Palestra in orbita: le Stazioni Spaziali

Combattere l'assenza di gravità

Durante la loro permanenza a bordo della Stazione Spaziale Internazionale gli astronauti devono praticare circa 2 ore e mezza di allenamento giornaliere per 6-7 giorni a settimana, comprendenti esercizi aerobici e di forza muscolare. I ricercatori hanno scoperto che sulla ISS gli astronauti perdono circa il 30% della forza muscolare dopo aver trascorso da 110 a 237 giorni in microgravità. Vi è anche una transizione delle fibre muscolari dal tipo lento al veloce, comunemente associato al fenomeno del mancato allenamento.

Dall'altra parte ci sono gli effetti fisici, che richiedono sessioni di allenamento e condizionamento fisico per essere contrastati. In pratica si parla di apparecchiatura fisico-terapeutica per lo svolgimento di esercizi che stimolano muscoli e ossa, e aiutano a mantenere una condizione fisica ottimale. Quest'apparecchiatura non è tanto diversa da quella che si può trovare in una palestra o in un centro di riabilitazione, con la differenza che questi attrezzi devono lavorare in condizioni di microgravità per cui la frizione tra i componenti è minore; ciò può aumentare la loro durabilità ma anche modificarne il funzionamento, per cui la resistenza meccanica si ottiene per lo più grazie a sistemi idraulici e pneumatici.

Inoltre è necessario ricalcolare le resistenze meccaniche affinché esse siano soddisfacenti per la prevenzione del decondizionamento, senza esporre gli astronauti a sovraccarichi pericolosi che, date le condizioni di microgravità, non possono essere percepiti adeguatamente. Sollevare 90 kg sulla Terra potrebbe comportare molto sforzo, ma nello Spazio è semplice 90 kg in microgravità sembrano pesare nulla.

A questo punto riuscite a capire come mai l'esercizio fisico sulla Stazione Spaziale Internazionale (ISS) è importantissimo e vitale e deve essere praticato costantemente a ritmi regolari, diventando parte della routine delle persone che vivono e lavorano nello spazio fin dalle prime missioni di media durata.

Facciamo la conoscenza con ARED

Uno dei più importanti di questi attrezzi per praticare la ginnastica sulla ISS si chiama ARED, Advanced Resistive Exercise Device (Dispositivo avanzato per esercizi resistivi). Questo dispositivo è meccanicamente semplice ma robusto. Impiega cilindri a vuoto per fornire una resistenza costante, mentre i pistoni forniscono una resistenza variabile, progettata per imitare le forze inerziali generate durante il sollevamento di pesi libera sulla Terra. Praticamente si usa per sollevare i pesi e puoi coinvolgere solo i muscoli delle braccia, oppure i muscoli delle gambe e della schiena oppure gli addominali.

Ma molti altri esercizi possono essere eseguiti con questo apparecchio come ad esempio squat, alzate frontali, sollevamento di ginocchio, adduzione e abduzione dell'anca, rematore con manubrio, sollevamento di spalle, french press, curl di braccia, estensione tricipiti, curl di polso e lancio del martello. I membri dell'equipaggio americano hanno un programma personale di allenamento, che viene regolarmente aggiornato dal trainer fisico a terra. In questo programma viene dato il numero di ripetizioni e le serie, e il carico per ogni esercizio. Alcuni esercizi sono considerati "obbligatori" per la loro proprietà di produrre carico assiale sul corpo umano, e quindi per l‟allenamento dei muscoli.

Per lavorare con il ARED, l'astronauta deve prendere e aggiustare gli accessori per l'allenamento; dopo aver terminato la sessione, gli elementi utilizzati devono essere puliti e gli accessori riposti.

Poi c'è CEVIS

Esiste poi la bicicletta: CEVIS Cycle Ergometer with Vibration Isolation System (Ciclo-ergometro con sistema di isolamento dalle vibrazioni). Non è proprio una cyclette da camera ma una bicicletta reclinata che fornisce un esercizio aerobico ed è una contromisura intesa per contrastare gli effetti fisiologici dannosi della permanenza alla microgravità. La CEVIS è controllata da un computer e mantiene un carico di lavoro molto accurato indipendentemente dalla velocità di pedalata dal membro dell'equipaggio potenziando i muscoli delle gambe e delle braccia. L'astronauta utilizza delle speciali scarpe da ciclista che vengono fissate ai pedali.

Cosmonaut Yuri I. Malenchenko, Comandante di Expedition 7, usa la cyclette sul Modulo Zvezda della ISS. Crediti: NASA 

La bicicletta è montata su un telaio di metallo, attaccato a binari scorrevoli e regolabili (seat tracks) in uno scaffale modulare dell'ISS. Posti agli angoli del telaio, degli isolatori, realizzati con funi metalliche, servono ad assorbire le vibrazioni generate durante l‟esercizio insieme alla scatola del sistema isolatore di vibrazioni.

Ma c'è anche TVIS

Poi, naturalmente per continuare con gli apparecchi per la ginnastica casalinga, abbiamo anche il tapis roulant: TVIS Treadmill Vibration Isolation System (Sistema di isolamento dalle vibrazioni del tapis roulant). Per non fluttuare e tenere i piedi sul tapis roulant gli astronauti usano delle cinghie elastiche sulle spalle ed intorno alla vita.

Inoltre il TVIS è dotato di un sistema anti vibrazioni e stabilizzante in modo da ridurre al minimo il trasferimento delle forze dinamiche, causate durante l'uso, alla struttura del modulo di servizio dell'ISS in cui si trova.

In questa maniera gli astronauti riescono a camminare e correre senza far vibrare niente e nessun esperimento delicato viene danneggiato ma i muscoli delle gambe vengono allenati.

Astronaut Frank De Winne si esercita sul treadmill sulla ISS. Crediti: Wiki Commmons

Il tapis roulant di solito viene utilizzato tra 2 a 7 volte la settimana a seconda della prescrizione di allenamento. Per utilizzare questo meccanismo l'astronauta deve accenderlo ed inserire una scheda che contiene il suo profilo personale di corsa per l'acquisizione dei dati e selezionare anche la modalità desiderata di allenamento (carico e velocità) .

Infine per gli americani e loro ospiti esistono degli attrezzi elastici chiamati Dyna-band o Thera-band. Sono delle bande elastiche, espansori, che servono per esercizi di stretching e per l'allenamento della forza. Vengono utilizzati diverse settimane prima di una EVA in quanto questa attività richiede particolare forza su spalle, braccia e dita. Hanno diverse lunghezze a seconda dei diversi esercizi: inferiore per esercizi della spalla, quella media per i muscoli del tronco e quella maggiore per gambe-tronco. Gli espansori hanno una maniglia a ciascuna estremità e delle spalline che servono a proteggere le spalle dei membri dell'equipaggio dalle abrasioni.

Per quanto riguarda i cosmonauti russi essi hanno il VELO una versione russa del cicloergometro. Esso é costituito da un corpo di metallo, con pedali, per piedi o mani, e lo schienale al quale è fissato il pannello di controllo. E' infatti possibile pedalare sia con le mani che con i piedi. Pedalare con le mani serve per allenare le braccia per prepararsi alle attività EVA. A questo meccanismo possono venire collegati dei caricatori di forza, costituiti da una corda avvolta all'interno di un tamburo con un'impugnatura che permette di estrarla. Tirando la corda si crea la resistenza che permette esercizi diversi di forza sia dal dietro o dal fronte dell'utilizzatore.

L'equipaggio russo ha anche un tuta, la cosiddetta TUTA PINGUINO, che crea una resistenza permanente a chi la indossa in modo da dare un carico al cosmonauta mentre svolge attività quotidiane. Viene soprattutto utilizzata per comprimere il corpo in modo che possa rientrare nello spazio ristretto della Soyuz.

I russi hanno un altro dispositivo denominato CHIBIS Lower Body Negative Pressure (Pressione negativa per il segmento inferiore del corpo). Sono dei pantaloni che producono una pressione negativa intorno agli arti inferiori (gambe e fianchi) grazie a una micro-pompa che depressurizza il sistema mentre il cosmonauta è in piedi al suo interno; la chiusura si trova all'altezza della vita. La pressione negativa induce l'accumulo del sangue nelle parti inferiori, il che è utile per l'allenamento del sistema cardiovascolare con carico simulato longitudinale. 

 L'Astronauta italiano Luca Parmitano prova il CHIBIS a bordo della ISS. Crediti NASA

Questo apparecchio viene utilizzato soprattutto poco prima del ritorno sulla Terra per evitare l'ipotensione ortostatica a causa dell'effetto della gravità sui liquidi corporei. Entrambe le agenzie spaziali, russa ed americana, hanno deciso che occorrono quanto meno 2 ore di allenamento giornaliero.

I protocolli di allenamento però sono differenti: i membri dell'equipaggio russo hanno un allenamento con un approccio schematico, composto di piccoli cicli che alternano periodi di lavoro intensivo e giorni di “riposo”. La controparte americana preferisce lavorare solo con apparecchiatura degli Stati Uniti (TVIS, ARED, CEVIS), e la prescrizione individualizzata di protocolli di allenamento.

Entrambi gli approcci prevedono lavoro giornaliero sia nel campo muscolo-scheletrico che in quello cardiovascolare. Per i protocolli americani è previsto un giorno di riposo, mentre i russi hanno giorni di “riposo attivo” durante i quali possono scegliere il lavoro da fare. Tutti gli astronauti possono dividere i loro blocchi di lavoro in due sessioni; questo comporta però l'aumento del tempo richiesto per il settaggio e la pulizia degli attrezzi.

Ed i cinesi come fanno?

Occorre prima precisare che la Stazione Spaziale Cinese 'Tiangong' è differente dalla Stazione Spaziale Internazionale (ISS). Infatti esiste un modulo centrale chiamato Tianhe che è simile ad un tronco di un grande albero e da questo dipanano, come i rami, altri moduli che si estendono costantemente verso l'esterno.

Quindi il modulo centrale è enorme e molto forte, la lunghezza è simile a quella di un edificio di cinque piani il diametro è molto più ampio di quello dei vagoni dei treni e della metropolitana e il volume è poco più grande di qualsiasi modulo della Stazione Spaziale Internazionale (ISS).

Gli astronauti cinesi hanno stanze e bagni separati, quindi viene assicurato ad ogni astronauta cinese uno spazio privato sia per dormire ma anche per ogni altra attività privata.

Invece lo spazio per il fitness viene sviluppato nel modulo centrale. In questo spazio insistono quindi le attrezzature per la ginnastica come il tapis roulant, biciclette spaziali e barelle di resistenza. La bicicletta che gli astronauti cinesi utilizzano per mantenersi in forma è differente da quella utilizzata sulla ISS.

La bicicletta rotante è stata realizzata dall'unica impresa nel paese che sviluppa e produce attrezzature per le missioni spaziali: la Orient Sports Industry Co. Con sede a Shanxi.

La cyclette cinese montata dall'astronauta Tang Hongbo. Crediti: CCTV

Questa bicicletta è stata caricata smontata ed è stata assemblata dagli astronauti Liu Boming e Tang Hongbo che, seguendo le istruzioni, in 5 minuti l'hanno fissata alla stazione nella posizione specificata. Questa bici spaziale è in realtà una cyclette spaziale, simile a una bici da spinning e si può pedalare solo con gli arti inferiori quando il corpo è trattenuto da una cinghia sul petto.

Gli astronauti della stazione spaziale di solito rimangono in orbita da 3 mesi a più di sei mesi. L'attrezzatura per esercizi della stazione spaziale è sviluppata e prodotta in base al tempo di esercizio quotidiano e all'intensità dell'esercizio richiesti da un equipaggio, affinché gli astronauti esercitino i muscoli, funzione cardiopolmonare e promuovere la funzione del sistema nervoso centrale. Coordinare le funzioni del sistema nervoso, mantenere la funzione muscolare e la forza ossea in un ambiente senza peso, prevenire la disfunzione cardiovascolare, la decalcificazione ossea, l'osteoporosi e l'atrofia muscolare, ecc., e fornire una forte garanzia di allenamento fisico affinché gli astronauti lavorino e vivano sulla stazione spaziale.

Anche gli altri due attrezzi, il tapit roulant (che è solo più lungo rispetto a quello situato sulla ISS) e la barella di resistenza (una macchina per la tensione o un esercizio di forza, e si fa a giorni alterni) per il fitness spaziale provengono dalla stessa azienda e sono stati provati prima sulla Terra dagli astronauti che hanno dato il loro contributo per migliorare il prodotto.

E dopo cosa ci aspetta?

Per concludere si comprende bene che i problemi legati alla microgravità in missioni che comportano lunghi viaggi, come ad esempio raggiungere Marte, prevederanno anche possibilmente una specie di gravità artificiale magari ottenuta con la rotazione di una parte del veicolo stesso.

E' infatti impensabile che basti fare ginnastica in un viaggio così lungo per poi scendere tranquillamente sulla superficie del pianeta rosso ed iniziare immediatamente un'attività di lavoro con una gravità sia pure minore rispetto alla Terra. Basti vedere infatti come ritornano gli astronauti dopo le missioni sulla ISS e quanto tempo hanno bisogno di supporto ed assistenza per poter lavorare nuovamente sulla Terra.

Su Marte, dopo un viaggio di circa 9 mesi, dovranno cavarsela da soli non ci saranno persone sul pianeta ad aiutarli e dovranno iniziare immediatamente a costruire la base e tutte le apparecchiature e mezzi per poter sopravvivere: dovranno quindi non aver perso le capacità motorie di forza e di salute per poter iniziare l'attività di lavoro.

Ma si affacciano nuove aziende private che potrebbero cambiare la nostra prospettiva del futuro.