Una tuta spaziale è un indumento pressurizzato indossato dagli astronauti durante i voli spaziali. È progettato per proteggerli dalle condizioni potenzialmente dannose sperimentate nello spazio. Le tute spaziali sono anche conosciute come Unità di Mobilità Extraveicolare (EMU) per riflettere il fatto che sono anche utilizzate come ausili per la mobilità quando un astronauta fa una passeggiata nello spazio fuori da un veicolo spaziale orbitante. Sono composte da numerosi componenti fatti su misura che sono prodotti da una varietà di produttori e assemblati dall’Agenzia Spaziale Nazionale Aeronautica (NASA) nella loro sede di Houston. Le prime tute spaziali furono introdotte negli anni ’50, quando iniziò l’esplorazione dello spazio. Si sono evolute nel tempo diventando più funzionali e complicate. Oggi la NASA ha 17 EMU completate, ognuna delle quali è costata oltre 10,4 milioni di dollari.

Background

Sulla Terra, la nostra atmosfera ci fornisce le condizioni ambientali di cui abbiamo bisogno per sopravvivere. Diamo per scontate le cose che fornisce, come l’aria per respirare, la protezione dalle radiazioni solari, la regolazione della temperatura e la pressione costante. Nello spazio, nessuna di queste caratteristiche protettive è presente. Per esempio, un ambiente senza pressione costante non contiene ossigeno respirabile. Inoltre, la temperatura nello spazio è fredda come -459,4° F (-273° C). Affinché gli esseri umani possano sopravvivere nello spazio, è stato necessario sintetizzare queste condizioni protettive.

Una tuta spaziale è progettata per ricreare le condizioni ambientali dell’atmosfera terrestre. Fornisce le necessità di base per il supporto vitale come l’ossigeno, il controllo della temperatura, l’involucro pressurizzato, la rimozione dell’anidride carbonica e la protezione dalla luce del sole, dalle radiazioni solari e dai piccoli micrometeoriti. È un sistema di supporto vitale per gli astronauti che lavorano fuori dall’atmosfera terrestre. Le tute spaziali sono state utilizzate per molti compiti importanti nello spazio. Questi includono l’aiuto nel dispiegamento del carico utile, il recupero e la manutenzione dell’equipaggiamento orbitante, l’ispezione esterna e la riparazione dell’orbiter, e lo scatto di fotografie straordinarie.

Storia

Le tute spaziali si sono evolute naturalmente man mano che i miglioramenti tecnologici sono stati fatti in aree di materiali, elettronica e fibre. Durante i primi anni del programma spaziale, le tute spaziali erano fatte su misura per ogni astronauta. Erano molto meno complesse delle tute di oggi. Infatti, la tuta indossata da Alan Shepard sul primo suborbitale statunitense era poco più di una tuta a pressione adattata dalla tuta a pressione per aerei a reazione d’alta quota della marina statunitense. Questa tuta aveva solo due strati ed era difficile per il pilota muovere le braccia o le gambe.

La tuta spaziale di prossima generazione fu progettata per proteggere dalla depressurizzazione mentre gli astronauti erano in un veicolo spaziale orbitante. Tuttavia, le passeggiate nello spazio in queste tute non erano possibili perché non proteggevano dal duro ambiente dello spazio. Queste tute erano composte da cinque strati. Lo strato più vicino al corpo era una biancheria di cotone bianco che aveva attacchi per dispositivi biomedici. Lo strato successivo era uno strato di nylon blu che forniva comfort. Sopra lo strato di nylon blu c’era uno strato di nylon pressurizzato, nero, rivestito di neoprene. Questo forniva ossigeno nel caso in cui la pressione della cabina venisse a mancare. Uno strato di teflon era successivo per mantenere la forma della tuta quando era pressurizzata, e lo strato finale era un materiale di nylon bianco che rifletteva la luce del sole e proteggeva dai danni accidentali.

Per le prime passeggiate nello spazio, avvenute durante le missioni Gemini nel 1965, fu usata una tuta a sette strati per una protezione extra. Gli strati extra erano composti da Mylar alluminato, che forniva maggiore protezione termica e protezione dai micrometeoriti. Queste tute avevano un peso totale di 33 lb (15 kg). Anche se erano adeguate, c’erano alcuni problemi associati ad esse. Per esempio, la maschera sul casco si appannava rapidamente e la visione era ostacolata. Inoltre, il sistema di raffreddamento del gas non era adeguato perché non poteva rimuovere il calore eccessivo e l’umidità abbastanza rapidamente.

Sally Ride

Sally Ride è meglio conosciuta come la prima donna americana inviata nello spazio. Scienziata e professoressa, è stata borsista presso il Centro per la sicurezza internazionale e il controllo degli armamenti dell’Università di Stanford, membro del consiglio di amministrazione della Apple Computer Inc. e direttore dell’Istituto spaziale e professore di fisica all’Università della California a San Diego. Ride ha scelto di scrivere principalmente per bambini sui viaggi e l’esplorazione dello spazio.

Sally Kristen Ride è la figlia maggiore di Dale Burdell e Carol Joyce (Anderson) Ride di Encino, California, ed è nata il 26 maggio 1951. Come l’autrice Karen O’Connor descrive il maschiaccio Ride nel suo libro per giovani lettori, Sally Ride and the New Astronauts, Sally avrebbe gareggiato con suo padre per la sezione sportiva del giornale quando aveva solo cinque anni. Una famiglia attiva, avventurosa, ma anche studiosa, i Ride viaggiarono in Europa per un anno quando Sally aveva nove anni e sua sorella Karen sette. Mentre Karen era ispirata a diventare un ministro, nello spirito dei suoi genitori, che erano anziani nella loro chiesa presbiteriana, il gusto di Ride per l’esplorazione l’avrebbe portata a fare domanda per il programma spaziale quasi per capriccio. “Non so perché volevo farlo”, ha confessato a Newsweek prima di imbarcarsi nel suo primo volo spaziale.

L’opportunità fu serendipitosa, poiché l’anno in cui iniziò a cercare lavoro segnò la prima volta che la NASA aveva aperto il suo programma spaziale ai candidati dalla fine degli anni ’60, e la prima volta in cui le donne non sarebbero state escluse dalla considerazione. Ride divenne una delle trentacinque prescelte da un campo originario di ottomila candidati per l’addestramento al volo spaziale del 1978. “Perché fui selezionata rimane un completo mistero”, ammise in seguito a John Grossmann in un’intervista del 1985 su Health. “A nessuno di noi è mai stato detto”.

Ride sarebbe successivamente diventata, a trentuno anni, la persona più giovane inviata in orbita, nonché la prima donna americana nello spazio, la prima donna americana a fare due voli spaziali e, per coincidenza, il primo astronauta a sposare un altro astronauta in servizio attivo.

Ride lasciò la NASA nel 1987 per il Centro per la sicurezza internazionale e il controllo degli armamenti di Stanford, e due anni dopo divenne direttore del California Space Institute e professore di fisica all’Università della California a San Diego.

Le missioni Apollo hanno utilizzato tute più complicate che hanno risolto alcuni di questi problemi. Per le passeggiate sulla luna, gli astronauti indossavano un indumento a sette strati con uno zaino di supporto vitale. Il peso totale era di circa 57 lb (26 kg). Per le missioni dello Space Shuttle, la NASA introdusse la Extravehicular Mobility Unit (EMU). Si trattava di una tuta spaziale progettata per le passeggiate nello spazio che non richiedeva un collegamento all’orbiter. Una differenza primaria in queste tute era che erano progettate per l’uso da parte di più astronauti invece di essere fatte su misura come le tute spaziali precedenti. Nel corso degli ultimi 20 anni, le EMU hanno subito costanti miglioramenti, ma hanno ancora lo stesso aspetto di quando il programma shuttle è iniziato nel 1981. Attualmente, l’EMU ha 14 strati di protezione e pesa oltre 275 lb (125 kg).

Materie prime

Numerose materie prime sono utilizzate per la costruzione di una tuta spaziale. I materiali del tessuto includono una varietà di diversi polimeri sintetici. Lo strato più interno è costituito da un materiale tricot di nylon. Un altro strato è composto da spandex, un polimero elastico da indossare. C’è anche uno strato di nylon rivestito di uretano, che è coinvolto nella pressurizzazione. Il dacron, un tipo di poliestere, è usato per uno strato di contenimento della pressione. Altri tessuti sintetici utilizzati sono il Neoprene, che è un tipo di gomma spugna, Mylar alluminato, Gortex, Kevlar e Nomex.

Oltre alle fibre sintetiche, altre materie prime hanno ruoli importanti. La fibra di vetro è il materiale principale per il segmento duro del torso superiore. L’idrossido di litio è usato per fare il filtro che rimuove l’anidride carbonica e il vapore acqueo durante una passeggiata nello spazio. Una miscela di zinco e argento comprende la batteria che alimenta la tuta. Un tubo di plastica è intessuto nel tessuto per trasportare l’acqua di raffreddamento in tutta la tuta. Un materiale in policarbonato è usato per costruire il guscio del casco. Vari altri componenti sono usati per formare i circuiti elettronici e i controlli della tuta.

Design

Una singola tuta spaziale EMU è costruita con vari componenti su misura prodotti da oltre 80 aziende. Le dimensioni delle parti variano da rondelle da un ottavo di pollice a un serbatoio d’acqua lungo 30 pollici (76,2 cm). L’EMU consiste di 18 elementi separati. Alcuni dei componenti principali sono delineati di seguito.

Il sistema primario di supporto vitale è uno zaino autonomo che è dotato di una fornitura di ossigeno, filtri per la rimozione dell’anidride carbonica, energia elettrica, ventilatore e apparecchiature di comunicazione. Fornisce all’astronauta la maggior parte delle cose necessarie per sopravvivere, come ossigeno, purificazione dell’aria, controllo della temperatura e comunicazione. Il serbatoio della tuta può contenere fino a sette ore di ossigeno. Sulla tuta si trova anche un pacchetto secondario di ossigeno. Questo fornisce altri 30 minuti di ossigeno di emergenza.

Il casco è una grande bolla di plastica pressurizzata che ha un anello per il collo e un cuscinetto di distribuzione della ventilazione. Ha anche una valvola di spurgo, che viene utilizzata con un pacchetto di ossigeno secondario. Nel casco, c’è una cannuccia per un sacchetto di bevande nel caso in cui l’astronauta abbia sete, una visiera che scherma i raggi del sole brillante, e una telecamera che registra le attività extra veicolari. Poiché le passeggiate nello spazio possono durare più di sette ore alla volta, la tuta è dotata di un sistema di raccolta delle urine per consentire le pause bagno. Il gruppo MSOR si attacca all’esterno del casco. Questo dispositivo (noto anche come “Snoopy Cap”) si aggancia con un cinturino sul mento. Consiste in cuffie e un microfono per la comunicazione bidirezionale. Ha anche quattro piccole “lampade per la testa” che brillano di luce extra dove necessario. La visiera è regolata manualmente per schermare gli occhi dell’astronauta.

Per mantenere la temperatura, un indumento di raffreddamento e ventilazione a liquido è indossato sotto l’indumento esterno. È composto da tubi di raffreddamento, che hanno un fluido che scorre attraverso di essi. L’indumento intimo è una tuta monopezzo a rete composta da spandex. Ha una cerniera per consentire l’ingresso frontale. Ha più di 300 piedi di tubi di plastica intrecciati all’interno dei quali circola acqua fresca. Normalmente, l’acqua circolante è mantenuta a 40-50° F (4,4-9,9° C). La temperatura è controllata da una valvola sul pannello di controllo del display. L’indumento inferiore pesa 8,4 lb (3,8 kg) quando è carico d’acqua.

L’insieme del torso inferiore è composto da pantaloni, stivali, “unità slip, articolazioni del ginocchio e della caviglia e la connessione alla vita. È composto da una vescica a pressione di nylon rivestita di uretano. Uno strato di contenimento di Dacron e un indumento termico esterno composto da nylon rivestito di Neoprene. Ha anche cinque strati di Mylar alluminizzato e uno strato superficiale di tessuto composto da Teflon, Kevlar e Nomex. Questa parte della tuta può essere resa più corta o più lunga regolando gli anelli di regolazione nella sezione della coscia e della gamba. Gli stivali hanno una punta isolata per migliorare la ritenzione del calore. Si indossano anche calzini termici. Anche il dispositivo di stoccaggio dell’urina si trova in questa sezione della tuta. I vecchi modelli potevano contenere fino a 950 millilitri di liquido. Attualmente, viene utilizzato un indumento usa e getta tipo pannolino.

Il gruppo delle braccia è regolabile proprio come il gruppo del torso inferiore. I guanti contengono

scaldatori miniaturizzati a batteria in ogni dito. Il resto dell’unità è coperto da un’imbottitura e da un ulteriore strato esterno protettivo.

Il duro torso superiore è costruito con fibra di vetro e metallo. È dove la maggior parte dei pezzi della tuta si attaccano, compreso il casco, le braccia, il display del sistema di supporto vitale, il modulo di controllo e la parte inferiore del torso. Include bottiglie di ossigeno, serbatoi di stoccaggio dell’acqua, un sublimatore, una cartuccia di controllo dei contaminanti, regolatori, sensori, valvole e un sistema di comunicazione. Ossigeno, anidride carbonica e vapore acqueo lasciano la tuta attraverso l’indumento di ventilazione vicino ai piedi e ai gomiti dell’astronauta. Un sacchetto per le bevande nella parte superiore del torso può contenere fino a 32 once (907,2 g) di acqua. L’astronauta può bere attraverso il boccaglio che si estende nel casco.

Il modulo di controllo montato sul petto permette all’astronauta di monitorare lo stato della tuta e di collegarsi a fonti esterne di fluidi ed elettricità. Contiene tutti i controlli di funzionamento meccanici ed elettrici e anche un pannello di visualizzazione. Per alimentare la tuta viene utilizzata una batteria ricaricabile allo zinco argentato che funziona a 17 volt. Questo modulo di controllo è integrato con il sistema di allarme che si trova nel torso rigido superiore per garantire che l’astronauta conosca lo stato dell’ambiente della tuta. La tuta si collega all’orbiter attraverso una linea ombelicale. Viene scollegata prima di lasciare la camera di equilibrio.

La tuta bianca pesa circa 275 lb (124,8 kg) sulla terra e ha una durata di circa 15 anni. È pressurizzata a 4,3 lb (1,95 kg) per pollice quadrato e può essere ricaricata collegandosi direttamente all’orbiter. L’esistente

Il sistema primario di supporto vitale è uno zaino autonomo che è dotato di una fornitura di ossigeno, filtri per la rimozione del biossido di carbonio, energia elettrica, ventilatore e apparecchiature di comunicazione.

Le tute spaziali sono modulari in modo da poter essere condivise da più astronauti. Le quattro sezioni di base intercambiabili includono il casco, il torso superiore rigido, le braccia e il gruppo del torso inferiore. Queste parti sono regolabili e possono essere ridimensionate per adattarsi a più del 95% di tutti gli astronauti. Ogni set di braccia e gambe è disponibile in diverse misure che possono essere messe a punto per adattarsi all’astronauta specifico. Le braccia permettono una regolazione fino a un pollice. Le gambe permettono una regolazione fino a tre pollici.

Ci vogliono circa 15 minuti per indossare la tuta spaziale. Per indossare la tuta spaziale, l’astronauta indossa prima l’indumento inferiore che contiene il sistema di raffreddamento e ventilazione a liquido. Il gruppo torso inferiore viene messo dopo, con gli stivali attaccati. Successivamente, l’astronauta scivola nell’unità torso superiore che è montata con lo zaino di supporto vitale su un connettore speciale nella camera di compensazione. Gli anelli di scarico sono collegati e poi si indossano i guanti e il casco.

Il processo di fabbricazione

La fabbricazione di una tuta spaziale è un processo complicato. Può essere suddiviso in due fasi di produzione. Prima vengono costruiti i singoli componenti. Poi le parti vengono riunite in un luogo di produzione primario, come la sede della NASA a Houston, e assemblate. Il processo generale è delineato come segue.

Assemblaggio del casco e della visiera

• 1 Il casco e la visiera possono essere costruiti utilizzando tecniche tradizionali di soffiaggio.
  

  Una EMU è fatta di 14 strati protettivi. I materiali del tessuto includono una varietà di diversi polimeri sintetici. Lo strato più interno è un materiale tricot di nylon. Un altro strato è composto da spandex, un polimero elastico da indossare. C’è anche uno strato di nylon rivestito di uretano, che è coinvolto nella pressurizzazione. Il dacron, un tipo di poliestere, è usato per uno strato di contenimento della pressione. Altri tessuti sintetici utilizzati sono il neoprene, che è un tipo di gomma spugna, Mylar alluminato, Gortex, Kevlar e Nomex.

  Pellet di policarbonato vengono caricati in una macchina per lo stampaggio a iniezione. Sono fusi e forzati in una cavità che ha la dimensione e la forma approssimativa del casco. Quando la cavità viene aperta, viene costruito il pezzo principale del casco. Un dispositivo di connessione viene aggiunto all’estremità aperta in modo che il casco possa essere fissato alla parte superiore dura del torso. Il cuscinetto di distribuzione della ventilazione viene aggiunto insieme alle valvole di spurgo prima che il casco venga imballato e spedito. Il gruppo visiera è analogamente dotato di “lampade per la testa” e di apparecchiature di comunicazione.

Sistemi di supporto vitale

• 2 I sistemi di supporto vitale sono messi insieme in un certo numero di passi. Tutti i pezzi sono montati sull’alloggiamento esterno dello zaino. Per prima cosa, i serbatoi di ossigeno pressurizzato vengono riempiti, tappati e messi nell’alloggiamento. L’attrezzatura per la rimozione dell’anidride carbonica viene montata. Questo comporta tipicamente un filtro che viene riempito con idrossido di litio che viene attaccato ad un tubo. Lo zaino è poi dotato di un sistema di ventilazione, di alimentazione elettrica, di una radio, di un sistema di allarme e dell’attrezzatura di raffreddamento ad acqua. Quando è completamente assemblato, il sistema di supporto vitale può essere attaccato direttamente al tronco superiore duro.

Modulo di controllo

• 3 I componenti chiave del modulo di controllo sono costruiti in unità separate e poi assemblati. Questo approccio modulare permette alle parti chiave di essere facilmente revisionate se necessario. Il modulo di controllo montato sul petto contiene tutti i controlli elettronici, un display digitale e altre interfacce elettroniche. La valvola di spurgo primaria è anche aggiunta a questa parte.

Indumento di raffreddamento

• 4 L’indumento di raffreddamento è indossato all’interno degli strati di pressione. È fatto di una combinazione di nylon, fibre di spandex e tubi di raffreddamento liquido. Il tricot di nylon viene prima tagliato in una forma simile alla biancheria intima. Nel frattempo, le fibre di spandex sono tessute in un foglio di tessuto e tagliate nella stessa forma. Lo spandex è poi dotato di una serie di tubi di raffreddamento e poi cucito insieme allo strato di nylon. Una cerniera frontale è poi attaccata così come i connettori per il fissaggio al sistema di supporto vitale.

Torso superiore e inferiore

• 5 Il torso inferiore, il gruppo delle braccia e i guanti sono fatti in modo simile. I vari strati di fibre sintetiche sono tessuti insieme e poi tagliati nella forma appropriata. Gli anelli di connessione sono attaccati alle estremità e i vari segmenti sono fissati. I guanti sono dotati di riscaldatori in miniatura in ogni dito e coperti da un’imbottitura isolante.
• 6 Il duro torso superiore è forgiato usando una combinazione di fibra di vetro e metallo. Ha quattro aperture dove il gruppo torso inferiore, le due braccia e il casco si attaccano. Inoltre, sono stati aggiunti degli adattatori dove il pacchetto di supporto vitale e il modulo di controllo possono essere attaccati.

Assemblaggio finale

• 7 Tutte le parti vengono spedite alla NASA per essere assemblate. Questo viene fatto a terra dove la tuta può essere testata prima dell’uso nello spazio.

Controllo qualità

I singoli fornitori conducono test di controllo qualità in ogni fase del processo di produzione. Questo assicura che ogni parte è fatta secondo standard esigenti e funzionerà nell’ambiente estremo dello spazio. La NASA conduce anche test approfonditi sulla tuta completamente assemblata. Controllano cose come perdite d’aria, depressurizzazione o sistemi di supporto vitale non funzionanti. Il test di controllo della qualità è cruciale perché un singolo malfunzionamento potrebbe avere conseguenze disastrose per un astronauta.

Il futuro

L’attuale design delle EMU è il risultato di molti anni di ricerca e sviluppo. Mentre sono un potente strumento per le operazioni orbitali, molti miglioramenti sono possibili. È stato suggerito che la tuta spaziale del futuro potrebbe apparire drammaticamente diversa da quella attuale. Un’area che può essere migliorata è lo sviluppo di tute che possono operare a pressioni più elevate rispetto all’attuale EMU. Questo avrebbe il vantaggio di ridurre il tempo attualmente richiesto per la preaspirazione prima di una passeggiata nello spazio. Per realizzare tute a pressioni più elevate si dovranno apportare miglioramenti nei giunti di collegamento di ogni parte della tuta. Un altro miglioramento può essere nel ridimensionamento della tuta in orbita. Attualmente, ci vuole una notevole quantità di tempo per rimuovere o aggiungere inserti estensibili nelle zone delle gambe e delle braccia. Un altro possibile miglioramento è nei controlli elettronici della tuta. Ciò che ora richiede complessi codici di comando, in futuro sarà fatto con la pressione di un solo pulsante.