Способ моделирования комбинированного воздействия Российский патент 2020 года по МПК B64G7/00 

Изобретение относится к областям знаний в космической медицине и имитации космических условий характерных для орбиты Земли, поверхности Марса и Луны и других небесных тел, в частности к способам моделирования комбинированных эффектов отличной от земной силы тяжести, в сочетании с радиобиологическим воздействием космических лучей.

Целью изобретения является повышение достоверности моделирования космических условий путем сочетания таких космических факторов как отличная от земной сила тяжести и ионизирующая радиация космических лучей.

Изобретение представляет собой способ создания условий близких к радиационным и гравитационным условиям в космосе за счет клиностатирования биологических объектов в герметичном объеме капсулы, выведенном автоматическим стратостатом на высоту 15-25 километров. Герметичный объем капсулы снабжен системой поддержания заданных лабораторных условий необходимых для жизнедеятельности исследуемых биологических объектов (система жизнеобеспечения), с возможностью использовать клиностат внутри этого объема. Ось вращения клиностата направлена перпендикулярно к вектору земной силы тяжести. Центробежная сила, возникающая, как следствие вращения клиностата моделирует силу тяжести, которую необходимо имитировать. Параметры вращения в клиностате необходимые для моделирования отличной от земной силы тяжести F определяются по формуле:

где g - ускорение, сообщаемое телу массой т центробежной силой F, R - радиус вращения (расстояния от оси вращения клиностата до места крепления биологических объектов), w - частота вращения.

Герметичная капсула автоматическим стратостатом поднимается и находится заданное время в интервале высот 15-25 километров. Характерная особенность данного диапазона высот заключается в том, что в атмосфере Земли происходит максимальная радиационная передача энергии космических лучей, в том числе потоком вторичных частиц образованных за счет ядерного каскада, тем самым моделируется реалистичный спектр первичных космических лучей и вторичных частиц.

Наиболее эффективно изобретение может быть использовано для моделирования комбинированных эффектов отличной от земной силы тяжести или невесомости и действия космических лучей на биологические объекты.

Известен способ краткосрочного (несколько десятков секунд) моделирования комбинированного действия невесомости и действия космических лучей на живые организмы [1, 2].

Недостатком данного способа является его дороговизна и необходимость использовать специальные самолеты или ракеты. Так же сильно ограничено время действия моделируемых факторов.

Наиболее близким по принципу реализации и используемому оборудованию является способ моделирования комбинированного действия невесомости и космической радиации путем проведения экспериментов на борту космических аппаратов [3-11].

Главным отличием данного способа является его чрезвычайная дороговизна, и зависимость от времени запуска аппаратов, высокие риски, связанные с запусками космических аппаратов, необходимость соблюдать особые требования характерные для техники, используемой на борту космического аппарата/ракеты, невозможность создавать гравитационные условия отличные от невесомости.

Кроме того, использование данного способа имеет определенные ограничения по массе оборудования его функциональности и сложности проведения дальнейших исследований биологического материала на Земле.

Технический результат предлагаемого изобретения выражается:

- в возможности длительного наблюдения совместного эффекта отличной от земной силы тяжести и космической радиации в течение длительного времени;

- в существенном сокращении расходов на экспериментальные исследования;

- в отсутствии значительных ограничений для использования экспериментального оборудования;

- в возможности менять дизайн эксперимента.

Сущность изобретения состоит в разработке нового эффективного способа моделирования условий пребывания биологических объектов на небесных телах и орбите Земли с отличной от земной силой тяжести, или в условиях невесомости, в сочетании с воздействием космической радиации.

Технический результат достигается тем, что исследуемые биологические объекты помещаются в герметичную капсулу с системой жизнеобеспечения, где происходит клиностатирование этих биологических объектов, тем самым обеспечивается моделирование заданного значения силы тяжести и с помощью автоматического стратостата, герметичная капсула с биологическими объектами выводится на высоты 15-25 км, где на биологические объекты воздействует реалистичный спектр космических лучей, с максимальной интенсивностью радиационного воздействия со стороны космических лучей.

Способ реализации изобретения:

1. Биологические объекты помещают в клиностат (который находится в капсуле) на необходимый радиус, который вычисляется по формуле 1, в соответствии с заданным значением моделируемой силы тяжести. И задают необходимый режим вращения клиностат, который будет отвечать заявленному уровню моделируемой силы тяжести.

2. Задают необходимые условия жизнеобеспечения биологических объектов (температура, давление, газовый состав).

3. Капсулу, с помощью автоматического стратостата запускают на высоты в диапазоне 15-25 км.

4. После заданного времени, капсулу спускают и подбирают для проведения дальнейшего исследования биологических объектов.

Список литературных источников

1. Grosse J. et al. Short-term weightlessness produced by parabolic flight maneuvers altered gene expression patterns in human endothelial cells // The FASEB Journal. - 2012. - T. 26. - №.2. - C. 639-655

2. Paul A.L. et al. Parabolic flight induces changes in gene expression patterns in Arabidopsis thaliana // Astrobiology. - 2011. - Т. 11. - №. 8. - C. 743-758.

3. Андреев-Андриевский А.А. и др. Экспериментальные исследования на мышах по программе полета биоспутника «Бион-М1» // Авиакосмическая и экологическая медицина. - 2014. - Т. 48. - №. 1. - С. 14-27.

4. Сычев В.Н. и др. Проект «Бион-М1»: общая характеристика и предварительные итоги // Авиакосмическая и экологическая медицина. - 2014. - Т. 48. - №. 1. - С. 7-14.

5. Wilson J.W. et al. Space flight alters bacterial gene expression and virulence and reveals a role for global regulator Hfq // Proceedings of the National Academy of Sciences. - 2007. - Т. 104. - №41. - С. 16299-16304.

6. Hammond T.G. et al. Mechanical culture conditions effect gene expression: gravity-induced changes on the space shuttle // Physiological genomics. - 2000. - T. 3. - №. 3. - C. 163-173.

7. Gridley D.S. et al. Spaceflight effects on T lymphocyte distribution, function and gene expression // Journal of applied physiology. - 2009. - T. 106. - №. 1. - C. 194-202.

8. Salmi M.L., Roux S.J. Gene expression changes induced by space flight in single-cells of the fern Ceratopteris richardii // Planta. - 2008. - T. 229. - №. 1. - C. 151-159.

9. Baqai F.P. et al. Effects of spaceflight on innate immune function and antioxidant gene expression // Journal of applied physiology. - 2009. - T. 106. - №. 6. - C. 1935-1942.

10. Hammond T.G. et al. Gene expression in space // Nature medicine. - 1999. - T. 5. - №. 4. - C. 359.

11. Wilson J.W. et al. Space flight alters bacterial gene expression and virulence and reveals a role for global regulator Hfq // Proceedings of the National Academy of Sciences. - 2007. - T. 104. - №41. - C. 16299-16304.

Изобретение относится к имитации отличной от земной силы тяжести в сочетании с радиационным воздействием космических лучей на биологические объекты (БО) в условиях, характерных для орбиты Земли, поверхности Марса, Луны и других небесных тел. При клиностатировании БО в герметичной капсуле клиностат вращают вокруг горизонтальной оси, создавая центробежную силу, равную имитируемой. Одновременно выводят и выдерживают заданное время клиностат на высоте 15-25 км с помощью стратостата. Капсула снабжена системой поддержания заданных условий жизнедеятельности для исследуемых БО. В данном диапазоне высот в атмосфере Земли происходит максимальная радиационная передача энергии космических лучей, в том числе потоком вторичных частиц, образованных за счет ядерного каскада. Тем самым моделируется реалистичный спектр первичных космических лучей и вторичных частиц. Технический результат состоит в обеспечении достаточно достоверного исследования комплексного воздействия на БО указанных факторов космического пространства.

Способ моделирования комбинированного воздействия на биологические объекты отличной от земной силы тяжести и ионизирующей радиации космических лучей, при котором биологические объекты помещают в герметичную капсулу и клиностатируют таким образом, чтобы возникающая вследствие вращения клиностата центробежная сила равнялась моделируемой силе тяжести, например, Луны или Марса, отличающийся тем, что герметичную капсулу поднимают с помощью автоматического стратостата и выдерживают на высоте от 15 до 25 км.