آزمایشگاه بشر در فضا

یکی از مهم‌ترین سازه‌های بشر، «ایستگاه فضایی بین‌المللی» است که تاکنون دستاوردهای بسیاری داشته و کمک‌های قابل توجهی را به جامعه بشری کرده است. در این گزارش به بررسی مهم‌ترین دستاوردهای ایستگاه فضایی بین‌المللی می‌پردازیم که جامعه علمی را تحت تاثیر قرار داده‌اند.

به گزارش ایسنا، «ایستگاه فضایی بین‌المللی»(ISS) از زمانی که برای اولین بار در سال ۲۰۰۹ به طور کامل عملیاتی شد، به عنوان یک پلتفرم حیاتی برای همکاری علمی جهانی عمل کرده است. فضانوردان ایستگاه فضایی بین‌المللی در دو دهه گذشته، علم را به گونه‌ای دنبال کرده‌اند که در هیچ جای دیگری قابل انجام دادن نیست. ایستگاه فضایی بین‌المللی که در فاصله حدود ۲۵۰ مایلی بالاتر از زمین قرار دارد، تنها آزمایشگاه موجود برای تحقیقات بلندمدت تحت شرایط ریزگرانش است.

با وجود همه فعالیت‌های ارزشمند ایستگاه فضایی بین‌المللی، زمان آن رو به پایان است زیرا ناسا اعلام کرده که ایستگاه مداری در اوایل دهه ۲۰۳۰ از مدار زمین خارج می‌شود.

"یکی از مهم‌ترین سازه‌های بشر، «ایستگاه فضایی بین‌المللی» است که تاکنون دستاوردهای بسیاری داشته و کمک‌های قابل توجهی را به جامعه بشری کرده است"با روی آوردن آمریکا به بخش خصوصی خود و ساخت ایستگاه «میر»(Mir) توسط روسیه، چشم‌انداز پس از ایستگاه فضایی بین‌المللی با شکاف بیشتری روبه‌رو خواهد شد.

پژوهش‌های ایستگاه فضایی بین‌المللی نه تنها انسان را برای کاوش در فضا یاری می‌دهند، بلکه به زندگی روی زمین نیز کمک می‌کنند.در هر حال، ماموریت ایستگاه فضایی بین‌المللی هنوز کاملا به پایان نرسیده است. ایستگاه فضایی بین‌المللی در طول سال‌های فعالیت خود، از اکتشافات متعدد، نوآوری‌های علمی، فرصت‌های منحصربه‌فرد و پیشرفت‌های تاریخ‌ساز پشتیبانی کرده است. این پژوهش‌ها نه تنها انسان را برای کاوش در فضا یاری می‌دهند، بلکه به زندگی روی زمین نیز کمک می‌کنند.

در این گزارش، به بررسی پیشرفت‌های مهم علمی و آزمایش‌هایی می‌پردازیم که به لطف ایستگاه فضایی بین‌المللی امکان‌پذیر شدند.

۱. تولید حالت پنجم ماده

فضانوردان حاضر در ایستگاه فضایی بین‌المللی، روی «چگالش بوز–اینشتین»(BEC) آزمایش کردند که به عنوان حالت پنجم ماده نیز شناخته می‌شود اما چرا یک ماده عجیب در فضا ایجاد می‌شود و چگونه می‌تواند به انسان روی زمین کمک کند؟

چگالش بوز–اینشتین به دانشمندان کمک می‌کند تا به دنیای فیزیک کوانتوم بپردازند زیرا ویژگی‌هایی را نشان می‌دهد که معمولا تنها توسط اتم‌های منفرد به نمایش درمی‌آیند. این ویژگی، چگالش بوز–اینشتین را به یک پدیده مهم در مطالعات مکانیک کوانتوم تبدیل می‌کند که می‌تواند به پیشرفت‌های چشمگیری در محاسبات کوانتومی بیانجامد.

چگالش بوز–اینشتین به دانشمندان کمک می‌کند تا به دنیای فیزیک کوانتوم بپردازند زیرا ویژگی‌هایی را نشان می‌دهد که معمولا تنها توسط اتم‌های منفرد به نمایش درمی‌آیند.

نسخه‌هایی از چگالش بوز–اینشتین ابتدا روی زمین ساخته شدند اما مطالعه آنها بسیار دشوار است زیرا فوق‌العاده شکننده هستند و باید در دمای بسیار سرد نگهداری شوند. «آزمایشگاه اتم سرد»(Cold Atom Lab) ناسا در ایستگاه فضایی بین‌المللی، در سال ۲۰۱۸ به اولین تأسیساتی تبدیل شد که چگالش بوز–اینشتین را در فضا تولید کرد.

۲. رفتار عجیب آتش فضایی

آتش در فضا بسیار متفاوت رفتار می‌کند. زمانی که فضانوردان حاضر در ایستگاه فضایی بین‌المللی، قطرات سوخت را به عنوان بخشی از پروژه «آزمایش خاموش کردن شعله»(FLEX) سوزاندند، «شعله‌های خنک» را کشف کردند که به طور پیوسته می‌سوختند.

هنگامی که دانشمندان در آزمایش خاموش کردن شعله، قطرات سوخت را سوزاندند، یک اتفاق غیرمنتظره رخ داد. به نظر می‌رسید که یک قطره سوخت خاموش می‌شود اما در واقع بدون ایجاد شعله قابل مشاهده به سوختن ادامه می‌دهد.

"در این گزارش به بررسی مهم‌ترین دستاوردهای ایستگاه فضایی بین‌المللی می‌پردازیم که جامعه علمی را تحت تاثیر قرار داده‌اند"آتش دو بار خاموش شد که یک بار با شعله و یک بار بدون شعله قابل مشاهده بود. این اولین باری بود که دانشمندان، قطرات بزرگی از سوخت هپتان را مشاهده کردند که حالت دوگانه احتراق و انقراض داشت. مرحله دوم توسط پدیده‌ای که با نام «انتشار حرارت شیمیایی شعله سرد» شناخته می‌شود، ادامه یافت. وقتی به آتش فکر می‌کنیم، معمولا گرما را در نظر می‌آوریم اما شعله‌های ویژه ایجاد شده در ایستگاه فضایی بین‌المللی، همه چیز را کمی خنک‌تر نگه می‌دارد.

حذف گرانش از مطالعات احتراق، امکان بررسی اصول اولیه شعله‌ها را فراهم می‌کند. روی زمین، شعله‌های سرد در عرض چند ثانیه سوسو می‌زنند اما در فضا می‌توانند برای چند دقیقه به طور هم‌زمان بسوزند.

این ویژگی به دانشمندان امکان می‌دهد تا خواص شعله‌های سرد را بهتر درک کنند.

زمانی که فضانوردان حاضر در ایستگاه فضایی بین‌المللی، قطرات سوخت را به عنوان بخشی از پروژه «آزمایش خاموش کردن شعله»(FLEX) سوزاندند، «شعله‌های خنک» را کشف کردند که به طور پیوسته می‌سوختند.از آنجا که این نوع شعله‌ها به جای دوده و دی‌اکسید کربن، مونوکسید کربن و فرمالدهید تولید می‌کنند، اعتقاد بر این است که مطالعه شعله‌های خنک ممکن است روزی به دانشمندان در تولید وسایل نقلیه با آلودگی کم کمک کند.

۳. نوع جدیدی از سیستم خالص‌سازی آب

دانشمندان در دهه ۱۹۷۰، نوع جدیدی از واحد خالص‌سازی آب را برای برنامه «شاتل فضایی» به نام «سوپاپ بررسی میکروبی»(Microbial Check Valve) ساختند. این سیستم، آب را از یک بستر متشکل از رزین یددار عبور داد تا ناخالصی‌ها را فیلتر کند. ناسا دو دهه بعد به اصلاح این سیستم پرداخت و آن را برای استفاده در ایستگاه فضایی بین‌المللی بازسازی کرد.

ناسا دریافت که می‌تواند مانند بسیاری از فناوری‌های فضایی دیگر، از این سیستم برای انسان‌های روی زمین استفاده کند. به گفته ناسا، یک نسخه‌ از این سیستم اکنون در واحدهای تصفیه آب مستقر در سراسر هند، مکزیک، پاکستان و صدها روستای دورافتاده استفاده می‌شود.

بازیافت کارآمد فاضلاب در ایستگاه فضایی، نیاز به تامین آب را در ماموریت‌ها کاهش می‌دهد.

"به گزارش ایسنا، «ایستگاه فضایی بین‌المللی»(ISS) از زمانی که برای اولین بار در سال ۲۰۰۹ به طور کامل عملیاتی شد، به عنوان یک پلتفرم حیاتی برای همکاری علمی جهانی عمل کرده است"با سفر به اعماق فضا، تامین مجدد آب غیرممکن خواهد بود و این موضوع، سیستم‌هایی مانند سوپاپ بررسی میکروبی را به یک ضرورت تبدیل می‌کند.

یک سیستم کارآمد دیگر برای تصفیه آب، «سیستم بازیابی آب جِم»(JEM Water Recovery System) است که آب آشامیدنی را از ادرار تولید می‌کند. در گذشته، ادرار و فاضلاب در فضاپیمای سرنشین‌دار جمع‌آوری و ذخیره می‌شدند تا تخلیه شوند اما در ماموریت‌های فضایی بلندمدت که تامین آب یک عامل محدودکننده به شمار می‌رود، شاید بتوان از این ذخایر استفاده کرد. سیستم بازیابی آب جِم، فاضلاب ایستگاه فضایی بین‌المللی را تصفیه می‌کند و ۹۳ درصد از آب استفاده‌ شده توسط فضانوردان را نیز دوباره به صورت آب تمیز ارائه می‌دهد.

بازیافت کارآمد فاضلاب در ایستگاه فضایی، نیاز به تامین آب را در ماموریت‌ها کاهش می‌دهد. با سفر به اعماق فضا، تامین مجدد آب غیرممکن خواهد بود و این موضوع، سیستم‌هایی مانند سوپاپ بررسی میکروبی را به یک ضرورت تبدیل می‌کند.علاوه بر این، بسیاری از مردم در سراسر جهان به آب تمیز دسترسی ندارند. مناطق در معرض خطر می‌توانند از فناوری توسعه‌ یافته برای ایستگاه فضایی بین‌المللی استفاده کنند و به سیستم‌های تصفیه پیشرفته دسترسی داشته باشند.

۴.

تاثیر فضا بر سلول‌های بنیادی

ریزگرانش به دلیل ویژگی‌های منحصربه‌فردی که به بافت‌ها و فرآیندهای بیولوژیکی می‌دهد و کمک‌هایی که به تولید انبوه سلول‌ها ارائه می‌کند، مورد توجه دانشمندان سلول‌های بنیادی قرار گرفته است.

آزمایشی که در ایستگاه فضایی بین‌المللی انجام شد، نشان داد که سلول‌های بنیادی قلب انسان در فضای بی وزنی فضا بهتر می‌توانند خود را ترمیم کنند، زنده بمانند و تکثیر شوند. این آزمایش که به عنوان بخشی از پروژه تحقیقاتی «سلول‌های بنیادی قلب»(Cardiac Stem Cells) ناسا انجام شد، نشان داد که ممکن است روزی بتوان داروی ترمیم‌کننده‌ای را ارائه داد که بتواند اندام‌ها و سلول‌های ازکارافتاده بدن انسان را ترمیم و حتی جایگزین کند.

دانشمندان «مرکز پزشکی سیدرز ساینای»(Cedars-Sinai) در سال ۲۰۲۲ یک پروژه را برای تولید سلول‌های بنیادی در ایستگاه فضایی بین‌المللی به منظور پیشبرد نسل بعدی سلول‌درمانی آغاز کردند. این ماموریت که با کمک مالی دو میلیون دلاری ناسا تأمین مالی می‌شود، به پژوهشگران کمک می‌کند تا بفهمند آیا شرایط ریزگرانش در فضا می‌تواند تولید سلول‌های بنیادی را بهبود ببخشد یا خیر. فقدان جاذبه ممکن است تولید گروه بزرگی از سلول‌های بنیادی را آسان‌تر کند.

آزمایشی که در ایستگاه فضایی بین‌المللی انجام شد، نشان داد که سلول‌های بنیادی قلب انسان در فضای بی وزنی فضا بهتر می‌توانند خود را ترمیم کنند، زنده بمانند و تکثیر شوند.دومین مأموریت سرنشین‌دار خصوصی جهان به ایستگاه فضایی بین‌المللی نه تنها اولین زن عربستانی، بلکه اولین آزمایش در نوع خود را نیز را به فضا فرستاد تا مشخص کند که آیا دانشمندان می‌توانند سلول‌های بنیادی پرتوان القایی را در شرایط ریزگرانش تولید کنند یا خیر. این آزمایش، بخشی از مجموعه‌ای است که در نهایت می‌تواند راه‌های جدیدی را برای تولید انبوه سلول‌های بنیادی ارائه دهد.

"فضانوردان ایستگاه فضایی بین‌المللی در دو دهه گذشته، علم را به گونه‌ای دنبال کرده‌اند که در هیچ جای دیگری قابل انجام دادن نیست"هدف نهایی از این آزمایش که با ماموریت «آکسیوم-۲»(Ax-۲) به فضا پرواز کرد، بررسی نحوه تأثیرگذاری ریزگرانش بر سلول‌ها بود.

۵. پرورش بلور پروتئین در فضا

شرایط فضا به دانشمندان امکان می‌دهد تا پروتئین‌های موجود در بدن انسان را متبلور کنند تا آنها را بهتر بفهمند و درمان بیماری‌هایی مانند سرطان را توسعه دهند.

روی زمین، گرانش تأثیر نامطلوبی را بر بلورهای پروتئین می‌گذارد. این بدان معناست که اغلب در طول آزمایش‌ها، مولکول‌های نامرتبی شکل می‌گیرند اما در ایستگاه فضایی بین‌المللی، فضانوردان می‌توانند به تدریج نسخه‌های قوی‌تر و با کیفیت‌تری را از این بلورهای پروتئینی پرورش دهند. کیفیت بالاتر به دانشمندان امکان می‌دهد تا ساختار پروتئین‌هایی را که باعث بیماری‌ها می‌شوند، شناسایی کنند و به توسعه داروها و درمان‌های جدید بپردازند.

آزمایش‌های پرورش بلور پروتئین که در ایستگاه فضایی بین‌المللی انجام شدند، اطلاعاتی را در مورد درمان‌ بیماری‌های متعدد، از سرطان گرفته تا بیماری لثه ارائه داده‌اند. مطالعه پروتئین‌های انسانی با متبلور کردن آنها، به ما کمک می‌کند تا در مورد بدن خود و درمان‌های احتمالی بیماری بیشتر بدانیم.

شرایط فضا به دانشمندان امکان می‌دهد تا پروتئین‌های موجود در بدن انسان را متبلور کنند تا آنها را بهتر بفهمند و درمان بیماری‌هایی مانند سرطان را توسعه دهند.یکی از امیدوارکننده‌ترین نتایج آزمایش‌های انجام‌شده در ایستگاه فضایی بین‌المللی، از مطالعه کردن پروتئین مرتبط با یک اختلال ژنتیکی غیرقابل درمان موسوم به «دیستروفی عضلانی دوشن»(DMD) به دست آمده است.

یکی از درمان‌های پیشنهاد شده برای این بیماری، براساس این پژوهش‌ها پیشنهاد شده و در آزمایش‌های بالینی به کار رفته است.

۶. میکروب‌ها می‌توانند در فضا فلز استخراج کنند

آزمایشی که در ایستگاه فضایی بین‌المللی انجام شد، نشان داد که می‌توان از میکروب‌ها برای استخراج کردن فلزات از رگولیت ماه و مریخ استفاده کرد. این پژوهش موسوم به «بیوراک»(Biorock)، از میکروارگانیسم‌ها برای حذف فلزی به نام وانادیوم از بازالت استفاده کرد که در ماه و مریخ فراوان است.

آزمایشی که در ایستگاه فضایی بین‌المللی انجام شد، نشان داد که می‌توان از میکروب‌ها برای استخراج کردن فلزات از رگولیت ماه و مریخ استفاده کرد.این میکروب‌ها در روند استخراج وانادیوم در فضا، تقریبا ۳۰۰ درصد مؤثرتر از زمین بودند و این موضوع نشان می‌دهد که این فرآیند می‌تواند به کاشفان فضایی آینده کمک کند تا مواد مورد نیاز را برای ساخت تجهیزات، قطعات فضاپیما و زیستگاه‌ها استخراج کنند.

۷. تراشه‌های بافت در فضا

یک تراشه بافت که با نام «اندام روی تراشه» نیز شناخته می‌شود، دستگاه کوچکی است که سلول‌های انسانی تعبیه‌ شده در یک ماتریس سه بعدی را در بر دارد و فعالیت‌های یک اندام واقعی انسان و واکنش‌های فیزیولوژیکی آن را شبیه‌سازی می‌کند.

تراشه‌های بافت در فضا به روشی مشابه با استخراج عمل می‌کنند و موثرتر هستند. از این دستگاه‌ها در ایستگاه فضایی بین‌المللی برای کمک کردن به جامعه علمی در درک بهتر بیماری‌های مرتبط با افزایش سن مانند از دست دادن استخوان و عضله استفاده می‌شود.

از دستگاه‌های «اندام روی تراشه» در ایستگاه فضایی بین‌المللی برای کمک کردن به جامعه علمی در درک بهتر بیماری‌های مرتبط با افزایش سن مانند از دست دادن استخوان و عضله استفاده می‌شود.اثرات ریزگرانش باعث می‌شوند که برخی از این تغییرات با سرعت بیشتری رخ دهند؛ به این معنی که تراشه‌های بافت در فضا می‌توانند نتایج را با سرعت بسیار بیشتری نسبت به زمین ارائه دهند.

۸.

"ایستگاه فضایی بین‌المللی در طول سال‌های فعالیت خود، از اکتشافات متعدد، نوآوری‌های علمی، فرصت‌های منحصربه‌فرد و پیشرفت‌های تاریخ‌ساز پشتیبانی کرده است"چاپ سه‌بعدی در فضا

اولین چاپگر سه‌بعدی در سال ۲۰۱۴ به ایستگاه فضایی بین‌المللی پرتاب شد. این به عنوان یک لحظه مهم در تاریخ اکتشافات فضایی ثبت شد زیرا ماموریت‌های سرنشین‌دار آینده برای ساخت مواد مورد نیاز بقا به چاپ سه‌بعدی نیاز دارند.

اولین چاپگر سه‌بعدی که به فضا رفت، توسط شرکت «مید این اسپیس»(Made in Space) ساخته شد. این چاپگر، چندین قطعه را در ایستگاه فضایی بین‌المللی تولید کرد که برای تجزیه و تحلیل به زمین فرستاده شدند. مطالعات صورت‌ گرفته روی قطعات ساخته‌ شده در فضا نشان داد که ریزگرانش تأثیر نامطلوبی را بر فرآیند چاپ سه‌بعدی ندارد و یک چاپگر سه‌بعدی در فضا نیز به صورت معمول کار می‌کند. آزمایش‌های بعدی از پلاستیک بازیافتی برای چاپ اشیاء استفاده کردند.

آزمایش چاپگرها در ایستگاه فضایی بین‌المللی، راه را برای ماموریت‌های فضایی آینده در مستقل‌تر شدن هموار می‌کند.

اقلام مورد نیاز را می‌توان به جای فرستادن از زمین و حمل کردن در کل سفر فضایی، با چاپگر سه‌بعدی در فضا چاپ کرد. همچنین، در این فرآیند می‌توان از مواد بازیافتی برای چاپ استفاده کرد که در غیر این صورت، فضای ذخیره‌سازی را در ماموریت‌های بلندمدت اشغال می‌کنند.

۹. چاپ سه‌بعدی اندام در شرایط ریزگرانش

یکی دیگر از ابتکارات چاپ سه‌بعدی در ایستگاه فضایی بین‌المللی، چاپگر «بیوفابریکیشن فسیلیتی»(BioFabrication Facility) است که به مدار پایین زمین فرستاده شد تا بافت انسانی را در فضا بسازد. این چاپگر با استفاده از لایه‌های بسیار نازک جوهر زیستی، گام‌های کوچکی را در جهت چاپ سه‌بعدی اندام‌ها و بافت‌های انسان در شرایط ریزگرانش برداشت.

این ابتکار بخشی از یک تلاش جهانی گسترده‌تر برای ساخت اندام‌های انسانی در فضا با استفاده از فرآیندهای چاپ سه‌بعدی بیولوژیکی است. روی زمین، این فرآیند بسیار دشوار است زیرا گرانش باعث می‌شود که اندام‌ها در طول فرآیند تولید فروبریزند.

یکی دیگر از ابتکارات چاپ سه‌بعدی در ایستگاه فضایی بین‌المللی، چاپگر «بیوفابریکیشن فسیلیتی» است که به مدار پایین زمین فرستاده شد تا بافت انسانی را در فضا بسازد.اگر این تلاش‌ها موفقیت‌آمیز پیش بروند، اعضای بدن انسان را می‌توان در فضا پرورش داد و برای پیوند زدن به زمین فرستاد.

۱۰.

"نسخه‌هایی از چگالش بوز–اینشتین ابتدا روی زمین ساخته شدند اما مطالعه آنها بسیار دشوار است زیرا فوق‌العاده شکننده هستند و باید در دمای بسیار سرد نگهداری شوند"لباس فضایی شناور

این ایده ممکن است شبیه به صحنه‌ای از فیلم «جاذبه»(Gravity) به نظر برسد اما مطمئن باشید واقعا هیچ انسانی برای فیلم‌برداری به فضا پرتاب نشده است.

خدمه ایستگاه فضایی بین‌المللی در سال ۲۰۰۶، یک لباس فضایی خالی روسی موسوم به «اورلان»(Orlan) را با نام مستعار «ایوان ایوانوویچ»(Ivan Ivanovic) یا «آقای اسمیت»(Mr. Smith) به عنوان بخشی از یک آزمایش به مدار پایین زمین پرتاب کردند. ایده این بود که ببینند آیا لباس‌های فضایی قدیمی می‌توانند به ماهواره تغییر کاربری دهند.