První díl jsme zakončili ruským skafandrem Orlan-E, určeným pro vycházky po rudé planetě. Dalšími technologickými novinkami se Ruská federace zatím nepochlubila a tak se tentokrát vypravíme do Země vycházejícího Slunce, kde také experimentují na poli nových skafandrů. V druhé, obsáhlejší části článku se zaměříme na Spojené státy americké, jejichž astronauti si zatím jako jediní mohli vyzkoušet chůzi po jiném nebeském tělese. Nejprve se podíváme na experimentální prototyp, sloužící k ověření technologií nutných pro návrat na Měsíc a výpravy k asteroidům. Dále se zaměříme na nový skafandr, který se bude testovat za pár let na ISS a jednou by v něm astronauti mohli chodit po Marsu. Lehce se zmíníme o ochranném skafandru pro kosmické turisty.

Pokud si myslíte, že oblek na úvodním obrázku je jen nefunkčním konceptem nadějného designéra, tak vás závěr článku vyvede z omylu.

Skafandr made in Japan

Japonští vědci pracují od roku 2004 na svém vlastním univerzálním řešení kosmického obleku. Nemusejí začínat na

Japonský přetlakový oděv
zdroj:jaxa.jp

zelené louce. Mnoho jich spolupracovalo se svými kolegy v USA na řešení pro nástupce současných skafandrů EMU. Bylo několik oblastí, kde cítili, že současné koncepty zaostávají. Předně to byla dlouhá doba přípravy na kosmickou vycházku způsobená tím, že díky používanému nižšímu tlaku a čisté kyslíkové atmosféře, je třeba nejprve vypudit dusík z těla, aby se předešlo dekompresní nemoci. Původně trvala příprava až 12 hodin. Díky novým metodám se čas zkrátil o několik hodin. Podle jednoho zdroje stačí v nutných případech jen 5 hodin, což je ale stále hodně. Pokud chceme zachovat aktuálně používaný tlak a složení atmosféry, je možné přímo na tělo astronauta obléci první vrstvu z elastického materiálu, která na tělo potřebný tlak vyvine. Navýhoda se projeví u částí těla jako je podpaží nebo rozkrok, kde oblek nedokáže dostatečně tlačit, což může způsobit problémy.

Jistějším řešením je tedy zvýšit celkový tlak ve skafandru a technologickými vychytávkami eliminovat nevýhody z tohoto řešení vyplývající. Touto cestou se japonci vydali. Zvýšili tlak na  0,58 – 0,65 atm (pro lepší představu bude tlak uváděn v zastaralých jednotkách Atmosféra, 1 atm = 101 325 Pa). Složení pak téměř odpovídá běžnému pozemskému vzduchu a zároveň atmosféře používané v dnešních kosmických lodích a stanicích – 21% kyslíku a 79% dusíku. Takový skafandr se pak dá použít i při nouzových situacích, kdy je třeba neprodleně opustit kosmický příbytek.

Největší nevýhodou je nižší mobilita. I v současných skafandrech je poměrně obtížné se pohybovat. Je nutný dlouhodobý trénink, při němž si osvojíte různé druhy pohybů, jež jsou odlišné od těch běžně používaných. Týká se to například ramenních kloubů, kde si musíte najít individuální způsob ohybu, při kterém vám bude skafandr klást co nejmenší odpor.

Studie japonského skafandru
zdroj:jaxa.jp

Rukavice jsou pak samostatná kapitola. Proto je jim věnována zvláštní pozornost. Aktuálně se na jejich výrobu používá nylon. Pokud se nafoukne, ztvrdne, čož může způsobit při pohybu podráždění pokožky, odřeniny nebo zatrhnutí nehtů. Někteří astronauti z tzv. těžkých misí Apolla při několikadenních výpravách po měsíčním povrchu měli dokonce z rukavic prsty rozedřené do krve. Tyto nevýhody současných skafandrů jsou dokonce používány jako argument proti dlouhodobým výpravám na Měsíc s tím, že by tam astronauti po pár dnech nebyli schopni práce.

Tyto neduhy stávajících skafandrů mohly být způsobeny tím, že při jejich návrzích nebyl brán dostatečný zřetel na názory biologů a dalších medicínských odborníků, kteří by pomohli odladit skafandr tak, aby byl přívětivější lidské fyziologii.

Vyšší tlak musí být u rukavic kompenzován novými pružnými materiály, které pomohou kosmonautovi při ohýbání prstů. Vše se testuje v malé vakuové komoře, kde se zkoumá pohodlí při pohybu a síla, kterou je třeba vyvinout při ohýbání prstů.
Měřena je přístrojem Elektromyogram (obraz elektrické aktivity generované pohybem svalů). Experimenty prokázaly, že nově aplikované elastické materiály vyžadují méně úsilí k pohybu, než současný nepružný nylon. Podobně se dá postupovat i u loktů a kolen, které se stejně jako prsty ohýbají jedním směrem. Na ramena a boky, jež se otáčejí téměř libovolně, japonští vědci zatím podobně úspěšný recept nenašli.

Sama japonská agentura JAXA nevyvíjí nové materiály. Pouze kontaktuje tuzemské výrobce, kteří se vývojem a výrobou těchto materiálů zabývají. Což ovšem nevadí, neboť v Japonsku je špičkových firem v daném oboru dost. To je i případ další sekce vývoje, jež se zabývá chladícím systémem skafandru. Jelikož je skafandr především skvělou tepelnou izolací od okolního nepřátelského prostředí, je třeba lidské tělo neustále chladit, jinak by hrozilo přehřátí a zkolabování astronauta. Mise Gemini měly skafandry chlazené vzduchem. Ventilátor rozháněl vzduch, jenž pak odváděl přebytečné teplo. Na tento systém bylo pracující lidské tělo příliš velkým soustem. Pro „měsíční“ skafandry A7L byl proto vyvinut systém vodního chlazení. Přímo na těle měl kosmonaut přiléhavý oděv s trubičkami, jimiž proudila voda, kterou jednotka PLSS (Portable Life Support System – přenosný systém podpory života) chladila. Tento systém se používá i v dnešních skafandrech a to jak amerických, tak ruských. Lidské tělo bez problémů uchladí na zvolenou teplotu. Co však nedokáže, je odvést lidský pot, takže kosmonaut je při vyčerpávající EVA jako ve vodní lázni.

Japonci proto přišli s hybridním systémem. Ten kombinuje oba způsoby chlazení, jak vodní tak vzduchový. Speciální

Porovnání rozvodů chladící vody. Vlevo Apollo, vpravo japonský oblek
zdroje: nasa.gov, jaxa.jp

nanovlákna navíc dobře odvádí pot od pokožky, který pak postupně odpaří díky proudu vzduchu. Díky nanovláknům se zvyšuje i celková účinnost chlazení, z důvodu lepšího kontaktu pokožky s oděvem. Trubičky pro rozvod vody jsou o 30% menší než u stávajících skafandrů. Průměr trubičky je 3 mm. Tato spodní vrstva oděvu je tak pružnější, zařízení potřebuje méně vody, což šetří energii pro čerpadlo. Dalším vylepšením by mohlo být více paralelních vodních okruhů, což by také zvedlo razantně účinnost.

Japonští vědci se pokoušejí vylepšit i svrchní vrstvu mající za úkol chránit proti mikrometeoroidům a kosmickému smetí. Při simulačních testech zjistili, že současná ochrana skafandru je nedostatečná. Když dali jednotlivé vrstvy skafandru za sebe a pokoušeli se je prostřelit 0,5mm velkým hliníkovým projektilem rychlostí 7 km/s, zastavil se na sedmé vrstvě. Současný EMU má však podobné vrstvy jen dvě. V tomto případě však nemohou oznámit úspěšné vyřešení problému. Vhodný materiál, který by podobné ataky vydržel a přitom by byl v rámci možností pružný, zatím nenašli.

Celý výzkum vede k postavení prototypu, jenž by se mohl v příštích letech otestovat i na ISS. Japonci si dali i hmotnostní omezení. Celá sestava by neměla být těžší než 90 kg. To je nutné pro pobyt v prostředí gravitace, třeba na Měsíci. Skafandr by našel i nekosmické využití. Například by mohl posloužit hasičům při pohybu ve velmi horkých prostorách.

Ptáte se proč vlastně Japonci vyvíjejí skafandr, když nemají vlastní kosmické lodě? Odpovědí jsou nové programy navazující na současnou mezinárodní spolupráci v rámci provozování ISS. JAXA má již delší dobu v hledáčku Měsíc, konkrétně stálou lunární základnu. Poté, co se začnou rozdělovat jednotlivé úkoly mezi partnerské agentury, brzy dojde i na nové měsíční skafandry. Japonci pak mohou říci:“My jsme připraveni.“

USA: Testování skafandrů pro použití za oběžnou dráhu Země

Když na základech měsíčního A7L postavili Američané skafandr EMU, měli na hodně let vystaráno. Skutečně tento koncept vyvinutý pro použití k vycházkám z raketoplánů slouží s drobnými technickými vylepšeními na ISS dodnes. Ovšem už na konci 90.let 20.století NASA cítila, že nazrál čas pro jeho nástupce. Zadala proto veřejnou soutěž, kterou překvapivě vyhrála firma ILC Dover, která má kromě dalších úspěšných kosmických aplikací na svědomí i předešlé obleky A7L a EMU.

skafandr MARK-III
zdroj:nasa.gov

Ta nejprve dodala typ I-suit. Ten sice hodně vychází z předešlého skafandru EMU. Narozdíl od něj se dá použít i pro kosmické vycházky po pevných tělesech s gravitací. Toho je docíleno nižší hmotností a větší mobilitou. Ocelové části byly nahrazeny titanem a hliníkové uhlíkovými kompozity. Horní část netvoří pevná krusta, ale několik vrstev měkkých materiálů. Na povrchu je nová tkanina tvořená pevnými a přitom pružnými vlákny Vectranu. Díky tomu je skafandr odolnější vůči vysokým teplotám a ultrafialovému záření. Z Vectranu byly například airbagy sond přistávajících na Marsu. Používají ho i nafukovací moduly Bigelow Aerospace na oběžné dráze.  Celý oblek je oproti EMU o 25 kg lehčí. 1.verze se oblékala podobně jako stávající skafandr, to znamená nejprve dolní část a poté nasadit horní. 2. verze je upravena pro nastupování zezadu, jaké léta používají ruské Orlany.

Výrazně robustněji působí skafandr Mark-III, který byl od počátku uzpůsoben pro nastupování zezadu. Robustní konstrukce je nutná z důvodu většího pracovního tlaku uvnitř. Použitých 0,57 atm dovoluje použít skafandr ihned bez nepříjemné a zdlouhavé přípravné fáze, kterou trpí současné EMU tlakované pouze na 0,3 atm. Tvoří jej horní krusta připojená přes ložisko v oblasti trupu na dolní pohyblivou část. Ta by měla umožnit ohnout nohu až do pokleku, čímž by astronaut mohl sbírat vzorky přímo rukavicí a nemusel by mít speciální kleště připojené k tyči. Pohodlný pohyb je zajištěn užitím ložisek a kloubů na všech potřebných místech.

Přes svoji robustnost a vyšší hmotnost vykazuje podle vědců, kteří jej testovali, velmi slušnou pohyblivost. Kromě

MARK-III na vozidle SEV
zdroj:upload.wikimedia.org

zkoušek v beztížném stavu, realizovaném pomocí letounu s parabolickou dráhou letu známého jako „blijící kometa“ se každoročně provádí cvičení v Arizonské poušti – Desert Rats.

Schéma nastupování do skafandru
zdroj:upload.wikimedia.org

Při něm se testují komplexní zařízení, jež mají být součástí budoucích měsíčních a marsovských základen. Kromě skafandru Mark-III prokázal své schopnosti i I-suit popisovaný výše. Dále se zkouší různé konstrukce habitatů, zásobovacích modulů, roverů a hermetizovaných vozidel SEV (Space Exploration Vehicle). Ty mají k novým skafandrům velmi blízko. Astronauti se SEVy mohou vyrážet na delší vzdálenosti od základny, přičemž skafandry mají připevněny zvnějšku přes tzv.suitport. Přímo do skafandru se pak vstupuje v místě připojení jednotky PLSS (viz. obrázek). To umožňuje velmi rychlé provedení EVA, přičemž skafandry nezabírají cenný prostor uvnitř. Doufejme, že lze použít i klasická cesta vstupním průlezem v případě, že dojde k poškození dokovacího portu nebo skafandru.

Modifikovaná verze SEVu by (samozřejmě bez kol) mohla sloužit i pro výpravy k asteroidům.

První nesmělé návrhy a první praktické zkoušky nastupování do kosmických obleků z vozidla SEV vypadaly spíše jako hra s kartonovými krabicemi. Pro odladění správných postupů a eliminování nefunkčních řešení je to ovšem nezbytné a při skutečné realizaci to ušetří spoustu problémů a tím pádem i financí.

Testování na kartonových maketách
zdroj:ansoncheungdesign.com

Přestože je skafandr Mark-III v pokročilém stádiu vývoje, ostrého nasazení se zřejmě nedočká a bude dál sloužit pro pozemní testování. NASA se nyní přiklání spíše k verzím s měkkou horní částí.

USA: Nový kosmický oblek jako z Příběhu hraček

Ve skafandru Z-1 se půjde lépe ohnout
zdroj:upload.wikimedia

Posledními výrobky z dílny ILC Dover jsou skafandry série Z. První, s označením Z-1 by měl být jen testovacím prototypem. Na ISS se má podívat až jeho nástupce Z-2 ne dříve než v roce 2017.

Z-série patří do skupiny měkkých skafandrů, takže umožňuje lepší ohýbání celého těla včetně horní části i když dost omezeně. Přesto je ho možné natlakovat na 0,58 atm, čili skoro jednou tolik, co současné EMU, takže i u něj odpadne zdlouhavá přípravná fáze. Stále se však používá kyslíková atmosféra.

O tom, jak dalece je Z-1 ohebný, nejlépe vypoví následující video. V prostředí vakua bude reálná pohyblivost o něco snížená.

Rovněž stejně jako Mark-III je Z-1 navržen pro možnost nastupování skrz suitport. K dispozici by nakonec měly být  obě varianty: suitport nebo klasické nastupování odklopenou zadní částí.Hmotnost nového skafandru bude přibližně stejná nebo o málo vyšší než současného EMU. Proto se s ním počítá pro volný kosmický prostor (i asteroid) nebo Měsíc a další tělesa s podobnou nebo nižší gravitací.

Jednotka NGLS. Vlevo návrh, vpravo skutečný prototyp. RCA označeno červenou šipkou
zdroj:ntrs.nasa.gov

Zajímavá je jednotka podpory života PLSS, v tomto případě NGLS (podpora života nové generace). Ta má dvě zásadní vylepšení. Jednak zařízení pro odebírání oxidu uhličitého a vodní páry (RCA – Rapid Cycle Amine) a pak zařízení pro variabilní regulaci kyslíku (VOR – Variable Oxygen Regulator).

Pokud jste dosud chtěli z dýchatelné atmosféry dostat pryč CO_2, měli jste dvě možnosti, buď jednorázově použitelný hydroxid lithný (viz problémy na Apollu 13) nebo Metox, který se několik hodin regeneruje. RCA používá absorbční látku obsahující organické sloučeniny aminy, jímající nejen oxid uhličitý, ale i vodní páru. Pro následnou regeneraci jednotky je třeba vystavit ji vakuu. Aby RCA  fungovala nepřetržitě, skládá se ze dvou jednotek. Jedna absorbuje a druhá se regeneruje.

Druhé zařízení VOR nabízí astronautům jednu zásadní výhodu. Mohou do skafandru nastoupit bez přípravné fáze za maximálního provozního tlaku. Během přesunu na pracovní místo vně lodi nebo stanice se postupně tlak snižuje, aby šlo lépe pohybovat prsty a dalšími údy. Při návratu se použije obrácený postup. Celou touto procedurou se tak ušetří spoustu pracovního času astronautů.

Suborbitální skafandr je také třeba

Suborbitální záchranný skafandr
zdroj:spxdaily.com

Jen stručně k obleku, který připravují pro kosmické turisty a další „suborbitální“ kosmonauty dva vědci Dr. S. Alan Stern a Dr. Dan Durda. Má název CHAPS (Contingency Hypobaric Astronaut Protective Suit – ochranný astronautický oblek pro nenadálý pokles tlaku). Měl by se skládat z vnějšího pláště a několika vnitřních vrstev z trilaminátu. Tento materiál se používá zejména pro vojenské účely, ale pronikl i do civilního sektoru hlavně do lepšího vybavení pro outdoor. Má výhodu, že je odolný a přitom příjemný na nošení. V konstrukci skafandru jsou i další pokročilé materiály. Také bylo nutné zaimplementovat nové technologie, aby byl oblek plně funkční a přitom lehký a pohodlný.

Před dvěma lety byl testován ve středisku NASTAR (National AeroSpace Training and Research Center) v Philadelphii. Testy skafandru se týkaly přetížení. Konkrétně byl skafandr zkoušen v novém typu odstředivky, která maximálně napodobuje reálné přetížení při balistickém letu. To dosáhlo v testu až 6G.
Tento nový kosmický oblek by měl být určen pro využití jak ve vojenském, tak v komerčním sektoru provozování suborbitálních letů.

MIT přináší bio-oblek

Biosuit v celé své kráse
zdroj:nasa.gov

Massachusetts Institute of Technology (MIT) je pověstný svou vynalézavostí a kreativitou. Často se dokáže blýsknout nějakou úžasnou technologií. Většinou se nejedná jen o nějaké designové studie, ale právě o celkově nebo alespoň částečně funkční prototypy.

Jedním z výkřiků poslední kosmické módy je koncept BioSuit. Na první pohled se zdá, že by se mohlo jednat o potápěčský skafandr. Když se dozvíte, že jeho využití spadá do kolonky kosmický oděv, říkáte si, že konečně někdo udělal pohodlný záchranný skafandr, takový modernější skafandr ACES známý z raketoplánů. Ale chyba lávky. Tento oblek je určen pro vycházky na Marsu.

Tým, který vede profesorka leteckých a kosmických inženýrských systémů Dava J. Newman  se podíval na ochranu před nepřátelským prostředím a hlavně podtlakem z jiného úhlu. Jak zajistím, aby na tělo působil dostatečný tlak, který potřebuje pro svou správnou funkci? Buď mohu mít na sobě neforemný skafandr, který spoutá vzduch pod dostatečným tlakem uvnitř, takže moje svaly budou muset tento tlak překonávat. Nebo mohu na tělo působit mechanicky, čímž žádaný tlak vyvolám.

Tuto druhou cestu si právě Dava se svým týmem zvolila. Myšlenka to není úplně nová. Dokonce se dočkala omezené realizace v 70.letech minulého století, když ji 10 let předtím formuloval Dr. Paul Webb. Z jeho myšlenky povstaly aplikace, které dnes pomáhají stíhacím pilotům ve zdraví přežít vysoká přetížení. Ovšem použitelný kosmický skafandr se ke slovu dostává až nyní, když jsou k dispozici pokročilé materiály.

Jak už jsme se okrajově zmínili v kapitole o japonských skafandrech, tlakový oděv přilnutý ke kůži umožňuje tělu lepší pohyb. Bohužel na některé části těla se obtížně působí, neboť jsou  „vybouleny“ opačným směrem. Proto při návrhu podobného oděvu musíte rozpitvat každé místo, každý záhyb na těle, ke kterému musí oděv dobře přilnout a to hlavně, když je tělo v pohybu.

Dava tvrdí, že to je technicky proveditelné, dokonce oblek směle nazývá druhou kůží. A hned kontruje dalšími výhodami těchto obleků oproti klasickým skafandrům. Pokud dojde k  poškození klasického skafandru majícího za následek ztrátu tlaku, je kosmonaut vystaven smrtelnému nebezpečí a musí neprodleně ukončit vycházku. Jeho jediným cílem je tuto situaci přežít. Naproti tomu BioSuit je při podobném poškození možné zacelit speciální páskou a pokračovat s práci.

Nejlépe výhody BioSuitu ukazuje následující video:

Když se podíváme na historii obleku blíže. Počátky jeho vývoje sahají do konce 90.let minulého století, kdy se konečně

Studentka MIT Kristen Bethke pracuje na kloubu kolena BioSuitu
zdroj:nasa.gov

objevily dostatečně elastické moderní materiály jako Spandex a další syntetická vlákna s výjimečnou pružností. Paul Webb, který na vývoji BioSuitu spolupracuje dodnes, dal tehdy dohromady tým a započal s prací na prvních návrzích. Dnes je součástí týmu kromě studentů MITu také Jeff Hoffman, pětinásobný astronaut, který se účastnil i servisní mise k Hubbleovu kosmickému teleskopu nebo fyzik Dr. Arthur Iberall pracující na návrzích mobilních skafandrů. Dále pak povolal designové odborníky ze studia Trotti & Associates a inženýry z italské firmy Dainese, která se zabývá ochranými obleky a uhlíkovými kompozity pro motorkáře.

Před samotnou realizací bylo potřebné vytvořit složité trojrozměrné modely tělesných partií. Zmapovat pořádně linie kožního napětí. Pak se teprve přistoupilo k samotné realizaci.

Z obleku, který je předváděn jsou plně funkční pouze partie dolních končetin, které již byly úspěšně testovány ve vakuové komoře. Některé zbylé části těla zatím nejsou optimálně pokryty, což brání komplexní zkoušce. Problémem zůstává i umístění jednotky podpory života, jež v prostředí gravitace má tendenci narušovat rovnováhu.

BioSuit má být schopný působit podobným tlakem jako současný skafandr EMU (0,3 atm) . Celý prototyp má být hotový do tří let. I když studie prokazují životaschopnost celého konceptu, tým nevylučuje, že může narazit na nepřekonatelné překážky, které nedovolí realizovat oděv v této téměř ideální formě. I tak se může oblek stát součástí hybridních skafandrů, kde výrazně pomůže pohybu rukou, nohou a hlavně samotných prstů.

Zdroje informací:
http://www.jaxa.jp/article/special/eva/index_e.html
http://en.wikipedia.org/wiki/I-Suit
http://www.nasa.gov/externalflash/nasa_spacesuit/
http://en.wikipedia.org/wiki/Mark_III_%28space_suit%29
http://forum.kosmonautix.cz/viewtopic.php?f=31&t=125
http://forum.kosmonautix.cz/viewtopic.php?f=63&t=358&p=3088#p3088
http://forum.kosmonautix.cz/viewtopic.php?f=31&t=803#p14107
http://en.wikipedia.org/wiki/Z-1_Suit
http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20120011664_2012011337.pdf
http://forum.kosmonautix.cz/viewtopic.php?f=23&t=326&p=20448#p20448
http://www.nasa.gov/offices/oce/appel/ask/issues/45/45s_building_future_spacesuit.html 
http://forum.kosmonautix.cz/viewtopic.php?f=31&t=366&p=4176#p4176

Zdroje obrázků:
http://www.nasa.gov/images/content/617058main_45s_building_future_spacesuit3_full.jpg
http://ids.si.edu/ids/deliveryService?max_w=540&id=http://airandspace.si.edu/webimages/collections/full/A19730120000d.jpg
http://www.jaxa.jp/article/special/eva/img/aoki_img02.jpg
http://www.jaxa.jp/article/special/eva/img/wada_img03.jpg
http://www.jaxa.jp/article/special/eva/img/aoki_img05.jpg
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/5/52/Disconnecting_from_suit_port_during_field_tests.jpg/640px-Disconnecting_from_suit_port_during_field_tests.jpg
http://www.nasa.gov/externalflash/spacesuit_gallery/hi-resjpgs/15.jpg
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/c4/Suitport_on_small_pressurized_rover.png
http://www.ansoncheungdesign.com/projects/nasa14.jpg
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/7/70/Z-1_Spacesuit_Prototype_-_kneeling_Nov_2012.jpg/384px-Z-1_Spacesuit_Prototype_-_kneeling_Nov_2012.jpg
http://www.spxdaily.com/images-bg/alan-stern-contingency-hypobaric-astronaut-protective-suit-chaps-bg.jpg
http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20130013106_2013012877.pdf
http://www.nasa.gov/images/content/617050main_45s_building_future_spacesuit1_full.jpg
http://www.nasa.gov/images/content/617055main_45s_building_future_spacesuit2_full.jpg