Design of a countermeasure training device to the effects of weightlessness. A concept for the lunar gateway orbiting station

The thesis concerns the contrast of the microgravity effects on the astronauts' musculoskeletal system in long-term space travel, through the development of a physical exercise device for the International Habitation Module (I-HAB) of the Lunar Gateway space station, which will be used in the Artemis III mission of the Artemis Program, of which NASA - National Aeronautics and Space Administration - is the main agency responsible, in collaboration with other space agencies including ESA - European Space Agency. The thesis starts from research on the astronauts living conditions onboard spacecraft, studying the effects that microgravity causes on the organism. First of all, reference is made to the numerous repercussions that these conditions, in addition to the isolation and remoteness from the “terrestrial” environment, cause to the human body and human mind. The research focuses on the aspects of bone and muscle deterioration caused by the absence of physical exercise, mainly due to the lack of gravitational attraction and the related ground reaction. The device for the physical exercise of the astronauts must ensure compliance with the characteristics necessary for transport to the lunar station, the possibility of a stable connection to the living space of the module, and the isolation of movements and oscillations. Understanding and studying the muscle groups that usually suffer more from microgravity, and of those that are usually trained in a less than optimal way, is crucial.

La tesi riguarda il contrasto degli effetti della microgravità sull’apparato muscolo-scheletrico degli astronauti in viaggi spaziali di lunga durata, attraverso lo sviluppo di un dispositivo per l’esercizio fisico per l’International Habitation Module (I-HAB) della stazione spaziale Lunar Gateway, che verrà utilizzata nella missione Artemis III del Programma Artemis, di cui la NASA - National Aeronautics and Space Administration – è la principale agenzia responsabile, in collaborazione con altre agenzie spaziali tra cui l’ESA – European Space Agency. La tesi parte da una ricerca riguardante le condizioni di vita degli astronauti a bordo delle navi spaziali, studiando gli effetti che la microgravità causa sull’organismo. In primis, si fa riferimento alle numerose ripercussioni che queste condizioni, complici l’isolamento e la lontananza dall’ambiente “terrestre”, causano sul fisico e sulla mente umana. La ricerca si concentra sugli aspetti del deterioramento osseo e muscolare causati dall’assenza di esercizio fisico dovuta principalmente alla mancanza di un’attrazione gravitazionale e della relativa reazione del suolo. Il dispositivo per l’esercizio fisico degli astronauti deve garantire il rispetto delle caratteristiche necessarie per il trasporto fino alla stazione lunare, la possibilità di un aggancio stabile allo spazio abitativo del modulo ed il dovuto isolamento dei movimenti e delle oscillazioni. Di fondamentale importanza è la comprensione e lo studio dei gruppi muscolari che abitualmente risentono in maniera maggiore della microgravità, e di quelli che solitamente sono allenati in modo ancora non ottimale.