traje de contrapresión mecánica

En 1959, Hans Mauch trabajaba en prendas interiores transpirables para el traje espacial Mercury cuando concibió la idea de un diseño de contrapresión mecánica. El equipo de Mauch observó que las espumas de celda cerrada , que atrapan gas en su estructura, se expanden al disminuir la presión externa. Al contener la espuma dentro de una capa exterior no expansiva, se ejercería una presión creciente sobre el cuerpo a medida que disminuyera la presión. Esto parecía permitir un diseño que ofrecería una movilidad mucho mayor que el diseño casi rígido del Mercury. ^{[ 5 ]}

A finales de 1959, la Fuerza Aérea de los Estados Unidos otorgó a Mauch Laboratories un contrato para desarrollar un modelo funcional, como parte del programa secreto X-20 Dynasoar . El programa se extendió hasta 1962, año en que la NASA se unió al proyecto. El traje se construyó con una capa de espuma intercalada entre dos capas de tela: la interior, en contacto con la piel del usuario (o ropa interior), proporcionaba soporte mecánico, y la exterior, contención. Un casco independiente y voluminoso suministraba presión y gases respiratorios. Al igual que la ropa interior que Mauch estaba desarrollando para Mercury, el control térmico se lograba mediante la transpiración directa del sudor a través de la tela. El traje resultante era casi tan voluminoso como el diseño original de Mercury, sin contar el casco. ^{[ 5 ]}

Se realizaron con éxito pruebas de vacío prolongadas, pero el traje demostró tener menos movilidad de la esperada y se abandonó su desarrollo posterior. ^{[ 5 ]}

La introducción de tejidos mejorados llevó a Paul Webb a concebir un nuevo método para construir un SAS. ^{[ 6 ]} Se encargó trabajo adicional para probar diversos conceptos de diseño. Entre 1968 y 1971 se construyeron diez diseños de creciente sofisticación, que finalmente culminaron en una serie de pruebas exitosas en cámaras de vacío. La prueba más larga duró dos horas y cuarenta y cinco minutos.

Las pruebas fueron un éxito: se demostró de forma concluyente la viabilidad de un traje espacial de contrapresión mecánica. La energía necesaria para moverse era considerablemente menor que en los diseños convencionales, lo que supuso una mejora importante para las caminatas espaciales de larga duración. Las pruebas de perforación demostraron que hasta un milímetro cuadrado de piel podía exponerse directamente al vacío durante periodos prolongados sin sufrir daños permanentes. Una perforación similar en un traje convencional provocaría una pérdida de presión y de aire respirable. Pesaba la mitad que el traje de presión principal utilizado por los astronautas de la NASA en el Proyecto Apolo , el A7L .

También surgieron varios problemas, principalmente relacionados con el problema de mantener el traje en contacto mecánico firme en cada punto del cuerpo. Las concavidades o pequeños pliegues en la tela podían provocar la acumulación de líquido en los huecos; la zona de la ingle resultó extremadamente difícil de adaptar correctamente. Para corregir esto, se insertaron pequeñas almohadillas de espuma de poliuretano en las concavidades, lo que resultó eficaz en la mayoría de las zonas problemáticas. Los trajes debían confeccionarse a medida para cada persona, aunque lo mismo ocurría con todos los trajes espaciales de la época. La mayor dificultad radicaba en ponerse y quitarse el traje. Para proporcionar eficazmente la presión mínima de 0,3 bares (4,4 psi ) necesaria para la fisiología humana, el traje debía ser extremadamente ajustado, lo que convertía el proceso de ponérselo y quitárselo en una tarea sumamente extenuante. 

En 1971, Webb, junto con James F. Annis, publicaron sus hallazgos en un informe. ^{[ 7 ]} El informe se mantuvo positivo y los investigadores consideraron que era posible realizar mejoras adicionales. Citando el informe:

En conclusión, el SAS, en su estado actual de desarrollo, protegerá al ser humano de los efectos del vacío mediante una prenda que permite una mayor movilidad y movimientos corporales naturales. Desde el punto de vista fisiológico, el enfoque es sólido, y aunque aún quedan muchos problemas por resolver, son principalmente de naturaleza mecánica. Se ha sugerido que la solución de estos problemas mecánicos, junto con un diseño meticuloso basado en análisis biomecánicos y el desarrollo de tejidos elásticos específicos, podría conducir a una versión del SAS apta para el espacio.

El diseño original de SAS se basaba en dos nuevos tejidos: un tipo de "powernet" (o "tejido de faja") para zonas de alta tensión y un tejido de bobbinet elástico para zonas de menor tensión. Ambos se basaban en un hilo de urdimbre elástico y grueso con un hilo de trama mucho menos elástico para formar una malla. Los términos urdimbre y trama se usan aquí de forma imprecisa, ya que el material no se tejía con métodos tradicionales. El powernet utilizaba cordón de spandex como urdimbre y cordón de nailon como trama, lo que permitía el movimiento principalmente a lo largo del eje de la urdimbre. El bobbinet utilizaba urdimbre de caucho envuelta en algodón y trama de nailon o dacrón , y era flexible en ambas direcciones. El envoltorio de algodón limitaba el estiramiento máximo al 200 % de la longitud en reposo. La cantidad de sobrepresión que podía generar el bobbinet era de aproximadamente 0,02 bares (0,29 psi) sobre el torso, el mayor volumen, y hasta 0,053 bares (0,77 psi) sobre curvas de radio más pequeño en la muñeca y los tobillos. Powernet podría generar aproximadamente 0,067 bares (0,97 psi) incluso en el torso. Se necesita un mínimo de 0,17 bares (2,5 psi) para respirar con normalidad.    

Se utilizaron múltiples capas y parches de los dos materiales para controlar la presión mecánica general alrededor del cuerpo. Comenzando en la piel, se utilizó una "capa deslizante" de powernet ligero para permitir que las capas exteriores se deslizaran sobre la piel sin apretar. Debajo de esta capa se colocaron varias almohadillas de espuma en varias concavidades del cuerpo para mantenerlas en contacto con el traje. Encima de esto estaba la vejiga de contrapresión, parte del sistema de respiración. Encima de esto había hasta seis capas adicionales de powernet sobre el tronco con brazos y piernas de bobbinet, o prendas completamente de bobbinet que cubrían solo el tronco. Las prendas se colocaban como un traje normal con una cremallera grande que cerraba la parte delantera, con cordones adicionales en algunos puntos para ayudar a cerrar la prenda. Las cremalleras en capas alternas estaban desfasadas.

El sistema de respiración de presión positiva constaba de tres partes principales: el casco presurizado, la vejiga de respiración y el sistema de almacenamiento en una mochila. La vejiga y el casco estaban conectados para bombear aire desde la vejiga hacia el torso cuando el usuario inhalaba, reduciendo así la presión en el pecho. El casco se sujetaba mediante una prenda no elástica de tela Nomex que envolvía el pecho y las axilas, y mediante capas elásticas por encima y por debajo de la misma.

El Bio-Suit es un traje experimental para actividades espaciales en construcción en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) bajo la dirección de la profesora Dava Newman , con el apoyo del Instituto de Conceptos Avanzados de la NASA . Similar al SAS en concepto, el Bio-Suit aplica avances en ingeniería y medición para producir una versión simplificada del diseño del SAS. ^{[ 8 ]}

Newman ha trabajado extensamente en biomecánica , especialmente en el campo de la medición computarizada del movimiento humano. Al igual que con los trajes llenos de gas, Newman ha utilizado el principio de las " líneas de no extensión ", un concepto originado por Arthur Iberall en trabajos que datan de finales de la década de 1940, para colocar los elementos de tensión a lo largo de las líneas del cuerpo donde la piel no se estira durante la mayoría de los movimientos normales.

La estructura principal del BioSuit se construye colocando cordones elásticos a lo largo de las líneas de no extensión. De esta manera, la presión que ejercen se mantiene constante incluso cuando el usuario se mueve. Así, pueden controlar la contrapresión mecánica que aplica el traje. El resto del traje se construye con spandex colocado entre los cordones de presión principales. En 2005, el equipo del Bio-Suit había construido al menos tres prototipos de la parte inferior de la pierna utilizando diferentes materiales, incluyendo nylon-spandex, elástico y espuma pintada con uretano. ^{[ 9 ]} En un diseño experimental, se utilizó tela de kevlar entre los cordones en las áreas donde la expansión era limitada. Se ha construido al menos un traje de cuerpo completo para Newman, que ha usado en numerosas sesiones fotográficas; se desconoce si el traje completo cumple con los mismos estándares de contrapresión para los que se diseñaron los prototipos de la parte inferior de la pierna. Cada traje debe confeccionarse a medida para el usuario, pero la complejidad de esta tarea se reduce mediante el uso de escaneos láser de cuerpo completo.

El resultado es una versión de una sola capa del SAS; es más ligera que la original y más flexible, lo que permite un movimiento más natural y disminuye el costo energético del movimiento. Las versiones de partes del BioSuit han alcanzado consistentemente 0,25 bares (3,6 psi) , y el equipo actualmente apunta a 0,3 bares (4,4 psi) . Dado que la contrapresión mecánica ha resultado difícil para articulaciones pequeñas como las de las manos, el diseño base del BioSuit utiliza guantes y botas llenos de gas, además de un casco lleno de gas. ^{[ 10 ]}  

Una variante posterior del traje biológico emplea bobinas de aleación con memoria de forma (SMA) activadas por calor. ^{[ 11 ]} En este diseño, el traje se ajusta holgadamente al cuerpo al principio. Cuando se conecta un módulo de energía, las bobinas elásticas del traje se contraen para ajustarse al cuerpo. El diseño de la bobina se definió con mayor detalle en un artículo de la revista IEEE/ASME: Transactions on Mechatronics. ^{[ 12 ]} En 2008, se informó que el traje biológico tenía el potencial de estar listo para su uso en misiones a Marte en un futuro próximo. ^{[ 13 ] [ 14 ]}

En 2019 se introdujo una mejora adicional con la adición de tubos de boro nucleados, que protegen al usuario del traje de la radiación presente en el espacio y en las superficies de la Luna y Marte. Según Cathy Lewis, del Museo Nacional del Aire y el Espacio , «Puede que no sea el próximo traje, pero será uno de los siguientes», lo que indica que el desarrollo continúa activo y enfocado en futuras misiones a la Luna y Marte. ^{[ 15 ]}