической ангиопатии, при остаточных ишемиях после эмболэктомий и тромбэктомий, а также при повреждениях периферических артерий. Положительные результаты были получены практически у всех больных за счёт эффекта перераспределения крови из верхней половины тела к нижним конечностям. Исследования, которые проводятся в Самарском университете, показали, что пребывание на центрифуге значительно ускоряет процесс реабилитации после переломов, позволяет избежать оперативного вмешательства и приводит к восстановлению функций нижних конечностей без осложнений. Так что лёгкая и приятная гравитация стоит на страже здоровья землян.