Assenza di peso (Weightlessness)

L'assenza di gravità si riferisce all'assenza totale o quasi totale della percezione del peso, indicando uno stato di peso apparente pari a zero. Questo fenomeno è anche identificato come forza g zero o zero-g, una nomenclatura derivata dalla forza g, anche se a volte viene chiamata in modo impreciso gravità zero.

Il peso quantifica la forza esercitata su un oggetto a riposo all'interno di un campo gravitazionale sostanziale, come quello che si trova sulla superficie terrestre. La percezione del peso nasce dal contatto fisico con superfici di appoggio come pavimenti, sedili, letti o bilance. Inoltre, una sensazione di peso può manifestarsi anche in assenza di un campo gravitazionale, quando forze di contatto meccaniche e non gravitazionali superano l'inerzia di un oggetto, come osservato in una centrifuga, una stazione spaziale rotante o un veicolo in accelerazione.

In un campo gravitazionale non uniforme, un oggetto in caduta libera è soggetto a forze di marea e non è del tutto esente da stress interni. La vicinanza a un buco nero può indurre effetti mareali estremamente potenti, che potrebbero portare alla spaghettificazione. Al contrario, vicino alla Terra, questi effetti sono trascurabili, soprattutto per oggetti di dimensioni limitate, come il corpo umano o un veicolo spaziale, mantenendo così la sensazione generale di assenza di gravità. Questo stato è chiamato microgravità ed è caratteristico dei veicoli spaziali in orbita. Il termine ambiente di microgravità è ampiamente intercambiabile nelle sue implicazioni, riconoscendo che i campi gravitazionali sono intrinsecamente non uniformi e le forze g non sono mai esattamente pari a zero.

Meccanica newtoniana e assenza di gravità

Nell'ambito della fisica newtoniana, la percezione dell'assenza di gravità da parte degli astronauti non deriva dall'assenza di accelerazione gravitazionale (come osservato dalla Terra). Deriva invece dalla mancanza di qualsiasi forza g percepibile a causa dello stato di caduta libera continua, accoppiato con l’identica accelerazione sperimentata sia dalla navicella spaziale che dall’astronauta. Il giornalista spaziale James Oberg chiarisce questo fenomeno come segue:

Oberg sostiene che l'idea sbagliata secondo cui i satelliti rimangono in orbita perché sono "sfuggiti alla gravità terrestre" è ulteriormente propagata dalla diffusa ed errata applicazione del termine "gravità zero" per caratterizzare le condizioni di caduta libera a bordo di veicoli spaziali in orbita. Egli chiarisce che questa affermazione non è corretta, poiché la gravità persiste nello spazio, impedendo ai satelliti di andare alla deriva nel vuoto interstellare. Ciò che manca è invece il “peso”, definito come la resistenza all’attrazione gravitazionale fornita da una struttura fissa o da una forza contrastante. I satelliti mantengono la loro traiettoria orbitale grazie alla loro sostanziale velocità orizzontale, che consente loro di "cadere oltre l'orizzonte" continuamente e contemporaneamente essere attratti verso la Terra dalla gravità. La curvatura sferica della Terra, provocando l'arretramento del suolo, contrasta efficacemente la discesa dei satelliti. Di conseguenza, la stabilità orbitale è attribuita alla velocità, piuttosto che alla posizione spaziale o all'assenza di gravità.

Dal punto di vista di un osservatore stazionario rispetto all'oggetto (cioè all'interno di un sistema di riferimento inerziale), la forza gravitazionale che agisce su un oggetto in caduta libera rimane costante. Un esempio tipico riguarda un ascensore il cui cavo si è tagliato, facendolo precipitare verso la Terra con un'accelerazione di circa 9,81 metri al secondo quadrato. In questa situazione, un individuo all'interno dell'ascensore sperimenterebbe una riduzione sostanziale, anche se non completa, della percezione della forza gravitazionale; tuttavia, la forza effettiva non è esattamente zero. Dato che la gravità è una forza diretta verso il centro della Terra, due sfere posizionate orizzontalmente distanti sarebbero soggette a spinte gravitazionali leggermente divergenti, che le porterebbero a convergere mentre l'ascensore scende. Inoltre, se queste sfere fossero separate da una distanza verticale, la sfera inferiore subirebbe una forza gravitazionale maggiore di quella superiore, in conformità con la legge di gravità dell’inverso del quadrato. Questi due effetti secondari esemplificano la microgravità.

Ambienti di assenza di gravità e peso ridotto

Condizioni di peso ridotto indotte dall'aeromobile

Dal 1959, gli aerei sono stati utilizzati per creare un ambiente quasi privo di peso, facilitando l'addestramento degli astronauti, la ricerca scientifica e la produzione cinematografica. Questi velivoli specializzati sono conosciuti colloquialmente come "Vomit Comet".

Per raggiungere uno stato di assenza di peso, il velivolo esegue una traiettoria parabolica che si estende per circa 10 chilometri (6 miglia), iniziando con una risalita seguita da una picchiata motorizzata. Durante questo arco, i sistemi di propulsione e di sterzo del velivolo sono gestiti con precisione per annullare la resistenza aerodinamica (resistenza dell'aria), simulando così una condizione di caduta libera nel vuoto.

Aerei a gravità ridotta della NASA

Dal 1973, il programma di ricerca sulla gravità ridotta della NASA ha utilizzato vari velivoli, portando alla designazione non ufficiale "Vomit Comet". La NASA ha successivamente formalizzato questo soprannome per uso pubblico come "Weightless Wonder". L'attuale velivolo del programma, un McDonnell Douglas C-9 denominato "Weightless Wonder VI", opera da Ellington Field (KEFD), adiacente al Lyndon B. Johnson Space Center.

Il Microgravity University - Reduced Gravity Flight Opportunities Plan, noto anche come Reduced Gravity Student Flight Opportunities Program, consente ai team universitari di proporre esperimenti sulla microgravità. Ai candidati selezionati viene poi assegnato il compito di progettare ed eseguire i loro esperimenti, che culminano con un invito per gli studenti a partecipare ai voli a bordo della "Vomit Comet" della NASA.

Operazioni Zero-G dell'A310 dell'Agenzia spaziale europea

L'Agenzia spaziale europea (ESA) effettua voli parabolici utilizzando un aereo Airbus A310-300 appositamente modificato per facilitare la ricerca sulla microgravità. In collaborazione con il CNES francese e il DLR tedesco, l'ESA organizza campagne comprendenti tre voli giornalieri consecutivi. Ogni volo prevede tipicamente circa 30 parabole, accumulando circa 10 minuti di assenza di gravità. Queste campagne sono attualmente gestite da Novespace, una filiale del CNES, dall'aeroporto di Bordeaux - Mérignac, con operazioni di volo condotte da piloti collaudatori della DGA Essais en Vol.

A maggio 2010, l'ESA aveva completato 52 campagne scientifiche e 9 campagne di volo parabolico studentesco. I primi voli Zero-G dell'agenzia avvennero nel 1984, utilizzando un aereo KC-135 della NASA a Houston, in Texas. Prima della fondazione di Novespace, altri velivoli utilizzati per queste operazioni includevano il russo Ilyushin Il-76 MDK, seguito da un francese Caravelle e da un Airbus A300 Zero-G.

Voli parabolici commerciali per passeggeri pubblici

Nel 2012, Novespace ha fondato Air Zero G per offrire l'esperienza dell'assenza di gravità ai passeggeri pubblici, ospitando 40 persone per volo sullo stesso aereo A310 ZERO-G utilizzato per la ricerca scientifica. Questi voli, commercializzati da Avico, partono principalmente da Bordeaux-Merignac, in Francia, e mirano a promuovere la ricerca spaziale europea fornendo al pubblico una sensazione di assenza di gravità. Jean-François Clervoy, presidente di Novespace ed astronauta dell'ESA, accompagna questi "astronauti di un giorno" a bordo dell'A310 Zero-G. Dopo ogni volo, tiene una presentazione sull'esplorazione spaziale e racconta le sue tre missioni spaziali della sua carriera. L'aereo è stato utilizzato anche per produzioni cinematografiche, in particolare per il film del 2017 *La Mummia*, con Tom Cruise e Annabelle Wallis.

La Zero Gravity Corporation gestisce un aereo Boeing 727 modificato, che esegue archi parabolici per generare periodi di assenza di gravità della durata di 25-30 secondi.

Strutture di rilascio a terra

Le strutture a terra progettate per generare condizioni di assenza di peso per la ricerca sono comunemente designate come tubi di caduta o torri di caduta.

La struttura di ricerca a gravità zero della NASA, situata presso il Glenn Research Center di Cleveland, Ohio, comprende un pozzo verticale di 145 metri, prevalentemente sotterraneo, con una camera di caduta a vuoto integrata. All'interno di questa camera, un veicolo sperimentale può subire una caduta libera per 5,18 secondi, coprendo una distanza di 132 metri. La discesa del veicolo viene arrestata da circa 4,5 metri di pellet di polistirene espanso, con una conseguente decelerazione massima di 65 g.

Presso NASA Glenn si trova anche la 2.2 Second Drop Tower, che offre una distanza di caduta di 24,1 metri. Gli esperimenti all'interno di questa struttura sono racchiusi in uno scudo resistente per mitigare la resistenza dell'aria. Il pacchetto sperimentale viene fermato da un airbag alto 3,3 metri, sperimentando una velocità di decelerazione massima di circa 20 g. A differenza della Zero Gravity Facility, che esegue una o due cadute al giorno, la 2.2 Second Drop Tower è in grado di condurre fino a dodici cadute al giorno.

Il Marshall Space Flight Center della NASA gestisce anche una struttura a tubo di caduta, che misura 105 metri di altezza, che fornisce una caduta libera di 4,6 secondi in condizioni di quasi vuoto.

Ulteriori strutture di caduta globali

• Micro-Gravity Laboratory of Japan (MGLAB): offre 4,5 secondi di caduta libera.
• Tubo di caduta sperimentale del Dipartimento di Metallurgia di Grenoble: fornisce 3,1 secondi di caduta libera.
• Fallturm Bremen, Università di Brema – fornisce 4,74 secondi di caduta libera.
• Einstein-Elevator presso l'Università Leibniz di Hannover: offre 4,0 secondi di caduta libera, con condizioni parziali g disponibili da 4,1 a 9 secondi.
• Torre di caduta della Queensland University of Technology: fornisce 2,0 secondi di caduta libera.
• Centro nazionale per la ricerca e lo sviluppo sulla combustione presso IIT-M: offre 2,5 secondi di caduta libera.

Macchine a posizionamento casuale

Un clinostato 3D, noto anche come macchina a posizionamento casuale, offre un ulteriore metodo a terra per simulare l'assenza di gravità nei campioni biologici. A differenza dei clinostati convenzionali, questo dispositivo utilizza la rotazione simultanea lungo due assi, generando così progressivamente un ambiente simile alla microgravità attraverso il meccanismo della media del vettore di gravità.

Assettibilità neutra

Ambienti orbitali

All'interno della Stazione Spaziale Internazionale (ISS), le forze g residue derivano da vari fattori, tra cui gli effetti delle maree, le influenze gravitazionali di oggetti non terrestri come gli astronauti, la navicella stessa e il Sole, nonché la resistenza atmosferica e lo slancio impartiti dai movimenti degli astronauti. Il simbolo μg, che rappresenta la microgravità, era ben visibile sulle insegne delle missioni Space Shuttle STS-87 e STS-107, a significare la loro attenzione dedicata alle indagini sulla microgravità nell'orbita terrestre bassa.

Voli sub-orbitali

La ricerca biomedica riguardante le conseguenze fisiologiche del volo spaziale ha acquisito crescente importanza, in particolare nella valutazione delle potenziali alterazioni fisiopatologiche nei soggetti umani. I voli suborbitali offrono un prezioso paradigma di ricerca per l’esposizione di breve durata, sfruttando l’approssimativa assenza di gravità, o μg, condizioni caratteristiche dell’orbita terrestre bassa. Esempi degni di nota di tali iniziative includono i programmi MASER, MAXUS e TEXUS, gestiti in collaborazione dalla Swedish Space Corporation e dall'Agenzia spaziale europea.

Movimento orbitale

Il movimento orbitale costituisce fondamentalmente uno stato di caduta libera continua. Tuttavia, gli oggetti in orbita non sperimentano l'assoluta assenza di gravità, a causa dell'influenza di diversi fattori che contribuiscono:

• Effetti dipendenti dalla posizione relativa all'interno della navicella spaziale:
  • Dato che la forza gravitazionale diminuisce con l'aumentare della distanza, gli oggetti che possiedono una dimensione finita subiranno una forza di marea, o un'attrazione gravitazionale differenziale, esercitata tra le loro estremità più vicine e più lontane dalla Terra. (Una manifestazione estrema di questo fenomeno è chiamata spaghettificazione.) Inoltre, all'interno di un veicolo spaziale in orbita terrestre bassa (LEO), la forza centrifuga è aumentata sul lato più distante dalla Terra. Ad un'altitudine orbitale di 400 km in LEO, il differenziale cumulativo della forza g si avvicina a 0,384 μg/m.
  • L'interazione gravitazionale tra la navicella spaziale e un oggetto interno può indurre una graduale "caduta" dell'oggetto verso un componente più massiccio della nave. Questa accelerazione misura 0,007 μg per una massa di 1000 kg a una distanza di 1 m.
• Effetti uniformi (potenzialmente compensabili):
  • Nonostante la sua estrema rarefazione, un'atmosfera residua persiste ad altitudini orbitali che vanno da 185 a 1.000 km. Questa presenza atmosferica genera una minuscola decelerazione attribuibile alla resistenza per attrito. Sebbene teoricamente mitigabile attraverso una spinta continua a basso livello, nelle applicazioni pratiche questa decelerazione viene affrontata in modo intermittente, precludendo così la completa eliminazione della minuscola forza g associata a questo fenomeno.
  • Le influenze del vento solare e della pressione della radiazione mostrano caratteristiche analoghe ma sono dirette radialmente verso l'esterno dal Sole. Differenti dalla resistenza atmosferica, questi effetti non diminuiscono con l'aumentare dell'altitudine.
• Effetti aggiuntivi:
  • Attività di routine dell'equipaggio: in conformità con il principio di conservazione della quantità di moto, qualsiasi propulsione esercitata da un membro dell'equipaggio contro una superficie interna del veicolo spaziale induce un corrispondente contromovimento della nave.
  • Vibrazioni strutturali: le sollecitazioni imposte allo scafo del veicolo spaziale possono indurre deformazioni strutturali, portando ad accelerazioni percepibili.

Assenza di gravità in un nucleo planetario

Se un oggetto attraversasse senza ostacoli il centro geometrico di un pianeta sferico, raggiungerebbe uno stato di assenza di gravità una volta raggiunto il nucleo planetario. Questo fenomeno si verifica perché la massa planetaria circostante esercita un'attrazione gravitazionale equivalente in tutte le direzioni radiali a partire dal centro, annullando così qualsiasi attrazione direzionale singolare e creando una regione priva di forza gravitazionale netta.

Assenza di gravità

Un ambiente di microgravità veramente stazionario richiederebbe un viaggio sufficientemente lontano nello spazio profondo per attenuare gli effetti gravitazionali fino a quasi zero. Sebbene concettualmente semplice, questo approccio richiede il superamento di distanze immense, rendendolo quindi altamente poco pratico. Ad esempio, per ridurre la gravità terrestre di un fattore di un milione, è necessaria una distanza di 6 milioni di chilometri dalla Terra; tuttavia, per ottenere la stessa riduzione gravitazionale rispetto al Sole, è necessaria una distanza di 3,7 miliardi di chilometri. Anche se teoricamente non è impossibile, questa impresa è stata compiuta fino ad oggi solo da quattro sonde interstellari: nello specifico, Voyager 1 e 2 del programma Voyager e Pioneer 10 e 11 del programma Pioneer. Per raggiungere un ambiente di microgravità di questo tipo, definito come una regione in cui l’accelerazione gravitazionale è un milionesimo della gravità superficiale della Terra, occorrerebbero circa tre ore e mezza alla velocità della luce. Al contrario, per ottenere una riduzione gravitazionale a un millesimo della gravità superficiale terrestre è necessaria una distanza di soli 200.000 km.

In prossimità relativamente ravvicinata della Terra (cioè a meno di 3000 km), la forza gravitazionale subisce solo una riduzione marginale. Quando un oggetto orbita attorno a un corpo celeste come la Terra, l'attrazione gravitazionale persiste, facendo accelerare l'oggetto verso il basso a una velocità di quasi 1 g. Tuttavia, a causa delle immense velocità laterali degli oggetti orbitanti rispetto alla superficie, mantengono l'altitudine, "cadendo" effettivamente attorno alla curvatura terrestre. Dal punto di vista di un osservatore in orbita, gli oggetti vicini nello spazio sembrano fluttuare perché tutti gli elementi sono soggetti alla stessa attrazione gravitazionale verso la Terra e contemporaneamente avanzano mentre la superficie del pianeta si curva sotto di loro. Di conseguenza, questi oggetti stanno sperimentando una caduta libera, non uno stato di gravità zero.

Effetti sulla salute

Effetti sulla salute

Con la creazione di stazioni spaziali abitabili di lunga durata, è stato dimostrato che l'esposizione alla microgravità induce numerosi effetti dannosi sulla fisiologia umana. Le forme di vita terrestre, in particolare gli esseri umani, sono altamente adattate all'ambiente gravitazionale della superficie terrestre. Di conseguenza, periodi prolungati di assenza di gravità innescano cambiamenti adattativi e atrofia in più sistemi fisiologici. Sebbene queste alterazioni siano spesso transitorie, possono portare a complicazioni di salute persistenti.

Durante le prime ore di esposizione alla microgravità, il problema più frequente tra gli astronauti è la sindrome da adattamento allo spazio (SAS), colloquialmente chiamata "mal di spazio". Le manifestazioni cliniche della SAS comprendono nausea, vomito, vertigini, cefalalgia, letargia e malessere generale. Il cosmonauta Gherman Titov ha documentato il primo caso di SAS nel 1961. Successivamente, circa il 45% di tutti gli individui che hanno intrapreso un volo spaziale hanno sperimentato questa sindrome. Sebbene la durata del mal di spazio sia variabile, non ha mai superato le 72 ore, dopo le quali tipicamente avviene l'acclimatazione fisiologica al nuovo ambiente. La NASA quantifica in modo informale la gravità della SAS utilizzando la "scala Garn", dal nome del senatore degli Stati Uniti Jake Garn, la cui esperienza durante STS-51-D ha rappresentato l'istanza più grave registrata. Di conseguenza, un "Garn" denota la massima gravità possibile della SAS.

Le conseguenze dannose più pronunciate dell'esposizione prolungata alla microgravità includono l'atrofia muscolare e il deterioramento scheletrico, specificamente chiamato osteopenia del volo spaziale. Questi effetti possono essere mitigati attraverso un regime di esercizi strutturato, come il ciclismo. Gli astronauti che si sottopongono a lunghi periodi di assenza di gravità spesso utilizzano indumenti specializzati dotati di fasce elastiche tra la cintura e i polsini per applicare compressione alle ossa delle gambe, contrastando così l’osteopenia. Ulteriori effetti degni di nota comprendono la ridistribuzione dei fluidi, che si traduce nella caratteristica "faccia di luna" osservata in microgravità, alterazioni nel sistema cardiovascolare dovute alla modifica della pressione sanguigna e della velocità del flusso in assenza di gravità, ridotta eritropoiesi, disfunzione vestibolare e compromissione del sistema immunitario. I sintomi minori comprendono perdita di massa corporea, congestione nasale, disturbi del sonno, aumento della flatulenza e gonfiore del viso. Al rientro nell'ambiente gravitazionale della Terra, questi cambiamenti fisiologici subiscono tipicamente una rapida inversione.

Inoltre, dopo lunghe missioni di volo spaziale, gli astronauti potrebbero riscontrare alterazioni oculari. Tali disturbi visivi potrebbero rappresentare una sfida significativa per le future spedizioni spaziali di lunga durata, comprese le missioni umane su Marte. Un’elevata esposizione alle radiazioni è implicata anche nella patogenesi dell’aterosclerosi. Recenti osservazioni hanno anche identificato la formazione di coaguli all'interno della vena giugulare interna durante il volo spaziale.

Uno studio finanziato dalla NASA e pubblicato il 31 dicembre 2012, ha indicato che il volo spaziale umano potrebbe potenzialmente danneggiare il cervello degli astronauti e accelerare la progressione della malattia di Alzheimer. Successivamente, nell'ottobre 2015, l'ufficio dell'ispettore generale della NASA ha pubblicato un rapporto che descrive dettagliatamente i rischi per la salute associati al volo spaziale umano, affrontando specificamente una missione con equipaggio su Marte.

Cinetosi spaziale

La cinetosi spaziale (SMS) è considerata una forma distinta di chinetosi, che colpisce circa la metà di tutti gli individui che intraprendono viaggi nello spazio. Oltre a sintomi come la congestione facciale derivante da spostamenti di liquidi verso la testa, mal di testa e mal di schiena, gli SMS contribuiscono al più ampio complesso di sintomi noto come sindrome di adattamento allo spazio (SAS). La descrizione iniziale degli SMS risale al 1961, durante la seconda orbita del quarto volo spaziale con equipaggio, quando il cosmonauta Gherman Titov, a bordo della Vostok 2, riferì disorientamento e disagio fisico in gran parte coerenti con la chinetosi. Nonostante sia stato ampiamente studiato come sfida fisiologica nel volo spaziale, presenta persistentemente notevoli difficoltà per numerosi astronauti. In alcuni casi, i suoi effetti debilitanti richiedono che gli astronauti si ritirino dalle loro responsabilità operative programmate, portando potenzialmente alla rinuncia alle passeggiate spaziali per le quali sono stati sottoposti ad un’ampia preparazione. Tuttavia, nella maggior parte delle situazioni, gli astronauti riescono a svolgere i propri compiti nonostante i sintomi, anche se con un notevole calo delle prestazioni.

Anche gli astronauti di grande esperienza, abituati all'allenamento fisico più rigoroso ed impegnativo sulla Terra, possono essere colpiti dagli SMS, manifestandosi con nausea grave, vomito a proiettile, affaticamento, malessere generale e mal di testa. L’insorgenza di questi sintomi può essere così improvvisa e inaspettata che i viaggiatori spaziali possono sperimentare l’emesi senza tempo sufficiente per il contenimento, portando a odori pervasivi e contaminazione di liquidi all’interno della cabina del veicolo spaziale, con un potenziale impatto sui membri dell’equipaggio. Inoltre, gli SMS possono indurre alterazioni nei comportamenti motori oculari. I sintomi generalmente persistono da uno a tre giorni dopo l'inizio della microgravità, ma possono riemergere durante il rientro nel campo gravitazionale terrestre o subito dopo l'atterraggio. Distinguere gli SMS dalla cinetosi terrestre, la diaforesi e il pallore sono in genere trascurabili o assenti e gli esami gastrointestinali spesso rivelano rumori intestinali diminuiti o assenti, indicativi di una ridotta motilità gastrointestinale.

Anche dopo la risoluzione di nausea ed emesi, alcuni sintomi del sistema nervoso centrale possono persistere, compromettendo potenzialmente le prestazioni dell'astronauta. Nel 1976 Graybiel e Knepton introdussero il termine "sindrome da sopite" per caratterizzare la letargia e la sonnolenza legate alla chinetosi. Successivamente, questa definizione è stata ampliata per comprendere "...un complesso di sintomi che si sviluppa come risultato dell'esposizione a movimenti reali o apparenti ed è caratterizzato da eccessiva sonnolenza, stanchezza, letargia, lieve depressione e ridotta capacità di concentrarsi su un compito assegnato". Collettivamente, queste manifestazioni possono presentare un rischio significativo, anche se transitorio, per gli astronauti, ai quali è richiesto di mantenere una costante vigilanza riguardo a questioni operative critiche.

L'SMS è prevalentemente inteso come un disturbo del sistema vestibolare, derivante da un conflitto tra input sensoriali dal sistema visivo (vista) e dal sistema propriocettivo (postura e posizione del corpo) e segnali incongruenti provenienti dai canali semicircolari e dagli otoliti dell'orecchio interno. Questo fenomeno è chiamato "teoria del disadattamento neurale", inizialmente proposto da Reason e Brand nel 1975. Al contrario, l'ipotesi dello spostamento dei fluidi presuppone che la microgravità diminuisca la pressione idrostatica negli arti inferiori, portando a una ridistribuzione cefalica dei fluidi corporei. Si ritiene che tali spostamenti di fluidi aumentino la pressione del liquido cerebrospinale (contribuendo al mal di schiena), la pressione intracranica (inducendo mal di testa) e la pressione del fluido dell'orecchio interno (con conseguente disfunzione vestibolare).

Nonostante le approfondite ricerche volte a risolvere la cinetosi spaziale (SMS), continua a rappresentare una sfida significativa per le missioni spaziali. Gli interventi non farmacologici, inclusi vari protocolli di allenamento e manovre fisiche, hanno dimostrato un’efficacia limitata. Come osservato da Thornton e Bonato, "gli sforzi di adattamento pre e durante il volo, alcuni dei quali obbligatori e la maggior parte onerosi, si sono rivelati, per la maggior parte, fallimenti operativi". Attualmente la prometazina, un antistaminico iniettabile dotato di proprietà antiemetiche, rappresenta il trattamento primario; tuttavia, la sedazione è un effetto avverso notevole. Anche altre alternative farmacologiche, come la metoclopramide e la somministrazione orale o transdermica di scopolamina, inducono spesso sonnolenza e sedazione.

Effetti muscoloscheletrici

All'interno dell'ambiente di microgravità dello spazio, le conseguenze fisiologiche dello scarico mostrano una sostanziale variabilità interindividuale, ulteriormente complicata dalle differenze sesso-specifiche. Anche le variazioni nella durata della missione e il numero limitato di astronauti che partecipano a missioni identiche contribuiscono alla diversità osservata nei disturbi muscoloscheletrici durante il volo spaziale. Oltre all’atrofia muscolare, la microgravità induce un elevato riassorbimento osseo, una ridotta densità minerale ossea e una maggiore suscettibilità alle fratture. Questo maggiore riassorbimento osseo determina livelli elevati di calcio urinario, che a loro volta possono aumentare il rischio di nefrolitiasi.

Durante le prime due settimane di volo spaziale, quando i muscoli non devono più sostenere il peso del corpo umano, inizia l'atrofia muscolare generalizzata. I muscoli posturali, caratterizzati da una percentuale maggiore di fibre a contrazione lenta, dimostrano una maggiore suscettibilità all’atrofia rispetto ai gruppi muscolari non posturali. Questa riduzione della massa muscolare deriva da uno squilibrio tra sintesi e degradazione proteica. Allo stesso tempo, la perdita di massa muscolare è associata a un calo della forza muscolare, un fenomeno documentato dopo soli 2-5 giorni di volo spaziale durante le missioni Soyuz-3 e Soyuz-8. Inoltre, è stato dimostrato che l'esposizione alla microgravità diminuisce la generazione di forze contrattili e la potenza muscolare complessiva.

Per mitigare gli effetti negativi della microgravità sul sistema muscolo-scheletrico, si consiglia l'esercizio aerobico, spesso implementato come ciclismo in volo. Regimi più efficaci comprendono esercizi di resistenza, l'applicazione di una "tuta da pinguino" (dotata di elastici cuciti per imporre un carico di allungamento sui muscoli antigravità), centrifugazione e vibrazioni. La centrifugazione mira a replicare la forza gravitazionale della Terra all'interno della stazione spaziale, contrastando così l'atrofia muscolare. Ciò può essere ottenuto utilizzando centrifughe dedicate o pedalando lungo la parete interna della stazione spaziale. È stato osservato che le vibrazioni del corpo intero riducono il riassorbimento osseo, sebbene i meccanismi sottostanti rimangano indefiniti. La vibrazione può essere somministrata tramite dispositivi per esercizi che impiegano spostamenti verticali rispetto a un fulcro o tramite una piastra che oscilla lungo un asse verticale. Le strategie farmacologiche proposte per combattere l'atrofia muscolare nello spazio includono la somministrazione di agonisti beta-2 adrenergici per aumentare la massa muscolare e l'uso combinato di aminoacidi essenziali con esercizi di resistenza.

Effetti cardiovascolari

Oltre ai sistemi scheletrico e muscolare, il sistema cardiovascolare subisce uno sforzo ridotto in microgravità rispetto alle condizioni terrestri, portando al decondizionamento durante lunghi periodi nello spazio. In un normale ambiente gravitazionale, la gravità esercita una forza verso il basso, stabilendo un gradiente idrostatico verticale. Quando un individuo sta in piedi, una porzione di liquido si accumula nel sistema vascolare e nei tessuti degli arti inferiori. In un ambiente di microgravità, l'assenza di questo gradiente idrostatico provoca una rapida ridistribuzione dei liquidi verso il torace e la parte superiore del corpo, spesso percepita come un "sovraccarico" del volume sanguigno circolante. In risposta a questo volume sanguigno in eccesso percepito in condizioni di microgravità, il corpo avvia aggiustamenti compensatori, inclusa l’espulsione del fluido in eccesso nei tessuti e nelle cellule interstiziali (con conseguente riduzione del volume del 12-15%) e una diminuzione della conta dei globuli rossi per mantenere la concentrazione normale, portando a uno stato di relativa anemia. Senza gravità, il flusso sanguigno venoso nell’atrio destro aumenta perché la forza gravitazionale non attira più il sangue nei vasi delle gambe e dell’addome, aumentando di conseguenza la gittata sistolica. Queste ridistribuzioni dei fluidi comportano rischi significativi al rientro in un normale ambiente gravitazionale, mentre il corpo tenta di riadattarsi. Il ristabilimento della gravità attira ancora una volta il fluido verso il basso, ma ora esiste una carenza sia nel volume del fluido circolante che nei globuli rossi. L’intolleranza ortostatica deriva da una riduzione della pressione di riempimento cardiaco e della gittata sistolica durante lo stress ortostatico, principalmente attribuibile alla diminuzione del volume sanguigno. Questa condizione può manifestarsi come sincope transitoria e instabilità posturale, derivante da pressione e volume sistolico insufficienti. Alcune specie animali hanno sviluppato adattamenti fisiologici e anatomici, come un’elevata pressione sanguigna idrostatica e una posizione del cuore più craniale, per mitigare le sfide della pressione sanguigna ortostatica. Inoltre, l'intolleranza ortostatica cronica può portare a sintomi supplementari, tra cui nausea, disturbi del sonno e altre disfunzioni vasomotorie.

I voli parabolici vengono spesso utilizzati per studiare gli impatti fisiologici della microgravità sul sistema cardiovascolare. Questi voli rappresentano uno dei pochi metodi praticabili per condurre esperimenti umani, offrendo un’opportunità unica per esaminare gli effetti reali di un ambiente di microgravità sul corpo umano senza richiedere viaggi nello spazio. La ricerca condotta tramite voli parabolici ha prodotto dati estesi riguardanti le alterazioni cardiovascolari in microgravità. Tali studi hanno migliorato la comprensione dell’intolleranza ortostatica e della riduzione del flusso sanguigno periferico sperimentati dagli astronauti dopo il volo spaziale. Il cuore può subire atrofia in un ambiente di microgravità, attribuita alla ridotta domanda di pompaggio del sangue. L'indebolimento cardiaco può portare a ipovolemia e ipotensione, compromettendo l'apporto di ossigeno al cervello e inducendo potenzialmente vertigini. Inoltre, gli astronauti hanno mostrato disturbi del ritmo cardiaco, sebbene la loro eziologia, che si tratti di condizioni preesistenti o di effetti di microgravità, rimanga indeterminata. Una contromisura attuale prevede il consumo di una soluzione salina, che aumenta la viscosità del sangue e di conseguenza aumenta la pressione sanguigna, migliorando così l’intolleranza ortostatica post-microgravità. Un altro approccio terapeutico è la somministrazione di midodrine, un agonista adrenergico selettivo alfa-1. La midodrina induce costrizione arteriosa e venosa, portando ad un aumento della pressione sanguigna mediato dai riflessi dei barocettori.

Impatti sugli organismi non umani

Ricercatori russi hanno documentato le distinzioni tra gli scarafaggi concepiti nello spazio e quelli sviluppati in condizioni terrestri. Questi esemplari concepiti nello spazio hanno mostrato tassi di crescita accelerati e sono maturati in individui che hanno dimostrato maggiore velocità e resilienza.

Le uova di gallina esposte alla microgravità due giorni dopo la fecondazione mostrano uno sviluppo compromesso, a differenza di quelle introdotte nella microgravità più di una settimana dopo la fecondazione, che si sviluppano senza apparenti anomalie.

Un esperimento sullo Space Shuttle condotto nel 2006 ha rivelato che la Salmonella typhimurium, un batterio responsabile di intossicazione alimentare, ha dimostrato una maggiore virulenza se coltivato in un ambiente spaziale. Successivamente, il 29 aprile 2013, i ricercatori del Rensselaer Polytechnic Institute, sostenuti dai finanziamenti della NASA, hanno riferito che i microrganismi a bordo della Stazione Spaziale Internazionale sembravano adattarsi all'ambiente spaziale attraverso meccanismi "non osservati sulla Terra", con conseguenti potenziali "incrementi di crescita e virulenza".

I microrganismi hanno dimostrato la capacità di prosperare in condizioni di quasi assenza di gravità e di sopportare il vuoto dello spazio esterno secondo specifici parametri sperimentali.

Applicazioni commerciali

Produzione di cristalli di alta qualità

Sebbene non sia ancora implementato a livello commerciale, esiste un interesse significativo nella coltivazione di cristalli in ambienti di microgravità, come quelli che si trovano sulle stazioni spaziali o sui satelliti artificiali automatizzati, utilizzando l'ingegneria dei processi a bassa gravità. Questo approccio mira a mitigare i difetti del reticolo cristallino, producendo potenzialmente cristalli privi di difetti preziosi per applicazioni microelettroniche avanzate e per la successiva cristallografia a raggi X.

Un esperimento condotto sulla Stazione Spaziale Internazionale (ISS) nel 2017 si è concentrato sulla cristallizzazione dell'anticorpo monoclonale terapeutico, pembrolizumab. I risultati hanno indicato la formazione di particelle cristalline più uniformi e omogenee rispetto ai campioni di controllo terrestre. Queste particelle di cristalli costantemente uniformi potrebbero facilitare lo sviluppo di terapie anticorpali più concentrate e a basso volume, consentendo potenzialmente la somministrazione sottocutanea, che rappresenta un'alternativa meno invasiva al metodo endovenoso attualmente dominante.

Riferimenti

Riferimenti

È disponibile una definizione del dizionario di gravità zero. I contenuti multimediali relativi all'assenza di gravità sono accessibili.

La definizione del dizionario di gravità zero su Wikizionario Mezzi relativi all'assenza di gravità su Wikimedia Commons

• Come funziona l'assenza di gravità su HowStuffWorks
• "Perché gli astronauti sono senza peso?" Video spiegazione dell'errore della "gravità zero".
• Critica dei termini "Gravità Zero" e "Microgravità", persuasione a utilizzare una terminologia che rifletta la fisica accurata (sci.space post).
• Ricerca sulla biologia spaziale presso il Centro di ricerca AU-KBC
• Jhala, Dhwani; Cavolo, Raosaheb; Singh, Rana (2014). "La microgravità altera la crescita e la progressione del cancro". Obiettivi attuali dei farmaci contro il cancro, 14 (4): 394–406. doi:10.2174/1568009614666140407113633. PMID 24720362.Tirumalai, Madhan R.; Karouia, Fathi; Tran, Quyen; Stepanov, Victor G.; Bruce, Rebekah J.; Ott, C. Mark; Pierson, Duane L.; Fox, George E. (dicembre 2017). "The Adaptation of Escherichia coli Cells Grown in Simulated Microgravity for an Extended Period is Sia fenotipico che genomico." npj Microgravity, 3 (1): 15. doi:10.1038/s41526-017-0020-1. PMC 5460176. PMID 28649637.Fonte: Archivio TORIma Accademia