Mitä Mikrogravitaatio on?

Painottomuuden aikaansaanti eri tavoin

Maapallon - tai minkä tahansa muunkin - gravitaatiokentän vaikutuspiirissä saadaan tilapäinen painottomuus kun kappale päästetään 'vapaapudotukseen', eli sen annetaan tippua vapaasti kohti gravitaation lähdettä (Maapalloa). Tämän aikaansaamiseksi voidaan käyttää useita keinoja:

• Lyhytaikaisen painottomuuden (10s) voi toteuttaa pudottamalla kappale pystysuoraan kuiluun tai alas tornista. Tässä tulee kuitenkin vastaan ilmanvastus, joka suurilla nopeuksilla jarruttaa kiihtyvää putoamista: esimerkiksi lentokoneesta hypättäessä ihmisen maksiminopeus maata kohti on syöksyasennossa jopa 500 km tunnissa, normaalisti noin 150 km/h. Jos ilmakehää ei olisi, kappale kiihtyisi koko ajan (törmäykseen asti). Lisäksi painottomuuden ja sen vaikutusten tutkiminen on vaikeaa - painottomuus on lyhytaikaista, mukaan ei voida pistää tutkimuksen tarkkailijaa tai säätäjää, ja kaiken kukkuraksi tutkittava laite on joko jarrutettava ennen maahansyöksyä tai rakennettava iskunkestävästä materiaalista (mikäli se halutaan ehjänä takaisin).
  
  
• Kappale voidaan myös lähettää ilmakehän ulkopuolelle. Esimerkiksi satelliitit, sukkulat ja avaruusasemat pysyvät radoillaan juuri näin: ne tippuvat gravitaation vuoksi koko ajan kohti Maata, mutta niiden 'sivuttaisnopeus' on niin suuri että ne kulkevat eteenpäin ja siten tippuvat Maan 'eteen'. Ilmanvastuksen puuttumisen vuoksi tällainen kiertorata on hyvin stabiili, muutokset ovat pieniä verrattuna ilmakehän sisällä tapahtuviin painottomuuslentoihin. Tämän tavan miinuspuoli on kuitenkin suuret kustannukset, ja kokeen korjausten rajallisuus: kiertoradalle nostaminen on kallista, ja mukaan on otettava kaikki mahdolliset kokeen korjaukseen tarvittavat välineet.
  
  
• Upottamalla kappale veteen saadaan mukaan veden noste, joka kompensoi osan gravitaation kiihdytyksestä, vettä kevyemmille kappaleille noste jopa kumoaa gravitaation kokonaan. Tässä tapauksessa kappaleen ympäristön olosuhteet kuitenkin muuttuvat radikaalisti - sitä ei enää ympäröi kaasu vaan huomattavasti tahmeammin liikkuva neste.
  
  
• Lyhytaikaisille painottomuuskokeille paras ja suhteellisen halpa tapa (verrattuna kiertoratakokeisiin) on painottomuuslento lentokoneella. Tässä tapauksessa koe sijoitetaan "nollagravitaatio-lentokoneeseen" jolla lennetään parabolista lentorataa. Tähän käytetään useimmiten tarkoituksenmukaisesti muunneltua isoa matkustajakonetta, jonka moottorien kierroksia vähennetään minimiin ja koneen annetaan alkaa pudota vapaasti. Tällöin lentokoneen sisällä koetaan lähes painoton tila, sillä kaikki kappaleet ovat vapaapudotuksessa Maata kohti. Ilmanvastus kohdistuu vain lentokoneen runkoon.

  Aivan täydellistä painottomuutta ei lentokoneella saa aikaan. Ilmakuopat yms. aiheuttavat pieniä voimia koneeseen ja niimpä gravitaatio onkin noin 10 mg:tä eli sadasosa normaalista.
  
  

  

  Euroopan avaruusjärjestö käyttää painottomuuslentoihin ja niillä suoritettaviin tieteellisiin kokeisiin Novespacen modifioitua Airbus 300:a, joka on maailman suurin painottomuuslentoihin käytettävä lentokone. Mm. kosmonautit ovat harjoitelleet koneessa antennien asennusta: tämä auttoi heitä suoriutumaan todellisesta tehtävästä MIR-avaruusasemalla.
  

  Airbus 300:n käyttöopas

  
  
  
  
  
  

  Painottomuuden vaikutus ihmiseen

  Koska koemme jatkuvasti painovoiman, reagoimme siihen alitajuisesti: Jotta elimistömme selviytyy alaspäin vetävän lakkaamattoman voiman vaikutuksista, sen täytyy suoriutua lukemattomista pienistä automaattisista liikkeistä ja tasapainoittavista reaktioista. Painovoima on niin itsestäänselvä asia, että tiedostamme normaalielämässä painovoiman ainoastaan hyvin harvoin, esimerkiksi suonikohjujen tai nopeasti seisomaan noustessa tapahtuvan huimauksen ilmentyessä. Käytännössä huomaamme gravitaation ainoastaan silloin kun kasvatamme tai vähennämme painovoiman vaikutusta keinotekoisesti. Esimerkiksi keskivertohissin kiihdyttäessä ylöspäin voi tuntea kuinka lattia painaa jalkoja vasten (paino kasvaa noin 10 kiloa vastaavalla voimalla), ja vastaavasti hissin lähtiessä alaspäin lattia kiihdyttää 'alta pois', antaen matkustajalle lyhytaikaisen tunteen kuin hän olisi non 10kg kevyempi.

  Lyhytaikaisessa painottomuudessa (kuten tämä painottomuuslento) ei gravitaation puuttuminen saa aikaan kovin suuria muutoksia. Ehkä osa matkustajista tuntee olonsa huonoksi kun tasapainoaisti pettää, samalla tavoin kuin esimerkiksi autopahoinvoinnissa. Joillakin saattaa esiintyä hetkellistä naaman punoitusta tai turvotusta kun verenpaine yrittää yhä työntää verta suuremmalla paineella kohti yläruumista kuin alas.

  Pitempi painottomuus aiheuttaa kuitenkin suurempia ongelmia: lihaksiston ja luuston massa pienenee, esiintyy pahoinvointia, unettomuutta, nesteiden kertymistä, masennusta, ehkä jopa pelkotiloja... Ja tietysti paluu takaisin Maan painovoimaan tuo jälleen omat ongelmansa - elimistön täytyy uudelleen tottua 'takaisin' normaaleihin olosuhteisiin.

  Orientaatio ja pahoinvointi

  Ihmisen tasapainoelin sijaitsee sisäkorvassa, jossa pienet hyytelörakkulat kertovat normaalisti pään asennosta maan suhteen. Tämä "laitteisto" on tietysti 'kalibroitu' tulkitsemaan tilanteita Maan 1g painovoimassa. Poistamalla painovoiman vaikutus sisäkorvan aistimukset muuttuvat radikaalisti, sillä alaspäin vetävää voimaa ei enää ole. Lisäksi painottomuudessa raajoilla ei ole enää painoa, joten lihasten ei enää tarvitse supistella ja rentoutua tasapainon säilyttämiseksi. Paine- ja kosketusanturit jaloissa ja nilkoissa eivät enää anna tietoa alas-suunnasta. Nämä sekä muut muutokset aiheuttavat visuaalisen orientaation illuusioihin erilaisiin tuntemuksiin kuten että ruumis olisi kääntynyt ympäri, tai että se muuttaisi asentoaan spontaanisti. Amerikkalainen astronautti Byron Lichtenberg kommentoi sukkulalentoaan näin: "Kun päämoottorit sammutettiin, minusta tuntui välittömästi siltä kuin olisimme pyörähtäneet 180 astetta". Tällaiset tuntemukset voivat toistua useasti jopa pitkänkin painottomuuskokemuksen aikana.

  Elimistön tuominen painottomuuteen aiheuttaa hieman yli puolella kaikista testatuista henkilöistä autopahoinvointia muistuttavan tilan, jonka oireina ovat pääkipu, keskittymiskyvyn ja ruokahalun heikkeneminen, tietoisuus ruuansulatuksesta ja oksentelu. Normaalisti nämä oireet häviävät noin kolmen päivän kuluessa, mutta samanlaiset oireet ovat vaivanneet myös joitakin kosmonautteja pitkien lentojen päätteeksi. Oireet eivät johdu pelkästään tasapainoaistin pettämisestä, vaan suuri osa pahoinvoinnista johtuu motoristen (etenkin pään liikuttamiseen tarvittavien) liikkeiden ja niiden tarpeiden muuttumisesta, sekä mahdollisesti myös psyykkisistä syistä - jännityksestä.

  Nesteet kehossa

  Toinen painottomuuden tuoma ilmiö ruumiissa on, että muutaman minuutin sisällä matkaajan kaulasuonet alkavat pullottaa, kun verenpaine yhä työntää verta kohti yläruumista (normaalistihan keho joutuu tekemään ylimääräistä työtä jotta nesteet eivät pakkaudu jalkoihin). Veri ynnä muut kehon nesteet kulkeutuvat rintakehään ja päähän, kasvot pöhöttyvät, lisäksi voi esiintyä nenäverenvuotoa. Tämä "tunkkainen" olo muistuttaa normaalia nuhaa, ja kestää koko painottomuuskokemuksen ajan.

  Nesteiden liike vaikuttaa myös välillisesti muihin toimintoihin. Maku- ja hajuaisti muuttuvat nesteiden noustessa kohti päätä. Testit kertovat, että mitä vahvemmin maustettu ruoka, sitä maukkaampana se pysyy painottomuudessakin. Lisäksi munuaisten toiminta kasvaa noin 20 prosentilla noin ensimmäisen painottomusviikon ajaksi. Veressäkin tapahtuu muutoksia: veriplasma ohenee, joten punaisten verisolujen suhteellinen määrä kasvaa. Tähän keho yrittää sopeutua lopettamalla uusien punaisten verisolujen tuottamisen. Tämä tuottaa puolestaan ongelman kun saavutaan takaisin painovoiman piiriin.

  Rakenteelliset muutokset

  Painottomuudessa oleskeleminen aiheuttaa myös rakenteellisia muutoksia ihmisessä. Koska kehon ei tarvitse enää taistella alituisesti painovoimaa vastaan, luuston massa pienenee keskimäärin noin 1% kuukaudessa kun tukirakenteita kuormitetaan vain minimaalisesti. Selkärankaa ei enää kuormiteta pituussuunnassa, joten tapahtuu myös pituuskasvua - jopa viiden sentin verran. Rintakehä laajenee koska sen sisällä olevilla elimillä ei ole enää painoa. Erään astronautin sanoin: "Ruuansulatuselinten voi tuntea leijuvan ylöspäin. Minä huomasin kiristäväni vatsalihaksiani, ikäänkuin painaakseni tavaroita takaisinpäin".

  Lihasten käyttö muuttuu, sillä liikkumiseen tarvitsee käyttää vähemmän voimaa ja kaiken kukkuraksi eri lihaksia kuin normaaliin, esim kävelyyn. Jotkin lihakset surkastuvat nopeasti, ja kaiken kaikkiaankin lihasten käyttötyyli ja säiemateriaali vaihtuu hitaasta, painovoimaan sopivasta nopeampitahtiseen pikaisiin reaktioihin sopivaan. Nämä muutokset eivät tuota ongelmia - mikäli suoritetaan vain kevyitä töitä. Avaruuskävelyt ja Maahan paluuseen varautuminen vaativat kuitenkin jonkinlaista lihasmassan ylläpitoa.

  Muut tekijät

  Avaruusmatkailuun littyy myös muita tekijöitä kuin painottomuus. Astronautit ja kosmonautit ovat havainneet immuunisysteeminsä huonontuneen, johtuen todennäköisesti psyykkisistä ja fyysisistä muutoksista. Uuden ympäristön aiheuttamana avaruudessa esiintyy myös unettomuutta, mutta tähän ovat osallisina myös valaistustasot - esim kurkistus aluksen ikkunasta ennen nukkumaanmenoa voi 'herättää' elimistön uudelleen. Kaikkein pahin psyykkinen vaikutus - ja tästä johtuen ehkä myös fyysinen, riippuen yksilöstä - on kuitenkin uusi ahdas ympäristö ja olosuhteiden vaihtelun puute.

  
  
  Tekstin kirjoitti Jarmo Korteniemi