По результатам исследования контролируемого восхождения на гору Кала-Патхар и похода в базовый лагерь Эвереста предлагается возможное применение полученных научных результатов для будущих экспедиций на Марс. Перепады высоты на Красной планете, гравитационное поле, резкая перемена погоды и особенности снаряжения астронавта создают уникальную задачу для человеческих экспедиций. С другой стороны, есть труднопроходимые места на Земле с суровыми погодными условиями, где необходимо сложное скалолазное снаряжение, провиант, большой переносимый вес и учёт низкого уровня кислорода. На Земле есть места такие как на Гималаях — они могут послужить близким примером условий будущих межпланетных миссий. Научные данные, снятые доктором во время восхождения к базовому лагерю Эвереста показывают, что сохранение относительно медленного темпа во время экспедиции, достаточное количество воды, диета и акклиматизация, могут облегчить адаптацию и достижение поставленных целей после прибытия на Марс. Данные о жизненно важных показателях, включая уровень насыщения крови кислородом, служат первыми объективными данными об устойчивости к новым условиям, адаптации и о заболеваниях после приземления. В данной работе обсуждаются клинические и психологические симптомы и возможные сценарии эвакуации. Рассмотрены возможные модификации скафандров и применение экзоскелетов. Исследованы возможные способы тренировки и повышения энергичности, силы, настойчивости и психологической устойчивости человека во время экспедиций. Оценены роли робототехники, связи и транспорта во время исследования Марса. Сделан вывод о том, что при подготовке к будущим миссиям необходимо уделять больше внимания горным походам, чтобы повысить нагрузку после начальной фазы на станциях в Арктике и в пустыне Юты. Такие условия, как неровная местность, большая высота, низкие температуры, низкий уровень кислорода, ухудшение физического состояния, психологические проблемы, нарушения сна и аппетита, и прочая медицинская симптоматика могут проявляться только в горах на Земле и на поверхности Марса.

ВВЕДЕНИЕ

Первое человеческое поселение на Марсе является в том числе и медицинской проблемой. Исследование космоса и посадка на Луне будут бесценными источниками знаний, но колонизация другой планеты потребует качественно нового набора навыков. Психологические вызовы поселения на новой территории с ограниченными ресурсами, многочисленными физическими задачами, многочисленными ежедневными решениями, другой силой тяжести, задержкой связи и непредсказуемой погодой сделают этот рейс величайшим подвигом человека. Интенсивная физическая и сложная психологическая подготовка являются критическими требованиями для прибытия к финишной черте, расположенной в миллионах миль от нас.

Последствия нескольких месяцев без земного притяжения, иммунологический компромисс, потеря костного кальция и мышечной массы, частичное лишение общественной жизни и воздействие дополнительной радиации (1) — только часть того, с чем экипаж высадится в новом мире. Космонавтам придется не только передвигаться на особом транспорте, но и подниматься, ходить на значительные расстояния, использовать техники страховки и спуска, и разрабатывать новую среду обитания человека. При подготовке нужно учитывать случаи неисправности оборудования, помощи, повреждения жилища, а также способы проведения исследований в недоступных марсоходам районах, и где исследователям, возможно, придётся восходить, идти своим шагом или возвращаться в жилище самим.

К счастью, земные горы близки к идеальными тренировочным площадкам для подобных ситуаций. Практика в отдаленных районах высотного альпинизма является идеальным спортивным средством увеличения силы, выносливости, способности творчески мыслить под нагрузкой, адаптивности и способностей команды исследователей отвечать на психологические вызовы (2). Места, подобные Мауна-Лоа на Гавайях, Гималаям, Андам, пустыне в Юте и Арктике, позволяют использовать условия, подобные марсианским. Горы Орокопия были свидетелями подготовки нескольких миссий по высадке на Луне (3). Приземление на Марсе и пребывание в течение длительной миссии по исследованию и заселению — совсем другая задача. Физиологическая и умственная подготовка потребует большего, чем плана тренировок орбитальных миссий. Она должна учитывать психологические стороны крайней усталости, выживания, изоляции, командной работы, лишения сна и существования на пайках при большой рабочей нагрузке.

Сходства между альпинизмом и марсианскими исследованиями

Преимущества тренировок в обитаемых местах на Земле уже в значительной степени задокументированы (2). Высокогорные экспедиции могли бы быть частью более строгой подготовки. Некоторые сходства между Красной планетой и альпинистскими маршрутами на Земле:

1) Скалистая местность. Деревья на земле растут на высоте до 4000 метров (13 000 футов). Выше этой высоты местность практически полностью состоит из камней, пыли и льда, как на Марсе. Растительность почти отсутствует, животные, если и есть, то очень редки, а перевалы находятся в сотнях или тысячах миль от городов.

2) Непредсказуемая погода, сильные ветры и повышенный радиационный фон: как на Марсе, но гораздо менее опасные. Очевидное преимущество — ознакомиться с этим на более безопасной основе.

3) Самые холодные условия: это дает реальную возможность полностью проверить скафандр, перчатки и ботинки в полевых условиях. Это позволит изменять и корректировать модели и позволит экипажу ежедневно ощущать все преимущества и недостатки.

4) Специальное снаряжение: многослойная одежда, перчатки и рукавицы, специальные очки, шлем и иногда баллоны с кислородом являются общими у задач на обоих планетах.

5) Удаленность и постоянное воздействие сторонних факторов.

6) Физиологическая и психологическая адаптированность: высотные экспедиции достаточно сложны. Они требуют большого планирования, прогнозирования маршрута, погоды и понимания геологической обстановки в режиме реального времени. Кроме того, критическим ограничивающим фактором является недостаток кислорода, но можно реалистично смоделировать атрофию мышц и снижение плотности костей после долгого путешествия.

7) Необходимость самоконтроля: частота сердечных сокращений, степень насыщения кислородом, дыхание, гидратация и выделение мочи важны для обеих сред. Экипаж без риска для жизни узнает на земле реальную ценность этих параметров.

8) Исследования и открытия: минералогия, использование полевой лаборатории и поиск жизни будут частью той деятельности, которой нужно обучиться в экспедиции.

9) Командная работа: проверка снаряжения перед работой проводится как космонавтами, так и альпинистами. Командная работа учитывает общие цели, надёжность и индивидуальную ценность. Групповую ценность не получится оценить достаточно точно.

10) Нормы запасов: от воды до еды, топлива, лекарств и кислорода. Горная экспедиция — это школа минимализма в чужеродной среде.

НАУЧНЫЕ ДАННЫЕ, СОБРАННЫЕ В ХОДЕ МЕДИЦИНСКОЙ ЭКСПЕДИЦИИ В БАЗОВЫЙ ЛАГЕРЬ ЭВЕРЕСТА В 2016 ГОДУ

Научные наблюдения и данные были записаны врачом, бывшим также и субъектом эксперимента. Им был тренированный мужчина 53 лет. Данные были записаны во время восхождения по тропе базового лагеря Эвереста. Экспедиция длилась 11 дней. Она включала два дня акклиматизации. Всего восхождение длилось 6 дней. Начальная высота была 2800 метров в аэропорту Луклы. Наивысшая точка была на горе Кала-Патхар на 5643 метрах. Самая низкая высота была в Пхагдинге — 2600 метров. Нагрузку и расстояния (таблица 1) регистрировали после минутного отдыха каждые шестьдесят минут похода в обычном темпе. Физические симптомы и психологические наблюдения документировались во время отдыха после каждого подъема на более высокий уровень.

Таблица 1. ВЕЛИЧИНА НАГРУЗКИ

За 7 дней восхождения была преодолена дистанция 52,8 километра.

Среднее расстояние за день 8,8 км в течение шести дней.

Медианное пешее расстояние 8,9 км в день.

Всего сделано 83 932 шага

Расход калорий в среднем 3821 ккал за день похода

Общие затраты калорий за время похода 22 927 ккал (6 дней нетехнического скалолазания)

Максимальный пульс 189

Средняя максимальная частота сердечных сокращений: 158

Средний пульс во время тренировки: 140

 

Изменение насыщения кислородом оставалось в ожидаемых пределах. Наименьшее значение было зарегистрировано на горе Кала-Патхар на высоте 5601 м (таблица 2). Медианную и среднюю пульс-оксиметрию проводили, когда субъект поднимался по дороге в базовый лагерь Эвереста. Измерения записывались каждый час в течение похода. Субъект останавливался, отдыхал в течение одной минуты, далее измерял пульс и насыщение кислородом в течение второй минуты, избегая прямого солнечного света.

Таблица 2. НАСЫЩЕНИЕ КИСЛОРОДОМ

ВЫСОКОЕ насыщение 95-97% на 2600 м

НИЗКОЕ насыщение 71% на 5601 м

Медиана 84%

Среднее значение 87,49%

 

 

Зарегистрированные симптомы во время экспедиции в базовый лагерь Эвереста были физическими и психологическими. Было замечено, что чем выше высота, тем больше они выражены. Наиболее распространенной была одышка, далее учащённое сердцебиение и бессонница. Более легкими симптомами были боли в суставах, боли в мышцах, тошнота, головные боли, боли в шее, запоры, урчание в животе, вздутие живота, головокружение, ослабление зрения, носовое кровотечение, заложенность носа, насморк и кашель.

Психологические симптомы были слабыми и включали бессонницу, перепады настроения, страх потерпеть неудачу, страхи падения, обморожения и смерти. Также были отмечены мысли о смерти, чувство изоляции и мысли о доме. Все симптомы были слабыми, временными и преодолевались положительными установками: молитвой, общением с друзьями и семьёй, написанием отчетов для СМИ и чтением одобрительных комментариев под постами об экспедиции. По мере возрастания высоты возрастала и роль группы исследователей как вынужденной группы психологической терапии. Низкое кислородонасыщение и большие высоты увеличивали уверенность друг в друге, что выражалась в том, что исследователи делились друг с другом пищей, лекарствами и взаимно поддерживали друг друга. Все исследователи считали важным, чтобы врач лечил случаи острой горной болезни. Был случай острой горной болезни (ОГБ) с легким высокогорным отеком головного мозга. До сих пор неизвестный путешественник лечился на 4000 м на тропе базового лагеря Эвереста дексаметазоном 10 мг (для инъекций) и отправился вниз с местными жителями и туристами для дальнейшей медицинской помощи. Пациент быстро вылечился и через 72 часа выразил желание вернуться к восхождению. Был еще один случай умеренной ОГБ, успешно вылеченный 125 мг ацетазоламида, перорально. Один случай диспепсии и диареи был успешно пролечен 2 мг лоперамида перорально и диетой. Все случаи проявились и лечились на высоте от 3900 до 4400 метров. При необходимости эвакуации в большинстве случаев она проводится своим ходом, с помощью местных жителей или (в более тяжёлых случаях) на вертолете.

РОБОТОТЕХНИКА В МАРСИАНСКОЙ МЕДИЦИНЕ

Роль робототехники при длительных походах, таких как тропа к базовому лагерю Эвереста, может быть весьма положительной: A) Длинный диапазон перемещения робота с минимальными затратами человеческой энергии для доставки инструментов, лекарств или образцов. Б) Для связи, поисков, сканирования и зондирования, когда топографические условия неблагоприятны. Увеличенная универсальность, размеры и возможности различных моделей сделают полевые операции безопаснее. Это позволит не только увеличить дальность разведки, но и ускорить доставку лекарств, образцов крови и медицинских приборов. Роботы могут оценивать угрожающие погодные изменения и передавать сообщения, когда телеметрические системы не работают. Робототехника будет иметь решающее значение для оценки изменения метеорологических или топографических условий, которые могут привести к эвакуации персонала.

ПРЕИМУЩЕСТВА И ПРИКЛАДНОЕ ЗНАЧЕНИЕ АЛЬПИНИЗМА ДЛЯ МЕЖПЛАНЕТНЫХ ПУТЕШЕСТВИЙ

Предыдущие опыты с посадками на Луну недостаточны, чтобы подготовить команду для поселения или даже чтобы оставаться в течение длительного времени на Марсе. В дополнение к тщательной подготовке к перелёту с Земли на марсианскую орбиту экипаж должен уделить внимание возможной усталости и истощению после приземления. Во время подготовки к постоянному поселению или длительному пребыванию психологические аспекты обучения должны учитывать психосоматическую адаптацию. Само путешествие было бы изнурительным и с иммунологической точки зрения (5). Потеря кальция в костях, мышечная атрофия и радиация будут проходить при, по крайней мере, частичном ограничением общественной жизни. Прибытие также будет означать больше работы, физических нагрузок, риска воздействия марсианской атмосферы, несчастных случаев, травм и психологической проблемы нахождения в очень отдаленном, невозвратном месте.

Учебные лагеря на большой высоте на земле отвечают важным требованиям к моделированию условий на красной планете. Опыт программы HI-SEAS в Мауна-Лоа доказывает ценность моделирования на большой высоте. Психическое состояние группы, задержка связи или потеря всех контактов с Землёй, разнообразие продуктов питания и биомедицинские аспекты анализируются и моделируются на склоне горы экспертами НАСА и Гавайского университета. Тем не менее, для тренировок и моделирования физиологии надо работать на большой (3500-5500 метров) и экстремальной высоте (более 5500 метров). Воздействие на членов команды продолжительных восхождений, имитации проблем при условии медицинского и психологическое тестирования могут дать близкие к реальным результаты о послеполётной усталости и уязвимости команды. Удаленность вызовет механизмы физиологической и психологической адаптации, которые могут быть использованы во время межпланетной экспедиции. Нерегулярная местность, холодная погода, солнечное излучение, пайки и повсеместный ветер могут стать идеальной средой для совершенствования методов будущих исследований Марса, максимального эффективного использования снаряжения космонавта и лучшего тестирования марсианских устройств.

Тренировки в горах проверяют и улучшают физическую силу, устойчивость, выносливость и ловкость в обращении с оборудованием. Команда будет принимать решения о наиболее подходящих маршрутах движения, оказании помощи и перевозке других исследователей, оценке погоды и проведения исследований.

Во время экспедиции в базовый лагерь Эвереста в 2016 году был обнаружен редкий магнитный камень тёмного цвета в точке с N 27 ° 54 ’42’ ‘и E 86 ° 48’ 51 ”, вблизи кратера. Камень был отправлен на анализ в Лабораторию Метеоритного общества в Бостоне, штат Массачусетс, для определения минерального состава породы. Это был не метеорит, но он свидетельствовал о наличии железной литейной руды в районе Дингбоче на высоте более 4400 метров. О находке сообщили Непальскому Департаменту геологии и шахт. Этот опыт можно воспроизвести для моделирования будущих планетных исследований. Подобное исследование также позволит проверить работоспособность скафандра, ботинок, перчаток и поможет развить командную работу и творческие навыки. Горная тренировка поможет также сымитировать будущие легкие и тяжелые физические травмы, видимые изменения и эвакуацию во время межпланетных исследований. Она подготовит будущие экипажи к неизвестному. Она позволит оценивать производительность и личные предпочтения. Она идеальна для измерения времени реакции и для практики в реальных чрезвычайных ситуациях.

ЭКЗОСКЕЛЕТ

Опыт использования экзоскелетов в альпинизме практически отсутствует. Экспедиция на Марс должна включать, по крайней мере, один экзоскелет, для достаточного увеличения силы и выносливости (4). Возможные медицинские применения во время марсианского поселения: а) спасательные операции, б) транспортировка людей, в) восстановление и реабилитация, и г) работа неизлечимо травмированных космонавтов. Экзоскелет должен быть частью набора инструментов для исследований, безопасности и медицины. Прототип экзоскелета HULC, разработанный компанией Lockheed Martin — это пример антропоморфного роботизированного экзоскелета или Human Universal Load Carrier (Универсальный Человеческий Переносчик Грузов). Его можно будет по-разному применить во время колонизации Марса.

ВЫВОДЫ

Медицинская экспедиция в базовый лагерь Эвереста дала весомые доказательства идеальной модели обучения космонавтов при подготовке к полету на Марс. Низкий уровень кислорода помогает моделировать усталость и психическое состояние после межпланетного перелёта. Геология гор, каменистая и пыльная местность, погода, продовольствие и снаряжение для альпинизма — самый близкий воспроизводимый на Земле сюжет для отработки выполнения будущих исследовательских задач на Марсе.

Горная экспедиция на очень большие и экстремально большие высоты может помочь прояснить необходимость дальнейшей физической или умственной подготовки космонавтов. Экипаж, хотя и подвержен риску при альпинизме, должен тщательно контролироваться на хорошо известном маршруте, чтобы избежать серьезной опасности. В ходе постепенного восхождения надо будет следовать плану акклиматизации, который начинается в месте обычного обитания людей. Акклиматизацию нужно распространить на большую высоту и развить к очень большой и экстремальной. 5000-метровую отметку следует считать подходящей моделью сильной и длительной нагрузки на космонавтов. Этот схема послужила бы более точным методом оценки психосоциальной целостности команды и реальных физических возможностей каждого её члена. Выполнение сбалансированной горной программы приведет к:

1) Лучшей физической и психологической подготовке перед высадкой на Марсе.

2) Проявлению сильных и слабых сторон команды.

3) Меньшему количеству аварий на Марсе.

4) Внедрению экзоскелетов для исследовательских и медицинских целей.

5) Разработке протоколов безопасности и лечения.

6) Быстрой адаптации к новым условиям планеты.

7) Улучшению командной сплоченности и слаженности.

Тренировки на большой и очень большой высоте будут полезны для оценки погоды и местности, а также для развития процесса принятия командных решений. Медицинская экспедиция в базовый лагерь Эвереста продемонстрировала положительные стороны возможной программы тренировок космонавтов при подготовке миссии. Низкий уровень кислорода помогает моделировать усталость после межпланетного перелёта. Горы, каменистая и пыльная местность, погода, продовольствие и снаряжение для альпинизма — самая близкая схема в мире чтобы практиковаться для будущих марсианских исследований. Благодаря комбинированной программе, включающей альпинизм на больших высотах, у отдельных членов экипажа могут проявиться их способности, степень выносливости, сила и психологические уязвимости. Необходимо внимательно следить за динамикой группы в целях её переподготовки. Улучшения снаряжения космонавтов должны восприниматься серьезно и будет лучше, если команда поддержки экспедиции протестирует их в реальной среде.

Имитационная модель должна включать:

1) Высотную площадку

2) Длительность около 10 дней

3) Прибытие

4) Поселение

5) Акклиматизацию

6) Высотную экспедицию

7) Исследования и документацию

8) Имитацию спасательных работ

9) Спуск

10) Отъезд

Тренировка с подъёмом до очень большой высоты, поможет разработать планы исследований, обеспечения безопасности, определить время выполнения операций и оценить преимущества и недостатки некоторых принятых механизмов. Организация команды, слаженность, решение проблем и физические возможности лучше проверить при подъеме на высоту более 5000 метров. Очевидна потребность хотя бы в одном враче. Необходимо также проверить возможности медицинского персонала. Тренировочный период должен следовать принципам наилучшего моделирования не только социальных и психологических вызовов, но в конечном итоге и физиологических. Per Aspera Ad Astra.

Источник

Литература

1) Meleshko, GI; Shepelev, YY; Averner, MM and Volk, T. Risks to Astronaut Health During Space Travel. Institute of Medicine (US) Committee on Creating a Vision for Space Medicine During Travel Beyond Earth Orbit; Ball JR, Evans CH Jr., editors. Safe Passage: Astronaut Care for Exploration Missions. Washington (DC): National Academies Press (US); 2001.

2) Anderson, AP; Fellows, AM; Binsted, KA; Hegel, MT; Buckey JC. Autonomous, Computer-Based Behavioral Health Countermeasure Evaluation at HI-SEAS Mars Analog. Aerosp. Med Hum Perform. 2016;87(11):912-920

3) Cohen, S. Interview with Leon T. Silver. Archives California Institute of Technology. 2001

4) Cornwall, W. Can we build an ‘Iron Man’ suit that gives soldiers a robotic boost? Science Mag. 2015.

5) Sonnenfeld, G. Space flight, microgravity, stress, and immune responses. Adv. Space Res. 1999;23(12):1945-53