Een ruimtepak is een onder druk gezet kledingstuk dat door astronauten tijdens ruimtevluchten wordt gedragen. Het is ontworpen om hen te beschermen tegen de mogelijk schadelijke omstandigheden in de ruimte. Ruimtepakken worden ook wel Extravehicular Mobility Units (EMU’s) genoemd om aan te geven dat ze ook worden gebruikt als mobiliteitshulpmiddel wanneer een astronaut een ruimtewandeling maakt buiten een ruimtevaartuig in een baan om de aarde. Zij bestaan uit talrijke op maat gemaakte componenten die door diverse fabrikanten worden vervaardigd en door de National Aeronautics Space Agency (NASA) in hun hoofdkwartier in Houston worden geassembleerd. De eerste ruimtepakken werden geïntroduceerd in de jaren 1950 toen de verkenning van de ruimte begon. Ze zijn in de loop der tijd steeds functioneler en gecompliceerder geworden. Vandaag heeft de NASA 17 voltooide EMU’s, die elk meer dan $10,4 miljoen kostten om te maken.

Achtergrond

Op aarde voorziet onze atmosfeer ons van de milieu-omstandigheden die we nodig hebben om te overleven. Wij beschouwen dat als vanzelfsprekend, zoals lucht om te ademen, bescherming tegen zonnestraling, temperatuurregeling en constante druk. In de ruimte zijn geen van deze beschermende eigenschappen aanwezig. Een omgeving zonder constante druk bevat bijvoorbeeld geen zuurstof om in te ademen. Ook is de temperatuur in de ruimte zo koud als -459,4° F (-273° C). Om mensen in de ruimte te laten overleven, moesten deze beschermende omstandigheden worden gesynthetiseerd.

Een ruimtepak is ontworpen om de omgevingsomstandigheden van de aardatmosfeer na te bootsen. Het voorziet in de basisbehoeften voor levensonderhoud, zoals zuurstof, temperatuurregeling, behuizing onder druk, kooldioxideverwijdering, en bescherming tegen zonlicht, zonnestraling en kleine micrometeoroïden. Het is een levensondersteunend systeem voor astronauten die buiten de dampkring van de aarde werken. Ruimtepakken zijn gebruikt voor vele belangrijke taken in de ruimte. Deze omvatten het helpen bij het uitwerpen van nuttige lading, het terughalen en onderhouden van apparatuur in een baan om de aarde, externe inspectie en reparatie van de orbiter, en het maken van verbluffende foto’s.

Geschiedenis

Ruimtepakken zijn op natuurlijke wijze geëvolueerd naarmate technologische verbeteringen werden aangebracht op het gebied van materialen, elektronica en vezels. In de beginjaren van het ruimtevaartprogramma werden de ruimtepakken voor elke astronaut op maat gemaakt. Deze waren veel minder complex dan de pakken van vandaag. Het pak dat Alan Shepard droeg tijdens de eerste suborbitale vlucht van de V.S. was in feite niet veel meer dan een drukpak dat was aangepast aan het drukpak van het straalvliegtuig van de Amerikaanse marine op grote hoogte. Dit pak had slechts twee lagen en het was moeilijk voor de piloot om zijn armen of benen te bewegen.

De volgende generatie ruimtepakken was ontworpen om bescherming te bieden tegen drukverlaging terwijl de astronauten zich in een ruimteschip in een baan om de aarde bevonden. Ruimtewandelingen in deze pakken waren echter niet mogelijk omdat ze geen bescherming boden tegen de barre omgeving van de ruimte. Deze pakken bestonden uit vijf lagen. De laag die zich het dichtst bij het lichaam bevond was een wit katoenen ondergoed dat was voorzien van bevestigingspunten voor biomedische apparatuur. Een blauwe nylonlaag die comfort bood was de volgende. Bovenop de blauwe nylonlaag zat een onder druk staande, zwarte, met neopreen beklede nylonlaag. Deze voorzag in zuurstof voor het geval de cabinedruk wegviel. Een teflonlaag was de volgende om de vorm van het pak te behouden wanneer het onder druk stond, en de laatste laag was een wit nylonmateriaal dat zonlicht weerkaatste en beschermde tegen toevallige schade.

Voor de eerste ruimtewandelingen die plaatsvonden tijdens de Gemini missies in 1965, werd een zeven lagen pak gebruikt voor extra bescherming. De extra lagen waren samengesteld uit gealuminiseerd Mylar, dat meer thermische bescherming bood en bescherming tegen micrometeoroïden. Deze pakken hadden een totaalgewicht van 15 kg. Hoewel ze voldeden, waren er bepaalde problemen mee verbonden. Bijvoorbeeld, het gezichtsmasker op de helm besloeg snel zodat het zicht belemmerd werd. Ook was het gaskoelsysteem niet adequaat omdat het overmatige warmte en vocht niet snel genoeg kon verwijderen.

Sally Ride

Sally Ride is vooral bekend als de eerste Amerikaanse vrouw die naar de ruimte werd gestuurd. Ze is zowel wetenschapper als professor en heeft gediend als fellow aan het Stanford University Center for International Security and Arms Control, lid van de raad van bestuur van Apple Computer Inc, en directeur van het ruimte-instituut en professor natuurkunde aan de Universiteit van Californië in San Diego. Ride heeft ervoor gekozen om voornamelijk voor kinderen te schrijven over ruimtevaart en ruimteverkenning.

Sally Kristen Ride is de oudste dochter van Dale Burdell en Carol Joyce (Anderson) Ride uit Encino, Californië, en werd geboren op 26 mei 1951. Zoals auteur Karen O’Connor tomboy Ride beschrijft in haar jonge lezersboek, Sally Ride and the New Astronauts, zou Sally tegen haar vader racen voor het sportkatern van de krant toen ze slechts vijf jaar oud was. Een actieve, avontuurlijke, maar ook geleerde familie, de Rides reisden door Europa voor een jaar toen Sally negen was en haar zus Karen zeven. Terwijl Karen geïnspireerd werd om dominee te worden, in de geest van haar ouders, die ouderlingen waren in hun Presbyteriaanse kerk, zou Rides eigen ontwikkelende smaak voor exploratie haar er uiteindelijk toe brengen om zich bijna in een opwelling aan te melden voor het ruimteprogramma. “Ik weet niet waarom ik het wilde doen,” bekende ze aan Newsweek voorafgaand aan het begin van haar eerste ruimtevlucht.

De kans was serendipitous, omdat het jaar dat ze begon met job-hunting de eerste keer was dat NASA zijn ruimteprogramma had opengesteld voor kandidaten sinds de late jaren zestig, en de allereerste keer dat vrouwen niet zouden worden uitgesloten van de overweging. Ride werd een van de vijfendertig geselecteerden uit een oorspronkelijk veld van achtduizend kandidaten voor de ruimtevaartopleiding van 1978. “Waarom ik werd geselecteerd blijft een compleet mysterie,” gaf ze later toe aan John Grossmann in een interview in 1985 in Health. “Niemand van ons heeft het ooit te horen gekregen.”

Ride zou vervolgens, op haar eenendertigste, de jongste persoon worden die in een baan om de aarde werd gestuurd, evenals de eerste Amerikaanse vrouw in de ruimte, de eerste Amerikaanse vrouw die twee ruimtevluchten maakte, en, toevallig, de eerste astronaut die trouwde met een andere astronaut in actieve dienst.

Ride verliet NASA in 1987 voor Stanford’s Center for International Security and Arms Control, en twee jaar later werd ze directeur van het California Space Institute en natuurkundeprofessor aan de University of California in San Diego.

De Apollo-missies maakten gebruik van meer gecompliceerde pakken die sommige van deze problemen oplosten. Voor maanwandelingen droegen de astronauten een zevenlaags kledingstuk met een levensondersteunende rugzak. Het totale gewicht was ongeveer 26 kg. Voor de Space Shuttle-missies introduceerde de NASA de Extravehicular Mobility Unit (EMU). Dit was een ruimtepak ontworpen voor ruimtewandelingen waarvoor geen verbinding met de orbiter nodig was. Een belangrijk verschil in deze pakken was dat ze werden ontworpen voor meervoudig gebruik door astronauten in plaats van op maat te worden gemaakt zoals de vorige ruimtepakken. In de afgelopen 20 jaar hebben de EMU’s gestage verbeteringen ondergaan, maar ze zien er nog steeds hetzelfde uit als toen het shuttleprogramma in 1981 begon. Momenteel heeft de EMU 14 lagen van bescherming en weegt meer dan 275 lb (125 kg).

Grondstoffen

Voor de vervaardiging van een ruimtepak worden tal van grondstoffen gebruikt. De stoffen omvatten een verscheidenheid van verschillende synthetische polymeren. De binnenste laag bestaat uit een Nylon tricot materiaal. Een andere laag is samengesteld uit spandex, een elastisch slijtbaar polymeer. Er is ook een laag nylon met urethaancoating, die betrokken is bij het onder druk brengen. Dacron – een soort polyester – wordt gebruikt voor een drukverlagende laag. Andere gebruikte synthetische weefsels zijn neopreen, een soort sponsrubber, gealuminiseerd Mylar, Gortex, Kevlar en Nomex.

Naast synthetische vezels spelen andere grondstoffen een belangrijke rol. Glasvezel is het primaire materiaal voor het harde bovenlichaamssegment. Lithiumhydroxide wordt gebruikt bij het maken van het filter dat kooldioxide en waterdamp verwijdert tijdens een ruimtewandeling. Een mengsel van zilver en zink vormt de batterij die het pak van energie voorziet. Plastic buizen zijn in het weefsel geweven om koelwater door het pak te transporteren. Een materiaal van polycarbonaat wordt gebruikt voor de constructie van de helmschaal. Diverse andere componenten worden gebruikt om het elektronische schakelschema en de pakcontroles te vormen.

Ontwerp

Een enkel EMU-ruimtepak is opgebouwd uit diverse op maat gemaakte onderdelen die door meer dan 80 bedrijven worden geproduceerd. De grootte van de onderdelen varieert van een achtste-inch sluitringen tot een 30 inch (76,2 cm) lange watertank. De EMU bestaat uit 18 afzonderlijke onderdelen. Enkele van de belangrijkste onderdelen worden hieronder geschetst.

Het primaire levensinstandhoudingssysteem is een op zichzelf staande rugzak die is uitgerust met een zuurstofvoorziening, kooldioxideverwijderingsfilters, elektrische voeding, een ventilator en communicatieapparatuur. Het voorziet de astronaut van de meeste dingen die nodig zijn om te overleven, zoals zuurstof, luchtzuivering, temperatuurregeling en communicatie. In de tank van het pak kan tot zeven uur zuurstof worden opgeslagen. Er is ook een secundair zuurstofpakket op het pak aangebracht. Dit biedt een extra 30 minuten zuurstof voor noodgevallen.

De helm is een grote plastic luchtbel onder druk met een nekring en een verdeelstuk voor de ventilatie. Het heeft ook een purgeer ventiel, dat wordt gebruikt met een secundair zuurstofpakket. In de helm bevindt zich een rietje naar een drinkzak voor het geval de astronaut dorst krijgt, een vizier dat de stralen van de felle zon afschermt, en een camera die extra ruimtewandelingen registreert. Aangezien ruimtewandelingen meer dan zeven uur aan een stuk kunnen duren, is het pak uitgerust met een urine-opvangsysteem om sanitaire pauzes mogelijk te maken. Het MSOR-systeem wordt aan de buitenkant van de helm bevestigd. Dit apparaat (ook bekend als een “Snoopy Cap”) klikt op zijn plaats met een kinriem. Het bestaat uit een koptelefoon en een microfoon voor communicatie in twee richtingen. Het heeft ook vier kleine “hoofdlampjes” die extra licht schijnen waar nodig. Het vizier wordt handmatig aangepast om de ogen van de astronaut af te schermen.

Om de temperatuur op peil te houden, wordt onder de bovenkleding een kledingstuk voor vloeistofkoeling en -ventilatie gedragen. Het is samengesteld uit koelbuizen, waar vloeistof doorheen stroomt. Het onderkledingstuk is een gaaspak uit één stuk, gemaakt van spandex. Het heeft een rits om het aan de voorkant te kunnen dragen. Het heeft meer dan 30 meter aan verstrengelde plastic buizen waarin koel water circuleert. Normaal wordt de temperatuur van het circulerende water op 4,4-9,9° C gehouden. De temperatuur wordt geregeld door een klep op het displaybedieningspaneel. De onderkleding weegt 3,8 kg wanneer deze met water is gevuld.

De onderste rompconstructie bestaat uit de broek, de laarzen, de “slip unit”, de knie- en enkelgewrichten en de tailleverbinding. Het is samengesteld uit een drukblaas van urethaan-gecoat nylon. Een beperkende laag van Dacron en een buitenste thermische kledingstuk van met neopreen gecoat nylon. Het heeft ook vijf lagen gealuminiseerd Mylar en een stoffen oppervlaktelaag bestaande uit Teflon, Kevlar en Nomex. Dit deel van het pak kan korter of langer worden gemaakt door de maatringen in het dij- en beengedeelte aan te passen. De laarzen hebben een geïsoleerde neus om de warmte beter vast te houden. Er worden ook thermosokken gedragen. Het opslagsysteem voor urine bevindt zich ook in dit gedeelte van het pak. Oude modellen konden tot 950 milliliter vloeistof bevatten. Momenteel wordt een wegwerpluier type kledingstuk gebruikt.

De armen zijn verstelbaar, net als de onderlichaamsconstructie. De handschoenen bevatten

miniatuur verwarmingselementen op batterijen in elke vinger. De rest van de unit is bedekt met padding en een extra beschermende buitenlaag.

Het harde bovenlichaam is gemaakt van glasvezel en metaal. Het is waar de meeste stukken van het pak hechten met inbegrip van de helm, armen, life support system display, controlemodule en onderste torso. Het omvat zuurstofflessen, wateropslagtanks, een sublimator, een patroon voor de controle van contaminanten, regelaars, sensoren, kleppen en een communicatiesysteem. Zuurstof, kooldioxide en waterdamp verlaten het pak via het ventilatiekleed bij de voeten en ellebogen van de astronaut. Een drinkzak in het bovenlichaam kan tot 907,2 oz (32 oz) water bevatten. De astronaut kan een drank nemen door het mondstuk dat in de helm uitsteekt.

Met de op de borst gemonteerde controlemodule kan de astronaut de status van het pak controleren en verbinding maken met externe bronnen van vloeistoffen en elektriciteit. Het bevat alle mechanische en elektrische bedieningselementen en ook een visueel display. Een oplaadbare zilverzinkbatterij van 17 volt wordt gebruikt om het pak van stroom te voorzien. Deze controlemodule is geïntegreerd met het waarschuwingssysteem in het harde bovenlichaam om ervoor te zorgen dat de astronaut de status van de omgeving van het pak kent. Het pak is met de orbiter verbonden via een navelstreng. Het wordt losgekoppeld voor het verlaten van de luchtsluis.

Het witte pak weegt ongeveer 275 lb (124,8 kg) op aarde en heeft een productlevensverwachting van ongeveer 15 jaar. Het wordt onder druk gebracht tot 4,3 lb (1,95 kg) per vierkante inch en kan worden opgeladen door het rechtstreeks aan te sluiten op de orbiter. Het bestaande

Het primaire levensinstandhoudingssysteem is een zelfstandige rugzak die is voorzien van een zuurstoftoevoer, kooldioxideverwijderingsfilters, elektrische voeding, een ventilator en communicatieapparatuur.

ruimtepakken zijn modulair zodat ze kunnen worden gedeeld door meerdere astronauten. De vier basis verwisselbare secties omvatten de helm, het harde bovenlichaam, de armen en de onderste torso assemblage. Deze delen zijn verstelbaar en kunnen worden aangepast om meer dan 95% van alle astronauten te passen. Elke set van armen en benen wordt geleverd in verschillende maten die kunnen worden afgestemd op de specifieke astronaut te passen. De armen kunnen tot een centimeter worden aangepast. De benen kunnen tot een drie inch aanpassing.

Het duurt ongeveer 15 minuten om het ruimtepak aan te trekken. Om het ruimtepak aan te trekken trekt de astronaut eerst het onderste kledingstuk aan dat het vloeibare koel- en ventilatiesysteem bevat. De onderste romp wordt vervolgens aangetrokken en de laarzen worden bevestigd. Vervolgens schuift de astronaut in het bovenste rompgedeelte dat samen met de rugzak voor levensondersteuning op een speciale connector in de luchtsluiskamer is gemonteerd. De afvalringen worden aangesloten en dan worden de handschoenen en de helm aangetrokken.

Het fabricageproces

De fabricage van een ruimtepak is een ingewikkeld proces. De productie kan worden opgesplitst in twee fasen. Eerst worden de afzonderlijke onderdelen geconstrueerd. Vervolgens worden de onderdelen samengebracht in een primaire fabricagelocatie, zoals het NASA-hoofdkwartier in Houston, en geassembleerd. Het algemene proces ziet er als volgt uit.

Assemblage van helm en vizier

• 1 De helm en het vizier kunnen worden vervaardigd met behulp van traditionele blaasgiettechnieken.
  

  Een EMU bestaat uit 14 beschermende lagen. De stofmaterialen omvatten een verscheidenheid van verschillende synthetische polymeren. De binnenste laag is een Nylon tricot materiaal. Een andere laag is samengesteld uit spandex, een elastisch slijtbaar polymeer. Er is ook een laag nylon met urethaancoating, die betrokken is bij het onder druk brengen. Dacron – een soort polyester – wordt gebruikt voor een drukverlagende laag. Andere gebruikte synthetische weefsels zijn neopreen, een soort sponsrubber, gealuminiseerd Mylar, Gortex, Kevlar en Nomex.

  Pellets van polycarbonaat worden in een spuitgietmachine geladen. Zij worden gesmolten en in een holte geperst die de grootte en de vorm van de helm benadert. Wanneer de holte wordt geopend, wordt het primaire deel van de helm geconstrueerd. Aan het open uiteinde wordt een verbindingsstuk toegevoegd waarmee de helm aan het harde bovenlichaam kan worden vastgemaakt. Het ventilatieverdeelstuk wordt samen met de ontluchtingskleppen aangebracht voordat de helm wordt verpakt en verzonden. Het vizier wordt op dezelfde wijze voorzien van “hoofdlampen” en communicatieapparatuur.

Levensinstandhoudingssystemen

• 2 De levensinstandhoudingssystemen worden in een aantal stappen in elkaar gezet. Alle onderdelen worden op de buitenste rugzakbehuizing gemonteerd. Eerst worden de zuurstoftanks onder druk gevuld, afgedopt en in de behuizing geplaatst. De kooldioxideverwijderingsapparatuur wordt in elkaar gezet. Dit omvat meestal een filterbus die met lithiumhydroxide is gevuld en aan een slang wordt bevestigd. De rugzak wordt vervolgens voorzien van een ventilatorsysteem, elektrische voeding, een radio, een waarschuwingssysteem en de waterkoelingsapparatuur. Wanneer volledig gemonteerd, kan het levensinstandhoudingssysteem direct aan het harde bovenlichaam worden bevestigd.

Besturingsmodule

• 3 De hoofdcomponenten van de besturingsmodule worden in afzonderlijke eenheden gebouwd en vervolgens in elkaar gezet. Dankzij deze modulaire aanpak kunnen belangrijke onderdelen indien nodig gemakkelijk worden onderhouden. De op de borst gemonteerde regelmodule bevat alle elektronische bedieningselementen, een digitaal display en andere elektronische interfaces. De primaire spoelklep is ook aan dit onderdeel toegevoegd.

Koeling kledingstuk

• 4 Het koeling kledingstuk wordt gedragen binnen de druklagen. Het is gemaakt van een combinatie van nylon, spandexvezels en vloeibare koelbuizen. De nylon tricot wordt eerst in een lange ondergoedachtige vorm gesneden. Ondertussen worden de spandexvezels in een vel stof geweven en in dezelfde vorm gesneden. Het spandex wordt vervolgens voorzien van een reeks koelbuizen en vervolgens aan de nylonlaag genaaid. Een ritssluiting aan de voorzijde wordt dan bevestigd, evenals connectoren voor bevestiging aan het life support systeem.

Boven- en onderlichaam

• 5 Het onderlichaam, de armgroep en de handschoenen worden op soortgelijke wijze gemaakt. De verschillende lagen synthetische vezels worden samen geweven en vervolgens in de juiste vorm geknipt. Verbindingsringen worden aan de uiteinden bevestigd en de verschillende segmenten worden vastgemaakt. De handschoenen zijn voorzien van miniatuurverwarmingselementen in elke vinger en bedekt met een isolerende vulling.
• 6 Het harde bovenlichaam is gesmeed uit een combinatie van glasvezel en metaal. Het heeft vier openingen waar de onderste torso assemblage, de twee armen, en de helm hechten. Bovendien zijn adapters toegevoegd waar het reddingsvest en de controlemodule kunnen worden bevestigd.

Eindassemblage

• 7 Alle onderdelen worden naar NASA verscheept om te worden geassembleerd. Dit gebeurt op de grond waar het pak kan worden getest voor gebruik in de ruimte.

Kwaliteitscontrole

De afzonderlijke leveranciers voeren bij elke stap van het productieproces kwaliteitscontroletests uit. Dit zorgt ervoor dat elk onderdeel is gemaakt volgens veeleisende normen en zal functioneren in de extreme omgeving van de ruimte. NASA voert ook uitgebreide tests uit op het volledig geassembleerde pak. Ze controleren op zaken als luchtlekkage, drukverlaging of niet-functionerende levensinstandhoudingssystemen. De kwaliteitscontrole testen zijn van cruciaal belang omdat een enkele storing verschrikkelijke gevolgen kan hebben voor een astronaut.

De toekomst

Het huidige EMU ontwerp is het resultaat van vele jaren van onderzoek en ontwikkeling. Hoewel zij een krachtig instrument zijn voor orbitale operaties, zijn vele verbeteringen mogelijk. Er is geopperd dat het ruimtepak van de toekomst er wel eens heel anders uit zou kunnen zien dan het huidige pak. Eén gebied dat voor verbetering vatbaar is, is de ontwikkeling van pakken die bij een hogere druk kunnen werken dan de huidige EMU. Dit zou het voordeel hebben dat de tijd die momenteel nodig is voor de voorbeademing voorafgaand aan een ruimtewandeling wordt verkort. Om pakken met hogere druk te maken, moeten verbeteringen worden aangebracht in de verbindingsstukken op elk deel van het pak. Een andere verbetering kan zijn dat de afmetingen van het pak in de ruimte worden aangepast. Momenteel kost het veel tijd om verlengstukken in de been- en armzones te verwijderen of toe te voegen. Een andere mogelijke verbetering is de elektronische besturing van het pak. Wat nu complexe commando codes vereist zal in de toekomst met een druk op een enkele knop worden gedaan.