RU2727217C1

RU2727217C1 - Combined effect modeling method

Info

Publication number: RU2727217C1
Application number: RU2020105669A
Authority: RU
Inventors: Антон Анатольевич Артамонов; Михаил Викторович Баранов; Виктор Михайлович Баранов
Original assignee: Антон Анатольевич Артамонов; Михаил Викторович Баранов; Виктор Михайлович Баранов
Priority date: 2020-02-06
Filing date: 2020-02-06
Publication date: 2020-07-21

Abstract

FIELD: physics.SUBSTANCE: invention relates to simulation of gravity differing from gravitational force in combination with radiation action of cosmic rays on biological objects (BO) under conditions typical for Earth's orbit, surface of Mars, Moon and other celestial bodies. During clinostatting of BO in sealed capsule, clinostat is turned about horizontal axis to create centrifugal force equal to simulated force. Simultaneously, the preset time of the clinostat is withdrawn and held at altitude of 15–25 km by means of a stratostat. Capsule is equipped with a system for maintaining preset vital conditions for the analyzed BO. In this range of altitudes in the Earth's atmosphere there is a maximum radiation transfer of energy of cosmic rays, including a stream of secondary particles formed due to the nuclear cascade. Thus, realistic spectrum of primary cosmic rays and secondary particles is simulated.EFFECT: technical result consists in providing sufficiently reliable investigation of complex effect on BO of above space factors.1 cl

Description

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.The invention relates to the fields of knowledge in space medicine and simulation of space conditions characteristic of the Earth's orbit, the surface of Mars and the Moon and other celestial bodies, in particular to methods for modeling combined effects other than the earth's gravity, in combination with the radiobiological effects of cosmic rays.

Целью изобретения является повышение достоверности моделирования космических условий путем сочетания таких космических факторов как отличная от земной сила тяжести и ионизирующая радиация космических лучей.The aim of the invention is to improve the reliability of modeling of space conditions by combining such space factors as gravity different from the earth and ionizing radiation of cosmic rays.

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:The invention is a method of creating conditions close to radiation and gravitational conditions in space by clinostating biological objects in a hermetically sealed capsule volume, brought out by an automatic stratospheric balloon to a height of 15-25 kilometers. The sealed volume of the capsule is equipped with a system for maintaining the specified laboratory conditions necessary for the vital activity of the biological objects under study (life support system), with the ability to use a clinostat inside this volume. The axis of rotation of the clinostat is directed perpendicular to the vector of the earth's gravity. The centrifugal force resulting from the rotation of the clinostat simulates the force of gravity to be simulated. The rotation parameters in the clinostat necessary for modeling the gravity F other than that of the Earth are determined by the formula:

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.where g is the acceleration imparted to the body of mass t by the centrifugal force F, R is the radius of rotation (the distance from the axis of rotation of the clinostat to the place of attachment of biological objects), w is the frequency of rotation.

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.The sealed capsule rises with an automatic stratospheric balloon and is located for a predetermined time in the altitude range of 15-25 kilometers. A characteristic feature of this altitude range is that the maximum radiation transfer of cosmic ray energy occurs in the Earth's atmosphere, including the flux of secondary particles formed due to the nuclear cascade, thereby simulating a realistic spectrum of primary cosmic rays and secondary particles.

Наиболее эффективно изобретение может быть использовано для моделирования комбинированных эффектов отличной от земной силы тяжести или невесомости и действия космических лучей на биологические объекты.The invention can be most effectively used to simulate the combined effects of gravity or weightlessness other than the earth's force and the action of cosmic rays on biological objects.

Известен способ краткосрочного (несколько десятков секунд) моделирования комбинированного действия невесомости и действия космических лучей на живые организмы [1, 2].The known method of short-term (several tens of seconds) simulation of the combined effect of weightlessness and the action of cosmic rays on living organisms [1, 2].

Недостатком данного способа является его дороговизна и необходимость использовать специальные самолеты или ракеты. Так же сильно ограничено время действия моделируемых факторов.The disadvantage of this method is its high cost and the need to use special aircraft or rockets. The time of action of the modeled factors is also strongly limited.

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].The closest in terms of the implementation principle and the equipment used is a method for simulating the combined action of weightlessness and space radiation by conducting experiments on board spacecraft [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.The main difference of this method is its extreme high cost, and dependence on the launch time of the spacecraft, high risks associated with spacecraft launches, the need to comply with special requirements typical for the equipment used on board the spacecraft / rocket, the impossibility of creating gravitational conditions other than weightlessness.

Кроме того, использование данного способа имеет определенные ограничения по массе оборудования его функциональности и сложности проведения дальнейших исследований биологического материала на Земле.In addition, the use of this method has certain limitations on the weight of the equipment, its functionality and the complexity of further research of biological material on Earth.

Технический результат предлагаемого изобретения выражается:The technical result of the proposed invention is expressed:

- в возможности длительного наблюдения совместного эффекта отличной от земной силы тяжести и космической радиации в течение длительного времени;- in the possibility of long-term observation of the joint effect different from the earth's gravity and cosmic radiation for a long time;

- в существенном сокращении расходов на экспериментальные исследования;- in a significant reduction in the cost of experimental research;

- в отсутствии значительных ограничений для использования экспериментального оборудования;- in the absence of significant restrictions on the use of experimental equipment;

- в возможности менять дизайн эксперимента.- the ability to change the design of the experiment.

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.The essence of the invention consists in the development of a new effective method for simulating the conditions of stay of biological objects in celestial bodies and the Earth's orbit with a gravity different from that of the Earth, or in zero gravity, in combination with the effect of cosmic radiation.

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.The technical result is achieved by the fact that the biological objects under study are placed in a sealed capsule with a life support system, where the clinostat of these biological objects takes place, thereby simulating a given value of gravity and, using an automatic stratospheric balloon, the sealed capsule with biological objects is brought to an altitude of 15-25 km where biological objects are exposed to a realistic spectrum of cosmic rays, with the maximum intensity of radiation exposure from cosmic rays.

Способ реализации изобретения:Method of implementing the invention:

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.1. Biological objects are placed in a clinostat (which is in a capsule) at the required radius, which is calculated by formula 1, in accordance with the specified value of the simulated gravity. And they set the necessary mode of rotation of the clinostat, which will correspond to the declared level of the simulated gravity.

2. Задают необходимые условия жизнеобеспечения биологических объектов (температура, давление, газовый состав).2. Set the necessary conditions for the life support of biological objects (temperature, pressure, gas composition).

3. Капсулу, с помощью автоматического стратостата запускают на высоты в диапазоне 15-25 км.3. The capsule, with the help of an automatic stratospheric balloon, is launched to altitudes in the range of 15-25 km.

4. После заданного времени, капсулу спускают и подбирают для проведения дальнейшего исследования биологических объектов.4. After a specified time, the capsule is lowered and selected for further research of biological objects.

Список литературных источниковList of literary sources

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. 639-6551. 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. - No. 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. 743-758.2. Paul A.L. et al. Parabolic flight induces changes in gene expression patterns in Arabidopsis thaliana // Astrobiology. - 2011. - T. 11. - No. 8. - S. 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. 14-27.3. Andreev-Andrievsky A.A. et al. Experimental studies on mice under the flight program of the biosatellite "Bion-M1" // Aviation and Space and Environmental Medicine. - 2014. - T. 48. - No. 1. - S. 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. 7-14.4. Sychev V.N. et al. Project "Bion-M1": general characteristics and preliminary results // Aviation and space and environmental medicine. - 2014. - T. 48. - No. 1. - S. 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. 16299-16304.5. 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. - T. 104. - No. 41. - S. 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. 163-173.6. Hammond T.G. et al. Mechanical culture conditions effect gene expression: gravity-induced changes on the space shuttle // Physiological genomics. - 2000. - T. 3. - No. 3. - S. 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. 194-202.7. Gridley D.S. et al. Spaceflight effects on T lymphocyte distribution, function and gene expression // Journal of applied physiology. - 2009. - T. 106. - No. 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. 151-159.8. 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. - No. 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. 1935-1942.9. Baqai F.P. et al. Effects of spaceflight on innate immune function and antioxidant gene expression // Journal of applied physiology. - 2009. - T. 106. - No. 6. - C. 1935-1942.

10. Hammond T.G. et al. Gene expression in space // Nature medicine. - 1999. - T. 5. - №. 4. - C. 359.10. Hammond T.G. et al. Gene expression in space // Nature medicine. - 1999. - T. 5. - no. 4. - P. 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. 16299-16304.11. 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. - No. 41. - C. 16299-16304.

Claims

A method for modeling the combined effect on biological objects other than the earth's gravity and ionizing radiation of cosmic rays, in which biological objects are placed in a sealed capsule and clinostatted in such a way that the centrifugal force arising from the rotation of the clinostat is equal to the simulated gravity, for example, the Moon or Mars, which differs the fact that the sealed capsule is lifted with an automatic stratospheric balloon and kept at an altitude of 15 to 25 km.