Offerta di lavoro shock: Stare a letto 2 mesi e guadagnare 16mila euro

In Francia, l’Istituto di Fisiologia e Medicina spaziale di Tolosa è disposto a pagare dei volontari sborsando circa 17.000 dollari per studiarli, facendoli dormire per 60 giorni di fila. I ricercatori selezioneranno uomini con un’età compresa tra i 24 e i 45 anni, che siano in forma, senza particolari allergie e non fumatori.

“L’obiettivo è quello di studiare gli effetti della microgravità, la condizione di assenza di peso tipica delle Stazioni Spaziali Internazionali (Iss)” – ha spiegato il professor Arnaud Beck, a capo dell’esperimento.

Ai 24 candidati che verranno selezionati, verrà per tanto chiesto di mantenere per tutta la durata dell’esperimento almeno una spalla adagiata a letto, a prescindere dall’effettiva attività svolta, di modo da chiarire nel dettaglio come reagisce il corpo umano ad una condizione innaturale, comprensiva della totale impossibilità di alzarsi e di disporre simultaneamente delle piene facoltà associate all’uso degli arti superiori e inferiori.

La paga fa sembrare l’annuncio ancor più allettante: 16mila euro per ogni volontario. Gli effetti negativi del “riposo forzato” potrebbero essere moltissimi, dal calo di pressione ai problemi cardiovascolari, fino all’indebolimento delle gambe.La seconda fase dello studio (la prima da gennaio ad aprile, sta per chiudersi) si svolgerà da settembre a dicembre 2017.

Siete proprio convinti? E allora leggete la testimonianza di ex volontario per la Nasa su cosa può succedere dopo due mesi filati senza alzarvi mai dal letto: “Non appena il letto è stato messo in posizione verticale, mi sono sentito le gambe pesanti come non mai”. Il cuore ha raggiunto i 150 battiti al minuto. Il sangue è scivolato nelle gambe, allargando le vene che nei mesi precedenti passati a letto erano diventate sempre più elastiche. Ho iniziato a sentire prurito alla pelle, ero tutto sudato.

Non sarà semplicissimo rimanere due mesi sdraiati in un letto. All’ottavo minuto, il mio battito cardiaco si era abbassato a 70 BPM: il mio corpo stava collassando.

A spiegarci per bene i rischi di questo test Andrew Iwanicki, lui è già stato volontario per la NASA effettuando lo stesso test per tre mesi venne pagato $ 18.000:

“Non appena il letto è stato portato in posizione verticale ho iniziato a sentire le mie gambe pesanti come non mai. Il mio cuore ha iniziato a battere a 150 battiti al minuto. Ho iniziato a sentire prurito alla pelle, ero tutto sudato. Il sangue è scivolato nelle gambe, allargando le vene che nei mesi precedenti passati a letto erano diventate sempre più elastiche. Mi sentivo come se dovessi svenire. Ho lottato per rimanre in piedi dall’inizio e diventava sempre più difficile. Dopo circa 8 minuti il mio battito è crollato da 150 a 70 battiti al minuto. Il mio corpo stava per collassare. Mentre la vista si stava facendo nera lo staff medico ha visto i miei valori crollare e mi ha riportato rapidamente in posizione orizzontale. Solamente dopo averlo fatto mi hanno spiegato che nessuno dei soggetti che hanno partecipato all’esperimento aveva mai resistito in piedi per tutti i 15 minuti previsti”.

Ricerca in microgravità: dallo spazio nuove conoscenze per la scienza dei materiali.

Nell’autunno 1998, a bordo dello Space Shuttle STS-95 si è concretizzato un primo importante passo del progetto fast (Facility for Adsorption and Surface Tension studies): un programma di ricerca, coordinato dall’iCFAM- cnr, finalizzato allo studio dei processi dinamici di adsorbimento di tensioattivi su superfici liquide in condizioni di assenza di peso (microgravità). La microgravità permette infatti il controllo delle condizioni sperimentali in modo molto più accurato di quanto ottenibile su Terra. È prevista inoltre una ulteriore campagna di esperimenti durante la missione STS-107 nel Luglio 2001 e la preparazione di esperimenti per la Stazione Spaziale Internazionale.
Le ricadute applicative di tali studi sono notevoli in ambito tecnologico, medico-farmaceutico e biotecnologico. Molecole tensioattive sono infatti usate in una vastissima gamma di tecnologie e prodotti per regolare le proprietà delle interfacce liquide.

Il progetto fast si propone l’indagine su una serie di aspetti della chimica fisica delle super- fici liquide connessi con i problemi della dinamica di adsorbimento di tensioattivi. Questi processi dinamici sono dovuti a diversi meccanismi chimico-fisici quali, per esempio, lo scambio di molecole di tensioattivo tra la fase superficiale e lo strato adiacente alla superficie e la riorganizzazione all’interno dello strato adsorbito. Hanno inoltre un ruolo fondamentale i processi di trasporto nella fase di volume che tendono a ristabilire l’uniformità della concentrazione.

I modelli teorici disponibili consentono la descrizione quantitativa di questi fenomeni solo quando il trasporto nel volume sia dovuto alla sola diffusione. Pertanto, a causa della forte attenuazione dei processi di convezione, i risultati ottenuti in microgravità possono essere utilizzati per la verifica di tali modelli e per mettere in evidenza i meccanismi propri dello strato interfacciale misurandone le quantità chimico-fisiche che lo caratterizzano.

II progetto, che è stato proposto dall’iCFAM nel 1992 nell’ambito di un programma dell’Agenzia Spaziale Europea (esa), è basato sulla costruzione di un tensiometro innovativo per il monitoraggio della tensione superficiale in risposta a variazioni dell’area superficiale. Il progetto ha ricevuto una valutazione di eccellenza da parte di esa che ha quindi finanziato lo sviluppo ed il volo dell’apparecchiatura sperimentale, commissionandola alle Officine Galileo di Firenze. Lo sviluppo scientifico e la sperimentazione di laboratorio sono stati svolti con il supporto finanziario dell’Agenzia Spaziale Italiana.

A sostegno dello sviluppo scientifico e tecnico del progetto è inoltre ufficialmente preposta una rete di laboratori Europei (ESA-Topical Team). L’apparecchiatura ha volato per la prima volta durante la missione dello Space Shuttle STS-95, nel corso della quale sono stati effettuati circa 200 esperimenti in tre programmi sperimentali: due italiani ed uno tedesco.
I risultati hanno dimostrato la validità dell’approccio sperimentale adottato. In particolare, è stata verificata l’efficacia dell’assenza di peso nell’estendere l’intervallo di applicabilità delle tecniche sperimentali, consentendo la misura di alcune proprietà fisiche in condizioni non accessibili su terra.

Nell’ambito di un nuovo progetto, fases (Fundamental and Applied Studies on Emul- sion Stability), recentemente selezionato dall’Agenzia Spaziale Europea, tali studi verranno applicati ai problemi di stabilità delle emulsioni. fases ha un accentuato carattere applicativo nell’ambito delle problematiche tipiche dell’industria petrolifera. A tale progetto, coordinato ancora dall’iCFAM, sono associati alcuni laboratori europei (Max Planck Institut di Berlino, Università di Marsiglia, Université de Tecnologie di Compiègne e Università di Firenze) con l’attiva partecipazione di eni Tecnologie quale parte industriale. A questo scopo, è previsto lo sviluppo di una versione dell’apparecchiatura fast per la Stazione Spaziale Internazionale, che verrà affiancata da due celle sperimentali per lo studio della evoluzione di emulsioni in sistemi modello e di interesse petrolifero (greggi e miscele di idrocarburi).

Come viene avvertita la gravità

Sebbene i fattori che influiscono sulla salute umana durante il volo spaziale siano molti, l’assenza di gravità è quello predominante. I suoi effetti diretti e indiretti danno origine a una cascata di risposte intercorrelate che partono da tre diversi tipi di tessuto: recettori di gravità, fluidi e strutture che sostengono il peso. Il risultato finale è una reazione dell’intero organismo, dalle ossa al cervello.

Quando gli astronauti si aggrappano alla parete del loro veicolo per spostarsi avanti o indietro, hanno l’impressione di rimanere fermi mentre la navicella si muove. Il motivo di ciò è che dipendiamo dalla gravità per interpretare le informazioni percettive. La natura pervasiva e continua della gravità fa sì che ce ne accorgiamo solo di tanto in tanto, per esempio quando soffriamo di vene varicose o di occasionali capogiri; ma il nostro corpo non se ne dimentica mai. Consciamente o no, abbiamo evoluto un numero enorme di reazioni automatiche per fronteggiare lo stress costante di vivere in un mondo in cui l’attrazione è diretta verso il basso. Solo quando la forza di gravità che agisce effettivamente sull’organismo aumenta o diminuisce riusciamo a percepirla consciamente; altrimenti la nostra percezione è indiretta.

I sensi ci forniscono informazioni precise sulla localizzazione del nostro baricentro e sulla posizione relativa delle membra. Questa capacità integra segnali provenienti dagli occhi e dalle orecchie con altre informazioni che giungono dagli organi vestibolari dell’orecchio interno, dai muscoli e dalle articolazioni e dal senso del tatto. Molti di questi segnali dipendono dall’intensità e dalla direzione della forza gravitazionale terrestre.

L’apparato vestibolare dell’orecchio interno ha due componenti distinte: i canali semicircolari (tre cavità perpendicolari tra loro ripiene di fluido, che contengono cellule ciliate connesse con le fibre nervose), i quali sono sensibili all’accelerazione angolare del capo; e gli otoliti (due sacche contenenti cristalli di carbonato di calcio immersi in un gel), che rispondono all’accelerazione lineare. Dato che è il movimento dei cristalli negli otoliti a generare il segnale di accelerazione che va al cervello, e dato che le leggi fisiche correlano questa accelerazione a una forza netta, la gravità è sempre implicita nel segnale.

Per questo motivo gli otoliti sono stati denominati recettori di gravità. Tuttavia non sono gli unici: recettori meccanici situati nei muscoli, nei tendini e nelle articolazioni – oltre che recettori di pressione nella cute, soprattutto nella pianta dei piedi – rispondono al peso degli arti e di altre parti del corpo.

Eliminare la gravità trasforma questi segnali. Gli otoliti non percepiscono più una preferenza verso il basso nei movimenti del capo. Gli arti non hanno più peso, e perciò i muscoli non sono costretti a contrarsi e rilassarsi nel modo usuale per mantenere la postura e produrre i movimenti. I recettori del tatto e della pressione situati nei piedi e nelle caviglie non indicano più la direzione verso il basso. Queste e altre alterazioni contribuiscono alle illusioni dell’orientamento visivo e alla sensazione che il corpo o il veicolo spaziale si riorientino spontaneamente.

Nel 1961 il cosmonauta German Titov riferì la vivida sensazione di trovarsi a testa in giù all’inizio di un volo spaziale durato solo un giorno. Nel 1997 uno degli astronauti dello shuttle, Byron K. Lichtenberg, commentando le sue prime esperienze di volo disse: «Quando i motori principali si sono spenti, ho avuto immediatamente l’impressione di ruotare di 180 gradi». Queste illusioni possono ripresentarsi anche dopo che si è trascorso qualche tempo nello spazio.

Anche l’assenza di altri stimoli sensoriali critici disorienta il cervello. Sebbene il volo orbitale sia una caduta libera ininterrotta – Tunica differenza rispetto al paracadutismo è che la velocità in avanti del veicolo genera una traiettoria curva intorno al pianeta – gli astronauti non hanno la sensazione di cadere. Quest’ultima percezione dipende probabilmente da stimoli visivi e dallo scorrimento dell’aria, oltre che da informazioni fomite direttamente dai recettori di gravità. Ciò contraddice una previsione fatta nel 1950 da Haber e dal suo collega Otto H. Gauer: «In assenza di gravità nello spazio deve esservi necessariamente una sensazione di caduta. Si prevede che sia possibile abituarsi a questo stato».

Tutto questo insieme di alterazioni dei segnali provoca, in oltre metà di coloro che compiono un volo spaziale, una chinetosi che comprende molti dei sintomi delle normali chinetosi che si manifestano sulla Terra: dolori al capo, difficoltà di concentrazione, perdita dell’appetito, nausea e mal di stomaco. Nello spazio di solito questi disturbi non perdurano al di là dei primi tre giorni circa passati in assenza di gravità, ma una sindrome non dissimile è stata riferita da cosmonauti al termine di lunghi voli.

Un tempo gli scienziati attribuivano la chinetosi spaziale a un’insolita attività vestibolare che entrava in conflitto con le aspettative del cervello. Ora è chiaro che una simile spiegazione è semplicistica. La chinetosi deriva da un insieme di fattori, fra i quali l’alterazione dei tipi e dei livelli di attività motoria necessaria per controllare la posizione del capo. Disturbi del tutto analoghi possono essere indotti dagli ambienti virtuali creati col computer, dove mancano le forze e gli stimoli sensoriali presenti durante un moto reale.

Con il tempo, il cervello si adatta ai nuovi segnali, e per alcuni astronauti «verso il basso» diventa semplicemente la direzione dei piedi. L’adattamento probabilmente comporta modificazioni fisiologiche, sia nei recettori sia negli schemi di attività delle cellule nervose. Cambiamenti di questo tipo avvengono sulla Terra durante la crescita dell’organismo, nonché in caso di marcata variazione del peso corporeo.

Il modo in cui controlliamo l’equilibrio ed evitiamo le cadute è un aspetto importante e non del tutto conosciuto della nostra fisiologia. L’esperienza dei soggetti per il resto sani che tornando dallo spazio hanno difficoltà a mantenere T equilibrio, ma recuperano rapidamente questa capacità, potrebbe dimostrarsi utile per coloro che soffrono di disturbi dell’equilibrio sulla Terra.

Bernard Cohen della Mount Sinai School of Medicine e Gilles Clément del CNRS di Parigi hanno intrapreso uno studio di questo tipo dopo la missione Neurolab sullo shuttle, conclusasi il 3 maggio 1998. Per applicare i risultati di questo lavoro a pazienti affetti da disordini dell’equilibrio, Barry W. Peterson della Northwestern University e un gruppo di ricercatori, con il sostegno della NASA e dei National Institutes of Health, stanno creando il primo modello al calcolatore dell’intero corpo umano che permetta di simulare il controllo della postura e dell’equilibrio.

Raffreddori spaziali

Una seconda serie di effetti dell’assenza di peso riguarda i fluidi corporei. Entro pochi minuti dall’ingresso in un ambiente a microgravità, le vene del collo cominciano a inturgidirsi e il viso diventa gonfio e tondeggiante. La migrazione di fluidi verso il torace e il capo provoca congestione dei seni frontali e delle cavità nasali. Questo effetto, molto simile a quello prodotto da un raffreddore, continua per tutto il volo, tranne che nei periodi di intenso esercizio fisico, allorché la variazione della pressione dei fluidi nell’orgamsmo allevia temporaneamente la congestione. Anche i sensi del gusto e dell’olfatto sono alterati; solo il cibo speziato mantiene la propria appetibilità. Ai primordi dei voli spaziali i medici temevano che la congestione toracica potesse essere pericolosa, proprio come un edema polmonare è un rischio per i cardiopatici; fortunatamente si è visto che non è così.

Tutti questi fenomeni si manifestano perché i fluidi organici hanno perso il loro peso. In media, circa il 60 per cento del peso di una persona è costituito da acqua, contenuta nelle cellule dell’organismo (fluido intracellulare), nelle arterie e nelle vene (plasma sanguigno) e negli spazi compresi fra i vasi sanguigni e le cellule (fluido interstiziale). Sulla Terra, quando un individuo si alza in piedi, il peso dell’acqua esercita una pressione in tutto l’organismo. Nel sistema vascolare la pressione sanguigna aumenta idrostaticamente, proprio come nell’acqua la pressione cresce con la profondità. Per un individuo fermo in posizione eretta questo effetto idrostatico può essere rilevante. Nei piedi, la pressione arteriosa e venosa può aumentare di circa 100 millimetri di mercurio, ossia il doppio della normale pressione arteriosa e molte volte di più della normale pressione venosa. Nelle regioni del corpo comprese fra i piedi e il cuore la pressione passa da zero a 100 millimetri di mercurio. Al di sopra del cuore, la pressione arteriosa e quella venosa diventano inferiori alla pressione atmosferica.

L’effetto idrostatico ha solo una leggera influenza sul flusso del sangue attraverso i tessuti perché la pressione arteriosa e quella venosa aumentano della stessa quantità. Esso influisce però sulla distribuzione dei liquidi nell’organismo, accrescendo la quantità di sangue che filtra dai capillari allo spazio interstiziale. Se si passa da una posizione distesa a una eretta, i liquidi si spostano nella parte inferiore dell’organismo e il riflusso del sangue verso il cuore risulta ridotto. Se mantenuta a lungo, una posizione eretta può provocare svenimenti, come accade a soldati rimasti sull’attenti per troppo tempo. Due altri effetti idrostatici sono la formazione di varici, che si ha quando i vasi sono permanentemente deformati da un eccesso di liquido, e il gonfiore alle gambe che compare quando si è rimasti seduti a lungo.

Nello spazio, la pressione idrostatica scompare, facendo sì che i liquidi si ridistribuiscano naturalmente dalla parte inferiore a quella superiore del corpo. Misurazioni dirette del volume degli arti inferiori dimostrano che ogni gamba perde circa un litro di liquido – più o meno un decimo del suo volume – nel primo giorno. Gli arti inferiori rimangono più piccoli del normale per tutto il tempo trascorso nello spazio. (Anzi, i liquidi cominciano a spostarsi verso il capo mentre gli astronauti sono ancora sulla rampa di lancio, dato che i seggiolini su cui essi siedono per diverse ore li costringono a tenere i piedi alzati al di sopra della testa.) Via via che i liquidi si spostano, l’organismo si adatta ridistribuendo ulteriormente acqua fra i suoi vari comparti. Il volume del plasma decresce rapidamente (di quasi il 20 per cento) e rimane basso.

Questi spostamenti di liquidi a loro volta danno inizio a una cascata di processi, a livello renale, ormonale e meccanico, che regolano i livelli di fluido e di elettroliti. Per esempio, la velocità di filtrazione dei reni, normalmente stabile, aumenta quasi del 20 per cento e rimane a questo livello per la prima settimana trascorsa nello spazio. Oltre a ciò, i voli spaziali, anche di breve durata, provocano una particolare forma di anemia. Negli ultimi anni, Clarence Alfrey del Bay- lor College of Medicine ha dimostrato che la riduzione del plasma e il concomitante decremento dello spazio vascolare portano a sovrabbondanza di globuli rossi. L’organismo reagisce bloccando la produzione di nuovi globuli rossi e distruggendo quelli appena sintetizzati: si tratta di un meccanismo che era sfuggito agli ematologi prima delle ricerche di Alfrey sugli astronauti.

Una terza serie di effetti causati dall’assenza di gravità riguarda i muscoli e le ossa. Coloro che trascorrono nello spazio periodi di tempo anche brevi perdono massa in entrambi i tessuti. E un fenomeno preoccupante? In condizioni di microgravità le forze che agiscono all’interno degli elementi strutturali del corpo si modificano drasticamente. Dato che la colonna vertebrale non è più compressa, la statura aumenta di circa 5 centimetri. Polmoni, cuore e altri organi toracici non hanno peso, e di conseguenza il costato e il torace
si rilassano e si espandono. Così pure, scompare 0 peso di fegato, milza, reni, stomaco e intestino.

Nel contempo, muscoli e ossa cominciano a essere utilizzati in modi diversi. 1 muscoli scheletrici, che sono il tessuto più esteso dell’organismo, si sono evoluti per mantenere la posizione eretta e per muovere le varie parti del corpo. Ma nello spazio i muscoli che a terra hanno la funzione di opporsi alla gravità non sono più necessari per questo scopo; inoltre i muscoli che si sfruttano per muoversi nell’abitacolo di un veicolo spaziale non sono gli stessi che vengono impegnati se si cammina lungo un corridoio.

La conseguenza di ciò è che alcuni muscoli si atrofizzano rapidamente. Nello stesso tempo, si altera la natura del muscolo stesso, che passa da fibre a contrazione lenta utili per il sostegno in opposizione alla gravità a fibre a contrazione più veloce, adatte a una reazione rapida. Nessuna di queste alterazioni pone problemi agli astronauti fino a che si limitano a lavori leggeri. Si stanno però effettuando intense ricerche sperimentali per impedire l’atrofia dei muscoli impiegati in sforzi sostenuti durante le «passeggiate» nello spazio e per salvaguardare l’integrità muscolare in vista del ritorno a Terra.

Anche il metabolismo osseo cambia sostanzialmente. L’osso, uno dei materiali biologici più resistenti che si conoscano, è un tessuto dinamico. Particolari cellule, gli osteoblasti, hanno il compito di produrre tessuto osseo, mentre altre, gli osteoclasti, servono a distruggerlo. I due tipi di cellule di solito cooperano per far sì che le ossa vengano continuamente reintegrate nel corso della vita. Questi sistemi cellulari sono sensibili a vari ormoni e vitamine presenti nel sangue e agli stress meccanici che si esercitano sull’osso.

Quest’ultimo contiene sia materiali organici, che contribuiscono alla resistenza e alla stabilità, sia materiali inorganici che conferiscono rigidità e fungono da riserva di minerali per l’organismo. Per esempio, il 99 per cento del calcio nell’organismo è immagazzinato nello scheletro. Livelli stabili di calcio nei fluidi organici sono necessari per il normale funzionamento di tutte le cellule.

Studi congiunti russo-americani hanno dimostrato che nei cosmonauti si è avuta perdita di tessuto osseo a livello delle vertebre inferiori, del bacino e della parte alta del femore nella misura dell’uno per cento circa al mese per tutta la durata della missione. Vi sono taluni siti dell’organismo, come l’osso del tallone, che perdono calcio ancora più velocemente. Studi sugli animali che hanno volato nello spazio indicano che anche la sintesi del tessuto osseo è rallentata.

Questi dati appaiono molto preoccupanti. Durante un volo spaziale, la perdita di tessuto osseo alza i livelli di calcio nell’organismo, favorendo la formazione di calcoli renali e la calcificazione dei tessuti molli. Quando si toma a terra, il deterioramento del tessuto osseo cessa entro un mese, ma non sappiamo se il recupero possa essere completo: la casistica di individui che hanno compiuto lunghe permanenze nello spazio è ancora troppo ridotta. Il deterioramento osseo potrebbe essere in parte irreversibile, il che predisporrebbe gli ex astronauti a fratture. Una missione Spacelab del 1996 fu in parte dedicata a questi problemi: un gruppo di italiani, svedesi, svizzeri e statunitensi compì otto esperimenti sulle alterazioni muscolari e ossee.

Queste incertezze riflettono il fatto che le nostre conoscenze sul funzionamento dell’organismo a Terra sono incomplete. Per esempio, molte donne dopo la menopausa soffrono di osteoporosi: si sa che in questa patologia possono essere coinvolti diversi fattori (attività fisica, alimentazione, livelli di vitamine e ormoni), ma non è ancora chiaro come essi agiscano e interagiscano. Questa complessità rende difficile mettere a punto terapie appropriate. La stessa cosa è vera per la perdita di tessuto osseo che si ha negli astronauti: finora sono stati tentati vari tipi di esercizi fisici (si veda l’articolo Sei mesi sulla Mir di Shannon W. Lucid in «Le Scienze» n. 359, luglio 1998), ma con risultati non particolarmente brillanti.

Fiato corto

Disorientamento, ridistribuzione dei liquidi e deterioramento muscolare e osseo non sono le uniche conseguenze dell’assenza di gravità. Un esempio degli altri organi interessati direttamente o indirettamente è il polmone.
John B. West e il suo gruppo dell’Università della California a San Diego, insieme con Manuel Paiva della Libera Università di Bruxelles, hanno studiato il comportamento del polmone nello spazio, ottenendo molti dati che non si sarebbero potuti ottenere in un laboratorio terrestre. Sulla Terra l’andamento del flusso d’aria e della circolazione sanguigna nella parte superiore e inferiore del polmone è differente. Ma questi andamenti sono dovuti solo alla gravità o anche alla natura del polmone stesso? Solo di recente gli studi compiuti nello spazio hanno dimostrato che la seconda risposta è quella esatta.
Non tutti i fenomeni fisiologici che avvengono durante i voli spaziali sono causati dall’assenza di gravità. Pure colpiti, per esempio, sono il sistema immunitario (a causa probabilmente degli stress fisici e psicologici del volo spaziale) e i vari sistemi responsabili della quantità e qualità del sonno (perturbati dai livelli di illuminazione e dai turni di lavoro nello spazio). Se si guarda fuori dall’oblò appena prima di coricarsi (azione difficile da evitare, data la bellezza del panorama), l’occhio può ricevere luce brillante in quantità sufficiente per indurre una risposta fisiologica errata, che causa insonnia. Con il tempo, il debito di sonno può accumularsi.

Nei lunghi viaggi gli astronauti devono anche far fronte al confinamento in uno spazio ristretto, da cui è impossibile uscire, all’isolamento dalla vita normale e alla coabitazione forzata con un ristretto gruppo di persone. Queste condizioni possono provocare ansia, insonnia, depressione, tensioni tra i membri dell’equipaggio che possono influire sugli astronauti tanto quanto l’assenza di gravità. Infine, i voli spaziali comportano esposizione a elevati livelli di radiazioni. Un astronauta che trascorra un anno in un’orbita terrestre bassa moderatamente inclinata riceverebbe una dose di radiazioni 10 volte superiore a quella che giunge mediamente a terra. Una permanenza di un anno sulla Luna comporterebbe una dose sette volte più elevata, e un viaggio verso Marte sarebbe ancora più rischioso. Improvvise «eruzioni» di particelle dal Sole, come quella dell’agosto 1972, possono comportare, in meno di un giorno, una dose oltre 1000 volte superiore a quella media annuale sulla Terra. Fortunatamente questi eventi sono rari e i progettisti possono munire i veicoli spaziali di speciali zone schermate nelle quali gli astronauti possano trovare temporaneamente riparo.
E ovvio che il pericolo delle radiazioni nei viaggi spaziali di lunga durata – e il conseguente rischio di cancro – sia allarmante. Il problema dell’esposizione a radiazioni è difficile da studiare perché è quasi impossibile replicare sulla Terra l’ambiente spaziale, con il suo non ingente ma costante flusso di raggi cosmici di alta energia. Nonostante ciò, gli scienziati generalmente ritengono che con opportune schermature e farmaci protettivi i rischi possano essere ridotti a livelli accettabili.

Tornando a Terra

Quando gli astronauti tornano in un ambiente a gravità normale, avvengono alterazioni complementari a quelle verificatesi durante il volo. Se gli effetti dell’assenza di gravità fossero compieta- mente reversibili, tutti i parametri fisiologici dovrebbero riportarsi alla normalità una volta tornati a terra. Oggi sappiamo che la maggior parte dei sistemi dell’organismo funziona reversibilmente, almeno negli intervalli di tempo sui quali possediamo dati; non è certo, però, che questa sia una regola generale.

Gli astronauti certamente provano disagio nell’avvertire gli effetti della gravità durante e subito dopo la discesa. Molti di essi riferiscono di provare strane illusioni – per esempio, se muovono la testa hanno l’impressione che sia il loro ambiente a muoversi – e tendono a ondeggiare quando cercano di stare eretti, con gli occhi sia aperti sia chiusi.

La maggior parte dei sistemi dell’organismo ritorna alla normalità entro pochi giorni o settimane dall’atterraggio, con la possibile eccezione del sistema muscolo-scheletrico. Finora niente indica che l’uomo non possa vivere e lavorare nello spazio per lunghi periodi e poi tornare sulla Terra conducendovi un’esistenza normale. Questa è evidentemente una buona notizia per l’equipaggio della futura International Space Station e di eventuali missioni interplanetarie. In effetti la stazione, il cui assemblaggio dovrebbe iniziare alla fine del 1998 o all’inizio del 1999, fornirà ai ricercatori una nuova opportunità per indagare gli effetti sull’uomo della permanenza nello spazio. Al suo completamento, previsto fra cinque anni, la stazione avrà un volume abitabile cinque volte maggiore di quello delle stazioni Mir e Skylab e recherà a bordo sofisticati strumenti di laboratorio per studi medici.

Riconoscendo la necessità di un’analisi esauriente di tutti i potenziali rischi associati a lunghe permanenze nello spazio, la NASA ha istituito e finanziato uno speciale ente di ricerca, il National Space Biomedicai Research Institute, allo scopo di definire e di prevenire questi rischi.

Molti dei cambiamenti «normali» che avvengono in individui sani durante o subito dopo un volo spaziale sono esteriormente simili a eventi «anomali» che si manifestano sulla Terra in chi soffre di alcune patologie. Per esempio la maggior parte degli astronauti, subito dopo l’atterraggio, presenta intolleranza ortostatica: ossia non è in grado di rimanere in piedi immobile per 10 minuti senza sentirsi svenire. Questo problema è comune anche a coloro che hanno dovuto restare coricati per lungo tempo e ad alcuni anziani. Una prolungata degenza a letto provoca anche deterioramento muscolare e osseo: il parallelo è così stretto che una lunga permanenza a letto viene usata per simulare gli effetti del volo spaziale.

Altre alterazioni funzionali dell’età avanzata sembrano corrispondere a cambiamenti provocati dai voli spaziali. L’ondeggiamento caratteristico che segue l’atterraggio ricorda da vicino la facilità alle cadute degli anziani; la perdita di tessuto osseo nello spazio è analoga all’osteoporosi legata all’età; immunodeficienza, cattiva qualità del sonno e perdita di coordinazione motoria affliggono sia gli astronauti sia gli anziani. Sebbene il parallelismo dei sintomi non implichi quello delle cause, i dati sono così eloquenti che nel 1989 la NASA e il National Institute on Aging hanno iniziato una collaborazione di ricerca. Il volo, avvenuto nello scorso ottobre, del senatore dell’Ohio John Glenn, l’astronauta più anziano nella storia dell’esplorazione dello spazio, dovrebbe attrarre maggiormente l’attenzione sulle ricerche in corso in questo settore.

Medicina “spaziale”, da assenza di gravità e ipergravità indicazioni per prevenire e curare malattie sulla terra .

Dallo spazio e dall’assenza di gravità oppure dal suo contrario, l’ipergravità, arriveranno indicazioni utili per prevenire e curare l’insorgere di malattie connesse all’invecchiamento della popolazione e alla sedentarietà sulla Terra. Per compiere questi esperimenti, l’Agenzia spaziale europea ha selezionato per la campagna 2016 “Spin your thesis!” la proposta di un team italiano, coordinato da Debora Angeloni, ricercatrice dell’Istituto di Scienze della Vita della Scuola Superiore Sant’Anna di Pisa. Il team “HypE” (acronimo di “Hypergravity effect on Endothelium”) coordinato dalla Scuola Superiore Sant’Anna, è stato chiamato a condurre esperimenti in ipergravità all’interno della “Large diameter centrifuge”, una “centrifuga” del diametro di 8 metri che permette di ottenere condizioni di gravità superiori a quella terrestre, installata nel Centro europeo di ricerca spaziale e tecnologica (Estec), in Olanda, a Noordwijk. Per “Spin your thesis!” 2016 l’Italia ha conquistato un lusinghiero successo. Dei tre gruppi, due arrivano dal nostro Paese. Oltre al team “Hype” l’Agenzia spaziale europea ha scelto, nel contesto della stessa campagna, anche “PlanOx”, composto da allievi ph.d dell’Istituto di BioRobotica della Scuola Superiore Sant’Anna, del Centro Cmbr di Istituto italiano di tecnologia con sede a Pontedera con il coordinamento di Gianni Ciofani, ora al Politecnico di Torino, e da una docente dell’Università di Pisa. Si tratta di un’ottima opportunità per il team guidato da Debora Angeloni e composto da Chiara de Cesari e Olga Pyankova, entrambe allieve del ph.d. in Medicina traslazionale della Scuola Superiore Sant’Anna; Marco Maria Germani, allievo ordinario di medicina della Scuola Superiore Sant’Anna; Matteo Vezza, studente dell’Università di Pisa e allievo interno del laboratorio diretto da Debora Angeloni. La ricerca del gruppo “HypE” mira alla comprensione dei meccanismi molecolari che rispondono a variazioni della forza di gravità in cellule endoteliali umane, le cellule che rivestono dall’interno i nostri vasi sanguigni. Le alterazioni funzionali di queste cellule, infatti, sono connesse a numerosi disturbi riportati dagli astronauti al rientro da missioni spaziali e sono le stesse che si osservano in caso di invecchiamento e prolungata sedentarietà nella popolazione. “La forza di gravità – commenta Debora Angeloni – ha contribuito in modo importante a plasmare la vita nelle forme che conosciamo oggi. Studiare gli effetti biologici dell’assenza di gravità può fornire informazioni preziose sull’organizzazione strutturale e funzionale dei viventi, anche aprendo finestre inattese sul limite fra salute e malattia. La microgravità però rappresenta soltanto una faccia della medaglia, l’altra è rappresentata dall’ipergravità. Per questo motivo, dopo aver portato un esperimento a bordo della Stazione spaziale internazionale nel 2015, il nostro gruppo di ricerca – continua Debora Angeloni – si è interessato agli effetti dell’ipergravità. Da questi studi ci si aspetta la scoperta di marcatori di infiammazione e degenerazione utili per prevenire e curare disturbi che accomunano tanto gli astronauti al ritorno dallo spazio quanto la popolazione, durante l’invecchiamento”.

La forza gravitazionale, una delle quattro forze fondamentali della natura Nella loro esperienza quotidiana, i bambini generalmente hanno incontrato soltanto due delle quattro forze fondamentali della natura: la forza gravitazionale e la forza elettromagnetica. Poiché l’elettromagnetismo produce un effetto sulle correnti elettriche e sulle calamite, ma non agisce sul nostro corpo, noi siamo sensibili soltanto alla forza gravitazionale o forza di gravità. Si può cominciare col chiedere agli alunni se conoscono qualche esempio delle manifestazioni della gravità (oggetti che cadono, valanghe, ecc.).

La gravità è anche la forza che agisce sui pianeti, sulle stelle e sulle galassie dell’Universo, ed è ciò che lo modella. Inquadramento storico La forza gravitazionale è la più antica delle forze conosciute. È stata studiata fin dall’antichità, ma la sua vera natura è stata compresa solo nel Rinascimento. La storia appassionante del cammino verso la comprensione di questa forza è scandita da qualche data fondamentale e dalle scoperte di alcuni scienziati. L’astronomo tedesco Johannes Keplero (1571-1630) è stato il primo a descrivere il movimento dei pianeti nel Sistema Solare, formulando tre leggi, chiamate «leggi di Keplero». Ai suoi tempi si ignorava che la rotazione dei pianeti è determinata dalla gravitazione, ma la sua scoperta ha avuto un’importanza capitale. Lo scienziato italiano Galileo Galilei (1564-1642) è stato il primo a studiare la caduta dei corpi sulla superficie della Terra. Galileo effettuò numerosi esperimenti con pendoli e piani inclinati, e studiò le leggi del moto.

Ha potuto così scrivere la legge della caduta dei corpi e ha compreso che nel vuoto tutti i corpi cadono allo stesso modo. Galileo è uno dei grandi genii della scienza e può essere considerato il padre della scienza moderna. Sir Isaac Newton (1642-1727) comprese che le leggi determinate da Keplero e Galileo non erano altro che due sfaccettature della stessa forza: la gravitazione universale. La leggenda vuole che sia stata l’osservazione della caduta di una mela nel cortile del Trinity College, a Cambridge, a far comprendere a Newton che sia la mela che la Luna erano attratte dalla Terra per lo stesso motivo. La massa della Terra fu misurata per la prima volta nel 1798, da Henry Cavendish. Lo scienziato di origine tedesca Albert Einstein (1879-1955) estese la teoria di Newton e formulò la teoria della relatività generale, nel 1915. La sua visione rivoluzionaria trasformò la gravità da semplice forza in proprietà dello spazio e del tempo.

Attualmente, i ricercatori stanno ancora cercando di capire perché gli oggetti cadono, anche se ora sappiamo molto bene come cadono. Che esperimento si può fare in classe? L’universalità della caduta libera Questo semplice esperimento ha lo scopo di «dimostrare» che corpi di natura diversa cadono allo stesso modo. Per effettuarlo, è necessario procurarsi un bicchiere di plastica, una bacinella e un po’ d’acqua. Praticare un piccolo foro sul lato del bicchiere. Tenere in mano il bicchiere tappando il foro con un dito e riempirlo d’acqua. Aprire il foro. L’acqua esce, perché la gravità dovuta alla Terra la attira verso il basso (la bacinella è utile in questo caso, se ci si trova al chiuso!), mentre il bicchiere non cade perché è sostenuto dalla mano. Ripetere lo stesso esperimento, ma lasciando cadere il bicchiere nel momento in cui si toglie il dito dal foro. Osservare attentamente se l’acqua esce dal bicchiere durante la caduta: si noterà che ciò non avviene. L’acqua potrebbe uscire dal foro solo se cadesse più velocemente del bicchiere, mentre potrebbe uscire da sopra soltanto se fosse il bicchiere a cadere più velocemente. Poiché non avviene nessuna delle due cose, si può concludere che l’acqua e il bicchiere, pur essendo di natura e di massa diversa, cadono allo stesso modo!

Come misurare il peso degli astronauti in assenza di peso?

La Stazione Spaziale Internazionale (ISS) è un ambiente in caduta libera. Orbita attorno alla Terra per circa 16 volte al giorno, a velocità di circa 7,7 km/s. La principale caratteristica dell’ambiente della ISS è l’assenza di peso o, più correttamente, la ‘caduta libera’. La condizione di caduta libera si verifica, quando la sola forza applicata a un oggetto è la forza gravitazionale. Nel XVII secolo, il fisico inglese Isaac Newton immaginò di sparare una palla da un cannone posto in cima a una collina, con traiettoria parallela alla terra. La sola forza che agisce sulla palla dopo lo sparo è la forza di gravità. Quanto maggiore è la velocità di espulsione della palla, tanto maggiore è la distanza che questa percorre prima di cadere a terra. Oltre una certa velocità, la palla non cade più a terra: orbita attorno alla Terra! Perché gli astronauti galleggiano nello spazio? Osservando le immagini degli astronauti nello spazio, questi ci sembrano senza peso, ma in realtà l’effetto è dovuto al fatto che tutto quanto si trova a bordo della ISS (astronauti, esperimenti, apparecchiature) è in caduta libera (ovvero soggetto unicamente alla forza di gravità) e sembra fluttuare. Gli astronauti hanno un peso nello spazio? Cosa accade sulla Stazione Spaziale, dove gli astronauti sembrano avere perso il loro peso? In primo luogo, la loro massa non è cambiata in quanto è costante. Ma cosa ne è stato del loro peso? Si è davvero annullato? Una delle più comuni convinzioni erronee è che gli oggetti non abbiano massa nello spazio. In realtà, la massa di un oggetto non cambia, quando l’oggetto si sposta dalla Terra allo spazio. La costante gravitazionale della Terra (g = 9,8 N/kg al livello del mare) è solo appena inferiore all’altitudine della ISS (precisamente 8,7 N/kg). Questo implica che il peso degli astronauti all’altitudine della ISS è solo leggermente inferiore al loro peso sulla Terra. Tuttavia, se gli astronauti sulla ISS salgono su una normale bilancia, il risultato della misurazione è zero! Questa apparente contraddizione deriva dal fatto che sia gli astronauti sia la bilancia sono in caduta libera. Il meccanismo sul quale si basa la bilancia non funziona in un ambiente a caduta libera in quanto la molla della bilancia non può essere compressa: la gravità non è più contrastata dalla forza di reazione del suolo terrestre. Misurare un’oscillazione per calcolare la massa È possibile calcolare la massa di un oggetto senza una bilancia misurando il periodo di oscillazione dell’oggetto fissato a una molla. Questo metodo introduce due importanti concetti della fisica: l’oscillazione armonica e la legge di Hooke. La legge di Hooke descrive la grandezza della forza elastica di una molla. Il movimento risultante è detto moto armonico semplice non smorzato. In realtà, questo accade solo se le forze di attrito sono trascurabili. Se la costante elastica della molla è nota, è possibile trovare la massa di un oggetto misurando il periodo di oscillazione. Il periodo di oscillazione del movimento è il tempo necessario perché la massa completi un ciclo. Quanto maggiore è la massa tanto più lungo è il periodo di oscillazione. Questa è una conseguenza dell’inerzia, la resistenza di un oggetto al cambiamento di velocità. La gravità non influenza il periodo di un oscillatore armonico! Questo metodo è utilizzato anche sulla ISS. Il misuratore di massa corporea utilizza la proprietà del moto armonico per misurare la massa degli astronauti. Un astronauta con massa maggiore vibrerà più lentamente di un collega con massa minore. Misuratore di massa corporea utilizzato sulla ISS per misurare la massa degli astronauti.

Avamposto della colonizzazione dello Spazio, laboratorio di ricerca scientifica unico nel suo genere, luogo di sperimentazione delle tecnologie più avanzate, la Stazione Spaziale Internazionale (o ISS, International Space Station) è il più importante programma di cooperazione internazionale mai intrapreso in campo scientifico e tecnologico. E’ il risultato di una estesa cooperazione tecnologica tra USA, Russia, Giappone, Canada, Brasile e i 11 paesi europei che aderiscono all’ESA. Dal 2000, quando salì a bordo il primo equipaggio permanente, la ISS (la cui costruzione ha avuto inizio nel 1998) assicura una ininterrotta presenza umana nello Spazio. Con i suoi sette laboratori pressurizzati e le nove piattaforme esterne, rappresenta un vero e proprio laboratorio orbitante per la ricerca scientifica e tecnologica. Consente di condurre esperimenti impossibili sulla Terra in diversi campi, dalla fisica alla chimica, dalla biologia alla medicina, e naturalmente nel campo dell’osservazione dell’Universo e del pianeta Terra. Persone di diversa estrazione, formazione e nazionalità lavorano insieme e collaborano per curare nei minimi dettagli il funzionamento di questa enorme costruzione spaziale. Sono richiesti ingegneri, tecnici e specialisti in pressoché tutti i campi della scienza. Una stazione spaziale funzionante fa anche affidamento sulla forza lavoro di manager, consulenti legali, specialisti delle relazioni pubbliche e naturalmente di astronauti Il sogno di viaggiare nello Spazio accompagna gli esseri umani da migliaia di anni. Nel 1902, l’insegnante russo Konstantin Eduardovich Tsiolkovsky descrisse la costruzione di un osservatorio permanente nello Spazio, immaginando un sistema orbitante che egli chiamò “serra” e cosmonauti che vi facevano crescere piante senza rifornimenti esterni. Innumerevoli pionieri continuarono a lavorare su queste idee e studiarono le possibilità di realizzare una Stazione Spaziale. Dopo la Seconda Guerra mondiale, vennero prese in esame nuove idee e, nel 1952, Werneher von Braun descrisse una stazione a forma di ruota, che avrebbe viaggiato nell’orbita polare intorno alla Terra per osservare l’intero pianeta. La guerra fredda influì enormemente sull’esplorazione dello Spazio. Gli anni ‘60 furono dominati dalla corsa alla Luna, in cui l’America e l’Unione Sovietica si trovarono in competizione per aggiudicarsi il titolo di prima nazione a sbarcare sul suolo. Il 21 luglio del 1969, gli astronauti americani Neil Armstrong e Buzz Aldrin misero piede sulla Luna e Armstrong pronunciò, in diretta televisiva, le famose parole: “Questo è un piccolo passo per l’uomo, ma un balzo gigantesco per l’umanità”. Fu soltanto nel 1971 che venne messa in orbita la prima stazione spaziale. Si trattava della stazione sovietica “Salyut” (che in russo significa “saluto”). Nel corso degli 11 anni che seguirono, l’Unione Sovietica lanciò nello Spazio altri 6 laboratori, i cui obiettivi comprendevano lo svolgimento di esperimenti di scienza e tecnologia in assenza di peso e impieghi militari. Il primo laboratorio americano, lo “Skylab”, lanciato nel 1973, fu abitato soltanto negli anni 1973-1974. Successivamente il programma occidentale incentrato sulle ricerche nello Spazio fu lo Spacelab. Si trattava di un programma in cui le ricerche venivano eseguite a bordo di un veicolo spaziale orbitante, sviluppato dalla NASA che fu chiamato Space Shuttle. Il modulo Spacelab in cui si svolgevano le sperimentazioni, costruito dall’Agenzia Spaziale Europea, venne installato nel vano di carico dello Space Shuttle, e collegato alla cabina di quest’ultimo, mediante un tunnel. Una nuova era nello sviluppo delle stazioni spaziali ebbe inizio quando, nel febbraio del 1986, venne lanciato il primo componente della stazione spaziale sovietica “Mir” (che in russo significa “pace”). Il piano consisteva nell’assemblare nello Spazio una stazione modulare costituita da sei parti, che sarebbero state messe insieme nell’arco di diversi anni; l’insorgenza di difficoltà economiche rinviò il completamento della Mir. Quando ebbe fine la Guerra Fredda e il clima politico tra gli Stati Uniti e la Russia mutò, l’America fornì alla Russia un contributo finanziario per far salire i propri astronauti sulla Mir ed acquisire esperienza in vista della realizzazione della ISS. Il programma di ricerche Mir poté allora continuare e l’Europa inviò due dei propri astronauti per prendere parte al progetto Euromir. Mentre il programma della Stazione Spaziale Internazionale prendeva corpo, nella seconda metà del 1998 vennero portate a termine le attività comuni sulla Mir. La Mir fece il suo rientro distruttivo programmato il 23 marzo 2001.

Provate ad immaginare un laboratorio fluttuante nello Spazio in assenza di peso al servizio degli abitanti e dell’industria terrestre. Ebbene questo laboratorio esiste già. Si tratta della Stazione Spaziale Internazionale, che è in orbita ad un’altitudine di 400 Km dalla Terra e che garantirà la presenza umana permanente nello Spazio per i prossimi 10 anni. Tutto ebbe inizio il 25 gennaio del 1984, quando gli Stati Uniti invitarono le altre nazioni a prendere parte alla realizzazione di una stazione spaziale “con equipaggio permanente”. L’Europa rappresentata dall’ESA, il Canada e il Giappone risposero con entusiasmo e iniziarono a collaborare alla definizione del progetto. Nel 1993, la Russia divenne il quinto partner, facendo del progetto il più vasto programma di collaborazione internazionale fino ad oggi intrapreso nell’ambito della scienza e della tecnologia. La ISS è infatti il frutto del lavoro congiunto di 5 agenzie spaziali rappresentanti 15 nazioni: Stati Uniti, Canada, Giappone, Russia, 11 Stati membri dell’Agenzia Spaziale Europea (Belgio, Danimarca, Francia, Germania, Italia, Norvegia, Paesi Bassi, Spagna, Svezia, Svizzera e Inghilterra)

L’assemblaggio in orbita della ISS è iniziato nel 1998 ed è stato completato nel 2011. Rappresenta la più grande struttura mai costruita dall’uomo nello Spazio. Con un peso di 455 tonnellate, una lunghezza di circa 100 metri e una larghezza di circa 80 metri, la Stazione si estende su un’area delle dimensioni di un campo di calcio. Il volume pressurizzato della ISS, pari a 1200 m3 è equivalente a quello di due jumbo jet Boeing 747. Vi è spazio a sufficienza per ospitare fino a sette membri dell’equipaggio e capacità per realizzare una vasta gamma di esperimenti scientifici. A tutt’oggi, non esistono razzi sufficientemente grandi o potenti per lanciare nello Spazio una struttura di queste dimensioni. Esattamente come un puzzle, la ISS è stata assemblata congiungendo circa 100 pezzi, trasportati nello Spazio con oltre 50 lanci di diversi veicoli. L’assemblaggio dei vari pezzi è stato eseguito utilizzando bracci robotici sia dallo Space Shuttle americano sia dalla ISS, mentre gli astronauti hanno contribuito a completare il lavoro con un totale di 160 passeggiate spaziali.

L’attuale architettura vede la ISS costituita da moduli pressurizzati in lega di alluminio per lo più adibiti a laboratori e allestiti con armadi, un traliccio munito di un complesso sistema di pannelli solari per la generazione dell’energia usata a bordo e varie piattaforme esterne per l’installazione di equipaggiamenti ed esperimenti operanti in ambiente non pressurizzato. Al fine di garantire la sicurezza degli ambienti, buona parte delle superfici sono protette esternamente da coperture di materiale termicamente isolante, installate sopra pannelli per la protezione contro impatti meteoritici. La partecipazione europea, ed in particolare italiana, alla costruzione della ISS è stata significativa: in Italia, infatti, sono stati realizzati molti degli elementi pressurizzati della Stazione Spaziale. Tra questi troviamo i tre moduli logistici MPLM (Multi-Purpose Logistic Module) Leonardo, Raffaello e Donatello, che venivano lanciati nella stiva dello Space Shuttle per rifornire la ISS di materiale che richiedeva un ambiente pressurizzato ed erano estremamente utili per riportare a terra equipaggiamenti non più necessari a bordo. Uno di questi moduli, Leonardo, è stato poi modificato per renderlo compatibile alla permanenza continua nello Spazio e, nel febbraio 2011, è diventato l’ultimo elemento abitabile aggiunto alla configurazione permanente della ISS. Leonardo è quindi diventato PMM, acronimo di Permanent Multipurpose Module. Altri due elementi della ISS realizzati in Italia di particolare rilievo sono il Nodo 2 ed il Nodo 3. Il Nodo 2 è connesso alla ISS tramite uno dei portelloni del laboratorio statunitense e internamente ospita apparecchiature atte a distribuire aria, potenza elettrica e le altre risorse necessarie a rendere abitabile l’ambiente a bordo della ISS e a mantenere operativi i moduli ad esso collegati. Il Nodo 3 è stato lanciato nel 2010 e ospita apparecchiature per la produzione e purificazione di acqua e la generazione di ossigeno necessarie per il sostentamento degli astronauti. Il laboratorio Columbus è, invece, il principale contributo dell’ESA alla Stazione Spaziale Internazionale. Il laboratorio, la cui struttura primaria e secondaria è stata realizzata in Italia, è collegato al resto della Stazione Spaziale per mezzo del Nodo 2 ed è stato concepito per condurre molteplici esperimenti di medicina, biologia, scienza dei materiali, fisica dei fluidi e ogni altra ricerca che possa trarre vantaggio dallo svolgimento in condizioni di assenza di peso.

La cabina del Columbus può ospitare al proprio interno ben 10 armadi (rack) per esperimenti scientifici e grazie alla presenza di quattro piattaforme di montaggio esterne consente di eseguire, anche all’esterno della ISS, esperimenti scientifici e tecnologici, di osservazione della Terra e dello Spazio. L’ESA è responsabile anche di un altro elemento chiave della Stazione: l’Auto mated Transfer Vehicle (ATV). Gli ATV inviati sulla Stazione, il cui modulo cargo è prodotto in Italia, fungono da veicolo di approvvigionamento. L’ATV è in grado di trasportare fino a 9 tonnellate di carico, costituito da provviste, materiale scientifico e propellente per razzi. Cinque sono stati gli ATV inviati sulla Stazione, il cui modulo cargo è stato prodotto in Italia. Uno degli elementi più affascinanti della ISS è però senza dubbio la Cupola, un modulo di osservazione e controllo installato sul Nodo 3, costruito in Italia e fornito dall’ESA nell’ambito di un accordo di scambio con la NASA. Come suggerisce il nome stesso, il modulo presenta un ambiente di lavoro a forma di cupola con sei finestre trapezoidali ed una finestra circolare sul lato superiore. Ciascun oblò è stato realizzato utilizzando tecnologie molto avanzate per proteggere i pannelli dall’esposizione alle radiazioni solari e dall’impatto con detriti spaziali. Oltre a contenere le postazioni di comando e controllo e altre attrezzature, la Cupola offre agli astronauti in orbita un punto di osservazione per la guida delle operazioni robotiche all’esterno della Stazione Spaziale, per il monitoraggio delle operazioni di attracco dei veicoli in visita e delle passeggiate spaziali. La chiara visuale della Terra e dei corpi celesti permette inoltre di usare la Cupola per una varietà di applicazioni scientifiche nel settore delle osservazioni della Terra, dell’atmosfera e dell’universo, oltre a offrire importanti benefici psicologici all’equipaggio.

Le attività extraveicolari (EVA) Immaginate di camminare nello Spazio e di volare attorno alla Terra ad una velocità di circa 28.000 km/h. Questo è quello che centinaia di esploratori dello Spazio hanno sperimentato negli ultimi 50 anni. Le EVA o “passeggiate nello Spazio” rappresentano una parte essenziale del lavoro di un astronauta. Consentono, infatti, di installare nuove apparecchiature ed esperimenti e di effettuare attività di manutenzione e riparazione all’esterno della struttura. Dal 1998 sono servite quasi 1.000 ore di attività extraveicolari per costruire e riparare la Stazione Spaziale Internazionale. Durante le passeggiate spaziali, gli astronauti indossano tute protettive per muoversi nel vuoto e sono spesso trasportati da un punto all’altro della Stazione sull’estremità di un braccio robotico. Vi sono, inoltre, speciali corrimano che facilitano i loro spostamenti. Per non rischiare di volare via e perdersi nello Spazio, gli astronauti sono legati alla Stazione per mezzo di cavi sottili. Naturalmente, anche tutti gli utensili degli astronauti devono sempre essere fissati saldamente. Questi utensili sono molto simili alle chiavi e ai cacciaviti elettrici che è possibile acquistare in un qualsiasi negozio di ferramenta e vengono impiegati per serrare bulloni e bloccare saldamente l’uno all’altro i vari componenti della ISS. Le passeggiate nello Spazio possono durare molte ore. Il record è stato segnato da Susan Helms e James Voss che hanno trascorso quasi nove ore nello Spazio nel marzo 2001.

La concezione dello spazio da Newton a Einstein

Isaac Newton (nato nel 1642 nel Lincolnshire, in Inghilterra) cambiò per sempre il modo di fare scienza introducendovi una massiccia dose di matematica, al servizio della ricerca fisica. L’ingegno di Newton era straordinario: quando si accorse che la matematica di cui aveva bisogno per certe sue ricerche non esisteva ancora, se la inventò da solo. Per trovare un altro genio del suo calibro sarebbero dovuti passare quasi tre secoli. Tra tutte le grandi intuizioni di Newton ci concentreremo qui sulla sua teoria della gravitazione universale. La forza di gravità pervade il nostro mondo quotidiano. Ci tiene ancorati alla superficie terrestre, impedisce che l’aria che respiriamo si perda nello spazio, tiene la Luna in orbita attorno alla Terra e la Terra attorno al Sole. La gravità dà il ritmo alla danza cosmica che milioni e milioni di corpi, dagli asteroidi alle galassie, eseguono senza posa. Ormai diamo per scontato che la gravità sia la sola responsabile di un gran numero di eventi terrestri ed extraterrestri. Ma prima delle scoperte di Newton nessuno immaginava che la forza che fa cadere una mela a terra fosse la stessa che tiene i pianeti in orbita attorno al Sole. Con un’audacia senza pari, Newton riuní la fisica terrestre e quella celeste, proclamando che la forza di gravità era la sola e unica mano invisibile al lavoro nei due regni. La visione classica della gravità è una grande livellatrice: per Newton tutto esercita un’attrazione gravitazionale su tutto quanto. Indipendentemente dalla composizione fisica, ogni corpo esercita la forza di gravità e ne è a sua volta soggetto. Newton, studiando attentamente le ricerche di Keplero sui moti planetari, si accorse che la forza di attrazione tra due corpi dipendeva esattamente da due fattori: la quantità di materia che li componeva e la loro distanza. La «quantità di materia», che comprende protoni, elettroni e cosí via, si traduce nel concetto di massa. Secondo la teoria della gravitazione newtoniana la forza attrattiva tra due corpi è proporzionale alle loro masse, e decresce al crescere della loro distanza. Questa affermazione fu precisata quantitativamente da Newton tramite una celebre equazione. Detta a parole, la forza gravitazionale è direttamente proporzionale al prodotto delle masse e inversamente proporzionale al quadrato della distanza (si intende di due corpi). Da questa legge di gravità si possono dedurre i moti dei pianeti e delle comete attorno al Sole, della Luna attorno alla Terra e dei razzi interplanetari, cosí come le traiettorie di una palla lanciata in aria o di un atleta che si tuffa dal trampolino. L’accordo tra le previsioni della teoria e i dati sperimentali è straordinario, il che ha fatto trionfare la teoria newtoniana per secoli, fino agli inizi del Novecento. La scoperta della relatività ristretta, però, innalzò ostacoli che la vecchia teoria non sarebbe stata in grado di superare.

La gravità newtoniana non si accorda con la relatività ristretta.

L’esistenza del limite posto dalla velocità della luce è una caratteristica fondamentale della relatività ristretta. E’ importante ricordare che questa limitazione vale non solo per gli oggetti materiali, ma anche per segnali e influssi di varia natura: non c’è modo di comunicare informazioni o perturbazioni da un punto a un altro a velocità superiori a quella della luce. Naturalmente, abbondano casi di trasmissioni più lente della luce: il suono, ad esempio, viaggia nell’aria secca a 331 m/sec, cioè circa 1190 km/h, assai meno dei 300000 della luce. Questa differenza si può apprezzare durante i temporali: lampi e tuoni si producono simultaneamente, ma il segnale luminoso arriva prima di quello sonoro – diretta conseguenza della discrepanza di velocità. La relatività ristretta ci dice che l’inverso non è possibile: non vedremo mai un segnale giungerci prima della luce che emette. Nessuno batte i fotoni in corsa. Ecco il problema. Nella teoria newtoniana, la forza gravitazionale esercitata da un corpo su un altro dipende solo dalle masse e dalla distanza, e non ha nulla a che fare con il tempo per cui i due oggetti sono stati in presenza l’uno dell’altro. Questo significa che se cambiasse qualcosa nelle masse o nella distanza, i corpi sentirebbero istantaneamente un mutamento della forza gravitazionale. Ad esempio, se il Sole esplodesse improvvisamente, la Terra – situata a circa 144 milioni di chilometri – sarebbe immediatamente scaraventata via dalla sua orbita ellittica. Anche se la luce prodotta dall’esplosione impiegherebbe 8 minuti per giungere a noi, nella teoria newtoniana si sostiene che la «conoscenza» dell’evento si trasmetterebbe istantaneamente alla Terra, tramite un cambiamento nella forza gravitazionale. Questo è incompatibile con la relatività ristretta, che sostiene invece che nessun tipo di informazione può viaggiare più veloce della luce: la contemporaneità newtoniana è una drastica violazione di questo principio. Agli albori del Novecento, Einstein si rese conto, dunque, che la sua teoria non si accordava con la riverita e sperimentalmente solida gravitazione newtoniana. Sicuro della verità delle sue scoperte, si mise alla ricerca di una nuova teoria della gravità che fosse compatibile con la relatività ristretta. Questo lo portò a inventare la relatività generale, che portò ad altri straordinari cambiamenti nel modo di intendere spazio e tempo.

L’idea più felice di Einstein. Anche prima dell’arrivo della relatività ristretta, la teoria di Newton presentava una falla importante. Anche se può essere usata per prevedere in modo assai accurato i moti dei corpi sotto l’influsso della gravità, non ci dice nulla sulla natura di questa forza. Come è possibile che due oggetti separati da milioni di chilometri sentano comunque la presenza l’uno dell’altro? Come fa la gravità a portare a termine questo compito? Newton stesso era consapevole del problema: È inconcepibile che la materia bruta e inanimata possa (senza la mediazione di qualcosa di immateriale) agire e influire su altra materia senza reciproco contatto. […] Che la gravità sia qualcosa di innato, di inerente ed essenziale alla materia, sì che un corpo possa agire a distanza su di un altro attraverso il vuoto, senza la mediazione di qualche altra cosa in virtù della quale, e per mezzo della quale, l’azione a distanza o la forza possa essere trasportata da un corpo all’altro, è per me un’assurdità così grande da farmi credere che nessun uomo il quale abbia una reale consapevolezza nelle materie filosofiche possa mai farla propria. La gravità deve necessariamente essere causata da un agente il quale agisca in modo costante secondo certe leggi; ma se questo agente sia materiale o immateriale è questione che lascio decidere ai lettori. Newton quindi, accettata l’esistenza della gravità, si mise a scrivere le equazioni che ne descrivono accuratamente gli effetti, ma non si prese mai la briga di spiegare il suo effettivo funzionamento. Il suo non era che un «manuale di istruzioni» per l’uso della gravità – un manuale che fisici, astronomi e ingegneri hanno comunque utilizzato con successo per spedire razzi sulla Luna, su Marte e vicino agli altri pianeti, per prevedere le eclissi, per calcolare i moti delle comete e cosí via. Ma la gravità stessa era una «scatola nera», il cui meccanismo interno rimaneva un mistero. Certo, fino a quando siamo in grado di utilizzare uno strumento non dobbiamo preoccuparci di sapere come funziona; ma se il nostro lettore di CD o il nostro computer si rompono, allora diventa fondamentale sapere cosa c’è dentro per poterlo riparare. Einstein scopri grazie alla relatività ristretta che la gravitazione newtoniana, nonostante molti secoli di conferme sperimentali, era «rotta» in modo molto subdolo, e che per ripararla bisognava affrontare la questione della vera natura della gravità. Nel 1907, mentre rimuginava su questi problemi all’ufficio brevetti di Berna, Einstein ebbe un’intuizione fondamentale, che tra alti e bassi l’avrebbe condotto a una nuova teoria: una teoria che non solo avrebbe colmato i buchi di quella newtoniana, ma anche riformulato l’idea stessa di gravità, in modo perfettamente compatibile con la relatività ristretta. […]

 I fondamenti della relatività generale. Consideriamo una situazione tipica: un pianeta come la Terra in orbita attorno a una stella come il Sole. Per Newton, la stella tiene il pianeta in orbita grazie a un non ben identificato «guinzaglio» gravitazionale, che istantaneamente si propaga a grandi distanze e afferra il pianeta (e viceversa per il laccio che dal pianeta afferra la stella). Secondo Einstein le cose sono diverse. Ci aiuterà a capire la sua teoria un modello visivo e concreto dello spaziotempo che andremo a deformare. Facciamo due semplificazioni: ignoriamo per il momento il tempo e immaginiamo che le dimensioni spaziali siano due e non tre (per semplificare i disegni). Questo è un efficace artificio pedagogico, perché gran parte di ciò che diremo riguardo a questo modello semplificato è applicabile direttamente all’universo reale. Facciamo tesoro di queste semplificazioni, e rappresentiamo una porzione bidimensionale dell’universo. La griglia che vi abbiamo disegnato è un modo efficace per specificare le posizioni degli oggetti, come la rete stradale in una città come New York. Certo, nel mondo reale, oltre a dire all’incrocio di quali vie ci troviamo dovremmo anche specificare il piano, cioè la dimensione verticale; ma qui, ripetiamo, non ne teniamo conto. In assenza di materia ed energia, lo spazio per Einstein è piatto. Nel nostro caso, questo è proprio quanto accade. Per millenni l’uomo si è raffigurato l’universo in questo modo. Ma che accade in presenza di un oggetto massiccio come il Sole? Prima di Einstein la risposta era semplice: non succede niente, perché lo spazio (e il tempo) non sono che il palcoscenico inerte su cui gli eventi accadono. Quanto abbiamo visto fin qui, seguendo il ragionamento di Einstein, ci porta a conclusioni diverse.

Ogni corpo esercita un’attrazione gravitazionale sugli altri. […] possiamo ipotizzare con Einstein che la presenza di un oggetto massiccio come il Sole deforma la struttura dello spazio circostante; secondo un’analogia utile (e assai sfruttata), lo spazio è come una membrana di gomma su cui venga posata una palla pesante. Questa proposta rivoluzionaria ci dice che lo spazio non è una scenografia passiva nell’universo, ma che esso si modifica a seconda della presenza degli oggetti sulla scena. Questo incurvamento produce un effetto sugli oggetti che si trovano nelle vicinanze del corpo massiccio, visto che ora devono percorrere uno spazio modificato. Tornando all’idea della membrana di gomma, se prendiamo una palla più piccola e la lasciamo andare con una certa velocità iniziale, il percorso che questa seguirà dipende dalla presenza o meno della palla grossa al centro. Se non c’è e lo spazio è piatto, la pallina seguirà una linea retta; se c’è e lo spazio è incurvato, seguirà una traiettoria curvilinea. Ignorando l’attrito, se diamo alla pallina la velocità iniziale e la direzione opportuna, questa continuerà a muoversi lungo una curva chiusa attorno alla palla, cioè «entrerà in orbita». Già prevediamo cosa accade se abbandoniamo la gomma e torniamo nello spazio.

Il Sole, come la palla grande, curva la struttura spaziale della regione che lo circonda, e il moto della Terra, come quello della pallina, è determinato dal tipo di curvatura. Se la velocità e la posizione sono opportune, il pianeta orbiterà attorno alla stella. Questo risultato, non è che il consueto effetto dell’attrazione del Sole sulla Terra. Ma, al contrario di Newton, Einstein è riuscito a mostrare il meccanismo grazie al quale la gravità si trasmette: la curvatura dello spazio. Il guinzaglio gravitazionale che lega la stella e il pianeta non è dovuto a una qualche misteriosa azione a distanza, ma alle modifiche nella trama dello spazio dovute alla presenza della stella. Questo quadro concettuale getta nuova luce sulle due proprietà caratteristiche della gravità. In primo luogo, più il corpo è pesante, maggiore sarà la distorsione spaziale da lui causata; e questo è in accordo con la legge di gravità, secondo cui la forza è direttamente proporzionale alla massa. Secondariamente, la distorsione diminuisce se ci allontaniamo dal corpo che l’ha causata; di nuovo, c’è accordo con la legge secondo cui la forza è inversamente proporzionale alla distanza. E importante notare che anche il corpo più piccolo nei sistemi che abbiamo visto (Sole-Terra) deforma lo spazio, anche se molto meno di quello più massiccio. Ecco come, ad esempio, la Terra mantiene la Luna in orbita, e come ci mantiene ben saldi sulla sua superficie. Un paracadutista in caduta libera sta in realtà «scivolando» all’interno di una depressione dello spazio causata dalla massa del pianeta. Anche noi, a nostra volta – come tutti i corpi dotati di massa – incurviamo lo spazio intorno a noi, ma la nostra azione è quasi impercettibile. Concludendo, Einstein era perfettamente d’accordo con Newton sul fatto che «la gravità deve necessariamente essere causata da un agente», e accettò la sfida lanciata da quest’ultimo a proposito della natura sua «materiale o immateriale». L’agente della gravità, per Einstein, è la trama stessa del cosmo.

Qualche avvertenza per l’uso. L’analogia con la membrana di gomma è utile perché ci fornisce un’immagine visiva e tangibile di ciò che si intende per una curva, una increspatura nella trama spaziale dell’universo. Gli scienziati fanno spesso uso di questi artifici per guidare la loro intuizione riguardo ai concetti di gravità e curvatura. Ciò nonostante, l’analogia non è perfetta, ed è bene soffermarsi su qualche suo difetto. Innanzitutto, quando il Sole incurva lo spazio attorno a sé non è «tirato in basso» dalla gravità come la palla sulla membrana; nello spazio non c’è nulla che possa «tirare». Ciò che Einstein ci ha insegnato è che questa curvatura non è causata dalla gravità, ma è la gravità. Similmente, la Terra non resta in orbita perché una qualche spinta gravitazionale esterna la guida lungo gli avvallamenti dello spazio. La sua traiettoria, invece, è determinata da questo: Einstein ha mostrato che i corpi si muovono nello spaziotempo lungo i percorsi «piú facili possibili», cioè quelli che rendono minima l’energia spesa. In uno spazio curvo, anche le traiettorie minimali sono incurvate. Quindi, la membrana di gomma ci fornisce una buona rappresentazione visiva di cosa succede quando lo spazio è distorto da una massa, ma è fuorviante per quel che riguarda i meccanismi fisici di queste distorsioni. Il modello ci spinge a considerazioni newtoniane tradizionali (la gravità che «tira»), mentre nella realtà dobbiamo riformulare la gravità in termini nuovi, di curvatura dello spazio. La membrana, poi, è bidimensionale. Anche se è difficile immaginarselo, nella realtà i corpi massicci incurvano tutto lo spazio tridimensionale attorno a loro. Nella figura 3.6 tentiamo di mostrare questo fatto in modo approssimato: in realtà tutto lo spazio attorno al Sole è deformato, e la figura non ne mostra che una piccola parte. Un corpo come la Terra viaggia nello spazio tridimensionale curvato dal Sole. Questo può sembrarvi strano: come fa la Terra a non sbattere contro il muro «verticale» della figura? Abbandoniamo l’idea della membrana: lo spazio non è una barriera solida. Le griglie disegnate in figura non sono che due fette sottili dello spazio in cui tutto è immerso ed è libero di muoversi. Forse questa risposta non vi fa sentire meglio: perché non riusciamo a sentire lo spazio? Ma in realtà lo sentiamo: ci accorgiamo della gravità, e lo spazio è il mezzo che trasmette la forza gravitazionale. Come ama ripetere il grande fisico John Wheeler, «la massa tiene in pugno lo spazio dicendogli come curvarsi, lo spazio tiene in pugno la massa dicendole come muoversi»8 . Un’altra debolezza dell’analogia è la soppressione del tempo. L’abbiamo fatto per amore di chiarezza, perché nonostante quello che ci dice la relatività ristretta sull’equivalenza tra le dimensioni spaziali e quella temporale, il tempo è molto più difficile da «vedere». Ma […] l’accelerazione – e dunque la gravità – curva sia lo spazio sia il tempo. (Anzi, le equazioni della relatività generale mostrano che nel caso di corpi relativamente lenti, come la Terra in orbita attorno al Sole, la curvatura temporale è molto più importante di quella spaziale). […] Con queste tre avvertenze assai importanti, che è bene tenere a mente, possiamo comunque tranquillamente pensare al modello della membrana di gomma come a un’accettabile rappresentazione intuitiva della teoria di Einstein.

Il conflitto è risolto. Einstein riuscí dunque a spiegare come funziona la gravità. Ci poniamo ora una domanda fondamentale: la riformulazione einsteiniana risolve le incompatibilità con la relatività ristretta che affliggono la teoria newtoniana? La risposta è affermativa. Ritorniamo al nostro modello della membrana di gomma. Immaginiamo di avere una pallina che rotola in linea retta sulla superficie, in assenza di altre palle. Nel momento in cui mettiamo la palla, questa azione influenza sì il moto della pallina, ma non istantaneamente: se filmassimo la sequenza degli eventi per rivedere il tutto al rallentatore ci accorgeremmo che la perturbazione provocata dalla massa grande si propaga come le increspature sulla superficie di un lago, per poi raggiungere la pallina dopo un certo tempo. Dopo qualche istante le oscillazioni transitorie legate a questa perturbazione cessano, e la membrana rimane incurvata e statica. Lo stesso accade nel cosmo. In assenza di masse lo spazio è piatto e un corpo di piccola massa può starsene felicemente fermo o viaggiare a velocità costante. Se un oggetto massiccio irrompe sulla scena lo spazio si altera, ma, come nel caso della membrana, la distorsione non è istantanea: si propagherà a partire dal nuovo corpo fino a stabilizzarsi in una curvatura spaziale che trasmette l’attrazione gravitazionale. Nel nostro modellino le increspature viaggiano a una certa velocità che dipende dal materiale di cui è fatta la membrana; nel caso generale, Einstein riuscí a calcolare che le perturbazioni si propagano esattamente alla velocità della luce. Quindi, ad esempio, nel caso dell’esplosione del Sole esaminato prima avremo che la Terra non si accorgerà istantaneamente del cambiamento. Invece, quando un corpo cambia posizione (o scompare) esso causa una distorsione dello spaziotempo che si propaga alla velocità della luce, non violando cosí il principio della massima velocità possibile: la Terra, dunque, sentirà la mancanza del Sole nel momento stesso in cui ne vedrà la prova della distruzione (circa otto minuti dopo l’esplosione). La formulazione di Einstein risolve il conflitto tra gravità e relatività ristretta: l’influsso gravitazionale sta al passo dei fotoni, ma non li supera.

Le prove sperimentali della relatività generale. Chi si accosta allo studio della relatività generale è soprattutto colpito dalla sua eleganza. Rimpiazzando la fredda e statica visione newtoniana con una descrizione geometrica e dinamica dello spaziotempo, Einstein è riuscito a rendere la gravità parte della trama dell’universo. La gravità, cioè, non viene imposta dall’alto come una sovrastruttura, ma è parte della struttura intima del cosmo. Insufflando la vita nello spaziotempo, rendendolo libero di piegarsi e incurvarsi, otteniamo quel fenomeno che chiamiamo comunemente gravità. Considerazioni estetiche a parte, una teoria fisica deve essere in grado di fare previsioni e di spiegare con precisione i fenomeni a cui si riferisce. La teoria newtoniana ha passato l’esame a pieni voti fino all’inizio del Novecento. Che la si applichi a mele cadute, palle lanciate da torri pendenti, comete orbitanti attorno al Sole o orbite planetarie, la gravitazione classica fornisce spiegazioni assai precise dei fenomeni e fa previsioni che sono state verificate innumerevoli volte in svariate situazioni. Se Einstein osò mettere in discussione questi trionfi sperimentali — l’abbiamo già detto più volte — fu per colpa dell’idea di trasmissione istantanea della forza, che cozzava contro la relatività ristretta. Cosí come gli effetti relativistici, seppur importantissimi per la nostra concezione del mondo, sono quasi inesistenti nella vita di tutti i giorni, lo stesso accade per le deviazioni tra la teoria einsteiniana e quella newtoniana. Questa è una buona e una cattiva notizia. È buona perché se una teoria ha l’ambizione di soppiantarne un’altra ben verificata sperimentalmente, è meglio che le si avvicini molto in tutte le situazioni in cui la vecchia ha già trionfato. Ma è anche cattiva, perché rende più difficile decidere sperimentalmente quale delle due sia giusta. Distinguere le previsioni di Newton da quelle di Einstein richiede misure estremamente precise ed esperimenti molto sensibili alle possibili discrepanze. Se calcoliamo la traiettoria di una pallina da tennis secondo le due teorie, i risultati saranno diversi, ma in modo cosí marginale che è impossibile verificare sperimentalmente chi ha ragione. Bisogna escogitare esperimenti più ingegnosi; Einstein ne propose uno. Le stelle si vedono solo di notte, ma ovviamente sono lì in cielo anche di giorno; non le distinguiamo solo perché la loro luce fioca e distante è travolta dalla potenza della radiazione solare. Durante un’eclisse di Sole, però, la Luna oscura temporaneamente la luce solare, e le stelle diventano visibili. La presenza della nostra stella ha comunque un effetto. La luce proveniente dalle stelle lontane deve passare vicino al Sole per raggiungerci; secondo la relatività generale la massa solare incurva lo spazio circostante, e questa distorsione avrà effetto sulla traiettoria della luce stellare. Dopo tutto, i fotoni viaggiano nello spaziotempo: se questo è curvato, il loro moto ne subirà le conseguenze come quello di un altro oggetto. La deviazione dei raggi stellari è apprezzabile nei casi in cui questi passano molto vicini al Sole nel loro cammino; un’eclisse ci rende in grado di osservare questi segnali luminosi senza che siano oscurati dalla luce diurna. L’angolo di deviazione della luce stellare si può misurare in questo modo. La deviazione provoca uno spostamento nella posizione apparente della stella; questa può essere confrontata con quella reale, determinata con osservazioni notturne (senza l’ingombrante presenza del Sole) fatte quando la Terra è in una certa posizione – circa sei mesi prima o dopo l’eclisse. Nel novembre 1915, Einstein utilizzò le equazioni della sua teoria per calcolare che l’angolo avrebbe dovuto essere di circa 0,00049 gradi (precisamente 1,75 arcosecondi, dove un arcosecondo è 1/3600 di grado). E un angolo molto piccolo, uguale a quello sotto cui vedremmo una moneta da cinquanta lire a tre chilometri di distanza. Ma la sua misurazione era comunque alla portata della tecnologia di allora. Sotto la spinta di Sir Frank Dyson, direttore dell’osservatorio di Greenwich, il noto astronomo Sir Arthur Eddington, segretario della Royal Astronomical Society, organizzò una spedizione sull’isola di Principe, al largo dell’Africa occidentale, per verificare la previsione di Einstein durante l’eclisse del 29 maggio 1919. Il 6 novembre dello stesso anno, dopo cinque mesi di analisi delle fotografie scattate a Principe durante l’eclisse (e di altre ottenute da un’altra spedizione inglese a Sobral, in Brasile, guidata da Charles Davidson e Andrew Crommelin), fu annunciato in una seduta congiunta della Royal Society e della Royal Astronomical Society che le previsioni di Einstein basate sulla relatività generale erano state confermate. La notizia di questo successo – che comportava una totale rivoluzione nella concezione di spazio e tempo – si sparse rapidamente ben oltre i confini della comunità scientifica. Il 7 novembre 1919 il «Times» di Londra titolò a tutta pagina: «Rivoluzione nella scienza – Una nuova teoria dell’universo – Rovesciate le idee di Newton»11. Einstein divenne una celebrità. Negli anni seguenti, l’operato di Eddington fu passato al setaccio. Molti tecnicismi e sofisticazioni rendevano l’esperimento difficile da replicare, e questo fece nascere qualche dubbio sull’affidabilità della misura. Comunque, negli ultimi quarant’anni ci si è potuti avvantaggiare dei miglioramenti tecnologici per confermare molti aspetti della relatività generale con grande precisione. L’idea einsteiniana di gravità è a giudizio universale compatibile con la relatività ristretta, e sappiamo che fornisce previsioni migliori di alcuni risultati sperimentali rispetto a quella newtoniana.

E’ noto che fattori ambientali, chimici e fisici, sono in grado di modulare alcune funzioni vitali dell’organismo. Durante il volo spaziale l’assenza dello stimolo gravitazionale, con il quale si sono sviluppati gli organismi sulla Terra, altera l’equilibrio dei processi fisiologici. Oltre alla gravità vi sono tuttavia altri importanti fattori che devono essere necessariamente considerati e tra questi le radiazioni cosmiche assumono un ruolo di grande rilievo anche e soprattutto in considerazione dei programmi di esplorazione umana dello Spazio. Lo stress psico-fisico inoltre è potenzialmente responsabile di modificazioni endocrine che possono alterare l’attività cellulare. In tutti gli organismi lo scambio di informazioni tra cellule modula la loro funzione. Negli organismi multicellulari questa situazione è particolarmente complessa a causa dei diversi tipi cellulari e delle loro reciproche interazioni. Per questo motivo, sperimentalmente, si tende a considerare un singolo tipo cellulare come modello rappresentativo per lo studio dei meccanismi coinvolti nei processi vitali. Questo approccio può essere più adeguato per comprendere le varie componenti in gioco. L’uso di colture cellulari che simulano un tessuto o un organo semplifica la comprensione dei processi fisiologici e/o patologici indotti dall’ambiente spaziale negli esseri viventi. La Biologia Spaziale non solo cerca di aiutare ad acquisire nuove conoscenze sulla funzionalità dell’essere vivente e sulla nostra capacità di vivere e lavorare nello Spazio ma esplora anche questioni fondamentali sul ruolo della gravità nel processo di formazione, evoluzione, sviluppo e invecchiamento della vita sulla Terra. La Biologia Spaziale ha dunque l’obiettivo di utilizzare questo ambiente quale strumento per la comprensione dell’influenza della gravità nei processi biologici fondamentali focalizzando l’attenzione su cellule e su piccoli organismi, animali e vegetali. La Medicina Spaziale guarda invece all’uomo, alle modificazioni fisiologiche che si riscontrano nel volo spaziale e allo sviluppo di possibili mezzi atti a contrastarle.

Perché inviare cellule, animali e piante nello Spazio? La finalità dell’esplorazione umana dello Spazio è quella, come accennato nel relativo capitolo, di rendere possibile il raggiungimento di altri mondi e l’eventuale realizzazione di insediamenti umani. Questo presuppone la comprensione delle modificazioni che avvengono a carico dell’essere umano, o meglio dell’organismo vivente, e di come questo possa adattarsi a un ambiente diverso da quello da cui proveniamo. La sperimentazione nello Spazio è particolarmente complicata, dispendiosa e limitata non solo dalle condizioni ambientali ma anche dagli spazi a disposizione, dal numero degli operatori da impiegare (astronauti/cosmonauti), dalla strumentazione disponibile, dalle opportunità di volo e così via. Analogamente a quanto avviene sulla Terra gli esperimenti vengono effettuati sull’essere umano e sull’animale da laboratorio (ove possibile), su piante e su cellule sia di origine animale che vegetale. Nello Spazio l’uso delle cellule o di piccoli organismi rende la sperimentazione relativamente più semplice consentendo la ripetibilità, la comparazione con i controlli a terra e lo sviluppo di strumentazione di bordo meno ingombrante e spesso automatica e indipendente, almeno parzialmente, dall’intervento dell’uomo. Questo consente di ottimizzare il “tempo astronauta” particolarmente prezioso a bordo di un veicolo spaziale dove poche persone devono svolgere un’infinità di attività diversificate e complesse.

Come sperimentare La sperimentazione nei campi della Biologia e Biomedicina Spaziale è stata possibile grazie all’utilizzo di diversi vettori e piattaforme spaziali, dai razzi sonda allo Space Shuttle, alle stazioni orbitanti MIR e ISS. La sperimentazione biologica viene effettuata anche in studi in simulazione a Terra utilizzando, come riportato in altro paragrafo (Ambiente Spaziale, Gravità) il clinostato e/o la Random Positioning Machine. Inizialmente lo scopo era quello di comprendere quali fossero i limiti degli organismi viventi nello Spazio e di valutare in particolare gli effetti della microgravità e delle radiazioni cosmiche sul corpo umano. Nel corso degli ultimi due decenni, il crescente interesse per la Biologia Spaziale ha permesso di comprendere meglio alcune patologie umane simili a quelle riscontrate durante il volo spaziale, ma straordinariamente accelerate da questo ambiente (ad esempio l’invecchiamento, l’osteoporosi, l’atrofia muscolare e le patologie degenerative). L’obiettivo di questi studi è quindi la comprensione di quei meccanismi cellulari e molecolari difficilmente analizzabili sulla Terra a causa della presenza della gravità. Ad esempio, è stato possibile studiare nello Spazio la motilità dei linfociti T, cellule del sangue di importanza fondamentale per il buon funzionamento del nostro sistema immunitario. La motilità di tali cellule non è valutabile a terra in quanto in vivo (cioè nell’animale o nell’uomo vivo) i loro movimenti nel sangue sono dovuti alla chemiotassi (movimento guidato dalla concentrazione di sostanze chimiche fisiologiche), mentre in vitro (cioè in provetta o fiasca di laboratorio) il loro movimento è dovuto alla forza di gravità che li fa sedimentare. In assenza di gravità è stato invece possibile osservare che i linfociti umani coltivati in vitro pulsano, ruotano su se stessi e compiono movimenti lineari con una discreta velocità indipendentemente, quindi, sia dalla forza di gravità terrestre che dalla chemiotassi. Come accennato gli effetti a carico dell’uomo sono molteplici ma i più evidenti e rapidi sono legati a modificazioni del sistema muscoloscheletrico, neurovestibolare e immunitario. Non a caso tra i modelli cellulari maggiormente utilizzati insieme alle cellule dell’osso, del muscolo e del sistema nervoso, sono da citare sicuramente alcune cellule primarie isolate dal sangue come i T linfociti ed i monociti. Ciò è dovuto alla possibilità di coltivare in vitro tali cellule ed al fatto che uno degli effetti più critici della microgravità sull’organismo umano è il drastico indebolimento del sistema immunitario che diventa sempre più pigro con l’aumentare del tempo di permanenza nello Spazio. L’indebolimento del sistema immunitario è ovviamente un elemento critico poiché rende l’essere vivente più esposto alle malattie. Da qui la necessità di capire, ad esempio, come la microgravità rallenti la proliferazione dei T linfociti.

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