di Nicola Turco

Effetti della microgravità sugli astronauti

La gravità è una delle quattro forze fondamentali della Fisica assieme alla forza elettromagnetica, la forza nucleare forte e la forza nucleare debole.

E' espressa dalla legge di gravitazione universale di Newton: F= G * [(m<sub>*m2)/r²]
E' responsabile della sensazione di peso che ha il nostro corpo che viene attratto alla superficie.

Il campo gravitazionale influisce sul moto degli oggetti dotati di massa e quindi anche su fenomeni fisici come la convezione termica, il galleggiamento (la spinta idrostatica), la pressione idrostatica e la sedimentazione.
La gravità influisce sui processi vitali come ad esempio la capillarità, i flussi laminari, l'osmosi, i fenomeni di interfaccia, la crescita di cristalli, etc.

Come "rimuovere" la gravità
E' necessario "compensare" con una forza di accelerazione uguale e contraria ovvero stesso modulo (valore assoluto) e direzione opposta al vettore di gravità.
Comunemente si parla di assenza di gravità (o di peso), ma essendo difficile ottenere un equilibrio perfetto, gli esperti parlano di "microgravità" (µg): si tratta di attrazioni che sono dell'ordine di un milionesimo della gravità.

Ad esempio l'astronauta di una navicella spaziale sarà:
- attratto dalla massa della navicella stessa
- anche se molto rarefatta sarà rallentato dall'atmosfera
- se si trova a fluttuare all'esterno su un piano orbitale parallelo (sopra o sotto) a quello dell'astronave, sarà "tirato" verso questo piano


Compensare la forza di gravità con una forza di accelerazione consiste in una situazione di caduta libera non necessariamente verticale alla Terra.

Si può realizzare con alcuni metodi:
- torri di caduta (pochi secondi)
- voli parabolici su aeromobili, es. A300 ZERO-G (circa 20 secondi)
- sounding rockets (alcuni minuti)
- orbitare intorno alla terra

L'aria dell'atmosfera crea resistenza e produce un componente di decelerazione, e quindi una sensazione di peso nella direzione del moto (l'atmosfera terrestre oltre i 100km di altitudine diventa estremamente rarefatta e rappresenta convenzionalmente il limite tra atmosfera terrestre e spazio)

Orbitare intorno alla Terra senza propulsione è un tipo particolare di caduta libera. Sulla ISS (Stazione Spaziale Internazionale) la microgravità è una condizione che si viene a creare poiché in costante caduta libera e non perché si trova nello spazio: si muove con un vettore di accelerazione di modulo costante e pari all'accelerazione di gravità e di direzione opposta al vettore del campo gravitazionale.
La ISS è mantenuta in un'orbita quasi circolare e viaggia ad una velocità media di 27.724 km all'ora completando 15,7 orbite al giorno.
A causa di un leggero attrito atmosferico, perde costantemente quota e ha bisogno di essere riportata più in alto circa ogni anno con l'accensione dei propulsori.
La stazione spaziale (che di fatto è un satellite artificiale) si trova ad una distanza dalla superficie terrestre che varia da 278 km a 460 km per cui a partire dalla legge di gravitazione universale si evince che i valori dell'accelerazione terrestre sono di poco inferiori al valore "standard" di 9,8 m/s² (9,823 m/s² ai poli e 9,789 m/s² all'equatore per via della forza centrifuga dovuta alla rotazione del pianeta):
- supponendo una altezza minima di 278km il valore di g sarà: 9,01 m/s²
- supponendo una altezza massima di 460km il valore di g sarà: 8,51 m/s²

Formula:
G = costante di gravitazione universale
mt= massa terrestre
r= raggio terrestre (o distanza dal centro di massa)
g = G * mt / r²
g = 6,673*(10^-11) * 5,97* (10^24) / (6,371*(10^6))^2

Influenze biologiche e biochimiche indotte dalla microgravità
A livello fisiologico l'organismo umano è in grado di sviluppare una tolleranza a questa condizione, anche per periodi prolungati (Valeriy Polyakov, con 437 giorni consecutivi di permanenza), per ragioni di ricerca dell'equilibrio omeostatico di compensazione e adattamento alle nuove condizioni ambientali.
Si riscontrano inizialmente alterazioni momentanee che vanno sotto il nome di Sindrome da Adattamento allo Spazio o SAS (mal di spazio):
- nausea
- disorientamento
- mal di testa
- letargia
- vomito
- malessere diffuso

In condizioni di microgravità avviene un rapido spostamento dei fluidi corporei dalle parti basse al torace e alla testa.
Se la permanenza in un ambiente a microgravità si protrae nel tempo si manifestano dei cambiamenti patologici a causa della mancanza di sollecitazioni che avvengono normalmente sulla Terra:
- riduzione della massa muscolare e della forza (atrofizzazione)
- decondizionamento cardiovascolare
- demineralizzazione e degradazione della struttura ossea (osteoporosi)
- ridotta produzione di globuli rossi
- alterazioni dell'adattamento neurosensoriale e neurovestibolare
- indebolimento del sistema immunitario (causato dallo stress)
- congestione nasale
- disturbi del sonno
- eccessiva flatulenza

A livello cellulare avvengono:
- inibizione o stimolazione della divisione e crescita cellulare
- aumento delle capacità biosintetiche
- rallentamento della via glicolitica
- incremento della resistenza agli antibiotici da parte di alcuni batteri</sub>

Fonti/Documentazione

http://www.nasa.gov
Appunti di fisiologia