De sensatie van gewichtloosheid, of nul zwaartekracht, doet zich voor wanneer de effecten van de zwaartekracht niet worden gevoeld. Technisch gesproken bestaat de zwaartekracht overal in het heelal, omdat zij wordt gedefinieerd als de kracht die twee lichamen naar elkaar toe trekt. Maar astronauten in de ruimte voelen de effecten ervan gewoonlijk niet.
Het Internationale Ruimtestation, bijvoorbeeld, bevindt zich in een eeuwigdurende vrije val boven de Aarde. Zijn voorwaartse beweging, echter, is bijna gelijk aan de snelheid van zijn “val” naar de planeet. Dit betekent dat de astronauten binnen niet in een bepaalde richting worden getrokken. Dus zweven ze.
Het niet hoeven dragen van gewicht op je voeten klinkt ontspannend, maar op de lange termijn zijn er veel gezondheidsproblemen aan verbonden. Botten en spieren verzwakken, en er vinden ook andere veranderingen plaats in het lichaam. Een van de functies van het ISS is te bestuderen hoe de gezondheid van astronauten wordt beïnvloed door lange perioden in gewichtloosheid.
Vervaren van gewichtloosheid
Je hoeft de aarde niet te verlaten om (even) aan de banden van de zwaartekracht te ontsnappen. Iedereen die de top van de heuvel heeft beklommen in een snelle achtbaan, of die in een klein vliegtuigje heeft gezeten dat plotseling door de wind naar beneden werd geduwd, heeft kortstondig gewichtloosheid ervaren.
Meer aanhoudende perioden zijn mogelijk in vliegtuigen die een parabool vliegen. NASA’s reduced gravity flight programma, bijvoorbeeld, vliegt vliegtuigen in een reeks van ongeveer 30 tot 40 parabolen voor onderzoekers om aan boord experimenten uit te voeren. Bij elke klim wordt gedurende 30 seconden een kracht opgewekt die ongeveer twee keer zo groot is als de zwaartekracht. Wanneer het vliegtuig, ook wel de “Kots Komeet” genoemd omdat het sommige passagiers misselijk maakt, de top van de parabool bereikt en daalt, voelen de passagiers microzwaartekracht gedurende ongeveer 25 seconden. (Als u dit zelf wilt ervaren, bieden bedrijven zoals Zero G Corp. gewichtloze joyrides in vliegtuigen, tegen een prijs natuurlijk.)
De filmcrew en acteurs van de film “Apollo 13” brachten uren door aan boord van een vliegtuig dat keer op keer paraboolvluchten maakte. Hierdoor konden de acteurs tijdens hun verblijf in het filmruimteschip echt “zweven” in plaats van afhankelijk te zijn van onhandige draden.
Astronauten ervaren gewichtloosheid echter gedurende veel langere perioden. De langst volgehouden tijd in de ruimte vond plaats in 1994-95, toen Valeri Polyakov bijna 438 dagen in de ruimte doorbracht.
Zelfs een paar dagen in de ruimte kan tijdelijke gezondheidsproblemen opleveren, zoals Heidemarie Stefanyshyn-Piper ontdekte na twee weken in de ruimte te zijn geweest tijdens STS-115 in 2006. Tijdens een persconferentie na de landing zakte Piper in elkaar, omdat ze nog niet helemaal aan de zwaartekracht was gewend.
Tijdelijke gezondheidseffecten
Lichtloosheid zorgt ervoor dat verschillende belangrijke systemen van het lichaam zich ontspannen, omdat het niet langer vecht tegen de aantrekkingskracht van de zwaartekracht. Het gevoel van astronauten voor boven en beneden raakt in de war, aldus NASA, omdat het vestibulaire systeem niet meer kan achterhalen waar de grond en het plafond zijn. Ruimtevaartuigontwerpers houden hier rekening mee; het ISS, bijvoorbeeld, heeft al zijn geschriften op de muren in dezelfde richting wijzen.
Bemanningsleden ervaren ook een verstoring in hun proprioceptieve systeem, dat vertelt waar armen, benen en andere delen van het lichaam ten opzichte van elkaar zijn georiënteerd. “De eerste nacht in de ruimte, toen ik in slaap viel,” zei een Apollo-astronaut in een NASA interview, “realiseerde ik me plotseling dat ik mijn armen en benen uit het oog verloren was. Voor zover mijn geest kon vertellen, waren mijn ledematen er niet.”
Deze desoriëntatie kan astronauten misselijk maken voor een paar dagen. Een beroemd voorbeeld vond plaats tijdens de Apollo 9 in 1969. Rusty Schweickart moest een geplande ruimtewandeling wijzigen omdat hij zich ziek voelde. De zorg was dat als hij braakte terwijl hij in zijn ruimtepak zat, de vloeistof zich via zijn helm zou kunnen verspreiden (waardoor het moeilijk zou worden om te zien) of de ademhalingsapparatuur zou verstoren, waardoor hij mogelijk zou stikken.
Ruimtevaartuigen moeten ook worden ontworpen om rekening te houden met microzwaartekracht. Zo hebben astronauten tijdens ruimtewandelingen extra hand- en voetgrepen nodig aan de buitenkant van hun ruimteschip, zodat ze zich kunnen verankeren en niet wegdrijven. (Astronauten maken zich ook aan hen vast in tethers voor het geval ze hun houvast verliezen.)
Gezondheidseffecten op lange termijn
Astronauten die weken tot maanden in de ruimte zijn, kunnen in de problemen komen. Calcium in de botten wordt uitgescheiden via de urine. Als de botten verzwakken, kunnen astronauten ze eerder breken als ze uitglijden en vallen, net als mensen met osteoporose. Spieren verliezen ook massa.
Maar de tijd in het internationale ruimtestation heeft NASA geholpen studies uit te voeren over hoe de gezondheid van astronauten wordt beïnvloed door de tijd in gewichtloosheid. Het agentschap heeft al veranderingen doorgevoerd. Het heeft bijvoorbeeld de interim Resistive Exercise Device (iRED) vervangen door de Advanced Resistive Exercise Device in 2008, waardoor astronauten gewicht kunnen heffen zonder “maximaliseren” hun top gewicht. ARED wordt in verband gebracht met betere resultaten op het gebied van botdichtheid en spierkracht, hoewel alle conclusies in de ruimte moeilijk te trekken zijn (in het algemeen) omdat de astronautenpopulatie al fit en extreem klein is.
Astronauten hebben in de ruimte meestal een toegewezen trainingsperiode van twee uur per dag om deze effecten tegen te gaan; deze tijd omvat niet alleen cardiovasculaire oefeningen en gewichtheffen, maar ook tijd om zich om te kleden en apparatuur op te zetten of af te breken. Ondanks de oefeningen zijn er nog maanden van revalidatie nodig om zich op aarde aan te passen na een typische ruimtemissie van zes maanden. Meer recent hebben artsen ontdekt dat de oogdruk in een baan om de aarde verandert. De NASA heeft veranderingen in het gezichtsvermogen vastgesteld bij astronauten die in het ruimtestation waren, maar niets dat zo ernstig was dat het aanleiding gaf tot bezorgdheid. De oorzaak wordt nog onderzocht, hoewel een mogelijke boosdoener ruggenmergvloeistof is die constant blijft in microzwaartekracht in plaats van de normale verschuiving die op aarde plaatsvindt als je gaat liggen of opstaat. Naast ruggenmergvloeistof werden in een studie uit 2017 veranderingen bijgehouden bij zowel astronauten met een korte vlucht als astronauten met een lange vlucht. Sommige studies wijzen er ook op dat astronauten een licht verhoogd niveau van kooldioxide ervaren op het station vanwege het filtratiesysteem; dat gas kan ook bijdragen aan oogproblemen.
Voormalig NASA-astronaut Scott Kelly nam in 2015-16 deel aan een zeldzame, eenjarige missie naar het internationale ruimtestation. Zijn tweelingbroer en voormalig NASA-astronaut Mark (die vóór Scott met pensioen ging) stemde ermee in om, samen met Scott, deel te nemen aan verschillende “tweelingexperimenten” om de gezondheid van Scott in de ruimte te vergelijken met die van Mark op de grond.
Voorlopige resultaten van één studie die in oktober 2017 werden vrijgegeven, toonden aan dat verschillende genen aan of uit gaan in de ruimte. Andere studies die eerder dat jaar werden besproken, onthulden ook subtiele veranderingen. Zo werden telomeren (die de achteruitgang van chromosomen vertragen) bij Scott tijdelijk langer in de ruimte. Scott had ook een lichte verslechtering in cognitief vermogen (denksnelheid en nauwkeurigheid) en botvorming, hoewel niet genoeg om zorgwekkend te zijn.
Wetenschappers die werken met microzwaartekracht gezondheidsexperimenten merken op dat vaak de veranderingen die in een baan om de aarde worden gezien, nabootsen wat er gebeurt als mensen van nature ouder worden, hoewel vaak de processen anders zijn. Een groep Canadese onderzoekers – van wie sommigen expertise hebben in de ruimtegeneeskunde – hebben toegang tot een langdurige gezondheidsfaciliteit voor senioren aan de Universiteit van Waterloo. Daar kunnen onderzoekers senioren in hun woningen meten in plaats van ze naar een laboratorium te brengen, waar de omstandigheden kunstmatig zijn en bepaalde gezondheidstoestanden kunnen maskeren of overdrijven.