Otolito de rana en órbita - Orbiting Frog Otolith
 La nave espacial Orbiting Frog Otolith (OFO)
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| Tipo de misión | Biociencia |
|---|---|
| Operador | NASA |
| ID COSPAR | 1970-094A |
| SATCAT no. | 04690 |
| Duración de la misión | 6 días |
| Propiedades de la nave espacial | |
| Fabricante | Centro de investigación Ames |
| Masa de lanzamiento | 132,9 kilogramos (293 libras) |
| Dimensiones | 1,68 × 0,76 m (5,5 × 2,5 pies) |
| Inicio de la misión | |
| Fecha de lanzamiento | 9 de noviembre de 1970, 06:00:00 UTC |
| Cohete | Explorador B S174C |
| Sitio de lanzamiento | Wallops LA-3A |
| Fin de la misión | |
| Fecha de aterrizaje | 9 de mayo de 1971 |
| Parámetros orbitales | |
| Sistema de referencia | Geocéntrico |
| Régimen | Tierra baja |
| Excentricidad | 0,02009 |
| Altitud del perigeo | 300 kilómetros (190 mi) |
| Altitud de apogeo | 574 kilómetros (357 mi) |
| Inclinación | 37.3981º |
| Período | 93.3 minutos |
| RAAN | 223.1857º |
| Argumento del perigeo | 136,8142º |
| Anomalía media | 226.2623º |
| Movimiento medio | 16.50400352 |
| Época | 9 de mayo de 1971 |
| Revolución no. | 2843 |
El Orbiting Frog Otolith (OFO) fue un programa espacial de la NASA que envió dos ranas toro a la órbita el 9 de noviembre de 1970 para el estudio de la ingravidez . El nombre, derivado del uso común, era una descripción funcional del experimento biológico realizado por el satélite. Otolito se refería al mecanismo de equilibrio del oído interno de la rana .
El programa Orbiting Frog Otolith fue parte del programa de investigación de la Oficina de Investigación y Tecnología Avanzadas (OART) de la NASA. Uno de los objetivos del OART era estudiar la función del sistema vestibular en el espacio y en la Tierra. El experimento fue diseñado para estudiar la adaptabilidad del otolito a la ingravidez sostenida , para proporcionar información para vuelos espaciales tripulados . El otolito es una estructura en el oído interno que se asocia con el control del equilibrio: la aceleración con respecto a la gravedad como su principal entrada sensorial.
El Experimento Frog Otolith (FOE) fue desarrollado por Torquato Gualtierotti de la Universidad de Milán , Italia , cuando fue asignado al Centro de Investigación Ames como investigador asociado residente patrocinado por la Academia Nacional de Ciencias. Originalmente planeado en 1966 para ser incluido en una de las primeras misiones Apolo , el experimento se pospuso cuando esa misión fue cancelada. A fines de 1967, se otorgó autorización para orbitar al enemigo cuando se pudo diseñar una nave espacial de apoyo. El proyecto, que forma parte del programa Human Factor Systems de la NASA, fue designado oficialmente "OFO" en 1968. Después de una serie de retrasos, OFO se puso en órbita el 9 de noviembre de 1970.
Después de la exitosa misión OFO-A en 1970, continuó el interés en la investigación. En 1975 se inició un proyecto llamado Investigación de la función vestibular para realizar un experimento vestibular en una nave espacial en órbita terrestre. Este proyecto de vuelo finalmente se suspendió, pero se realizaron varios estudios en tierra. La investigación ha dado lugar a varias ramificaciones muy útiles, incluida la Instalación de Investigación Vestibular en tierra ubicada en ARC .
OFO no debe confundirse con acrónimos similares que describen la serie de naves espaciales Orbiting Observatory , como Orbiting Geophysical Observatory (OGO), Orbiting Solar Observatory (OSO) y Orbiting Astronomical Observatory (OAO).
La nave espacial OFO
El experimento OFO fue diseñado originalmente para vuelos dentro del Programa de Aplicaciones Apolo , que se estableció para hacer un uso óptimo del hardware utilizado en las misiones lunares Apolo . Sin embargo, debido a que los bajos niveles de aceleración necesarios para el experimento no podían mantenerse fácilmente en una nave espacial Apolo tripulada, más tarde se eligió un satélite no tripulado como vehículo más adecuado. El diseño del satélite eliminó las exposiciones a niveles de aceleración superiores a 10 −3 g (10 mm / s²). Esto significó que los especímenes experimentales podrían experimentar un estado casi ingrávido.
La nave espacial tenía un diámetro de aproximadamente 30 pulgadas (760 mm) y una longitud de 47 pulgadas (1,190 mm). La sección inferior octogonal de la nave espacial albergaba el aparato electrónico. La sección superior, que contenía el paquete del experimento, tenía la forma de un cono truncado. Un escudo térmico que cubría esta sección superior protegió el experimento durante el reingreso a la atmósfera terrestre. Un conjunto de yo-yo de-spin se ubicó alrededor de la circunferencia de la nave espacial. Cuatro brazos, plegados contra el costado de la nave espacial, se ubicaron radialmente alrededor del satélite. Después de que la nave espacial se separó del vehículo de lanzamiento, el subsistema despin del yo-yo ralentizó la rotación de la nave espacial. Luego se soltaron los cuatro brazos para extenderse desde el costado de la nave espacial. La extensión de los brazos aumentó el momento de inercia de la nave espacial, lo que permitió que el nivel de aceleración se mantuviera por debajo de 10-3 g.
Otolito de rana en órbita-A
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La misión OFO-A se lanzó el 9 de noviembre de 1970 (06:00 GMT) desde el sitio de lanzamiento de Wallops Island . El satélite que transportaba el experimento OFO-A permaneció en órbita durante casi siete días. No se planificó la recuperación de la nave espacial. La carga útil fue el Frog Otolith Experiment Package (FOEP).
El objetivo del experimento fue investigar el efecto de la microgravedad en el otolito, un órgano sensorial que responde a los cambios en la orientación de un animal dentro del campo gravitacional de la Tierra.
Se utilizaron dos ranas toro americanas ( Rana catesbeiana ) como sujetos experimentales en el experimento de vuelo. La rana toro fue elegida para el estudio porque su laberinto del oído interno es muy similar al de los humanos. Dado que es un anfibio, la cirugía previa al vuelo podría realizarse por encima del agua, pero podría mantenerse en el agua durante el vuelo. El medio de agua sirvió para amortiguar la vibración y la aceleración del lanzamiento y para facilitar el intercambio de gases con los organismos.
Ambas ranas voladoras tenían electrodos de electrocardiograma (ECG) implantados en sus cavidades torácicas y microelectrodos implantados en sus nervios vestibulares . Las ranas fueron desmotorizadas cortando los nervios de sus extremidades para evitar que se desprendan de sus electrodos implantados y para reducir sus tasas metabólicas. Con esta actividad metabólica reducida, las ranas podrían sobrevivir con buena salud sin ser alimentadas hasta por un mes. La inmersión en agua permitió a las ranas respirar a través de su piel. El medio de agua también ayudó a alejar el dióxido de carbono y el calor de los animales.
Hardware
La unidad de hardware de vuelo, el FOEP , era un recipiente hermético que contenía una centrífuga llena de agua que albergaba a las dos ranas. La centrífuga era una estructura cilíndrica que giraba las cabezas de las ranas a intervalos programados. El FOEP también contenía un sistema de soporte vital que podría mantener un ambiente regulado para las ranas. Este sistema constaba de dos circuitos cerrados, uno con líquido y el otro con gas. La interfaz entre los dos bucles era una goma de silicona selectivamente permeable que actuaba como pulmón artificial. El oxígeno pasó a través de la membrana del lado del gas al lado del líquido y el dióxido de carbono del lado del líquido al del gas. Las ranas se sumergieron en el circuito de líquido. Una bomba hizo circular oxígeno a través del circuito que contiene gas. El dióxido de carbono que entra en el circuito de gas se eliminó mediante un absorbente y el oxígeno purificado se devolvió a la bomba para su recirculación. Un evaporador de agua y un calentador eléctrico mantuvieron la temperatura del agua a aproximadamente 60 ° F (15 ° C). Un sistema amplificador en el FOEP aumentó la salida de voltaje de los microelectrodos implantados en los animales al nivel requerido por el aparato de telemetría.
Operaciones
La preparación quirúrgica de las ranas voladoras se completó aproximadamente 12 horas antes del lanzamiento y los animales se sellaron dentro del FOEP. También se preparó un FOEP de respaldo con muestras similares. El vuelo FOEP se instaló en el satélite unas tres horas antes del lanzamiento.
La centrífuga se activó lo antes posible una vez que el satélite estuvo en órbita y se estabilizó a 10-3 g (10 mm / s²). La centrífuga aplicó estímulos de gravedad en ciclos. Cada ciclo duró aproximadamente 8 minutos y consistió en lo siguiente: un período de 1 minuto sin aceleración, un período de 8 segundos cuando la rotación comenzó lentamente, 14 segundos de 0,6 g (6 m / s²) constantes , un período de 8 segundos cuando la rotación se detuvo lentamente, y un período de 6 minutos en el que se pudieron medir los efectos secundarios de la rotación. Los ciclos se realizaron cada 30 minutos durante las 3 horas iniciales en órbita y con menos frecuencia durante el resto del vuelo.
El experimento OFO continuó hasta el séptimo día en órbita, momento en el que falló la batería a bordo. No se requirió la recuperación de la nave espacial OFO ni del hardware FOEP. Las dos ranas murieron como parte del experimento.
Resultados
El experimento tuvo éxito. Los índices de electrocardiografía (ECG) mostraron que las ranas voladoras se encontraban en buen estado de salud durante todo el vuelo. Las grabaciones vestibulares se realizaron como se esperaba. Ocurrieron dos fallas en el equipo durante el vuelo: la presión en el recipiente aumentó a 11 libras por pulgada cuadrada (76 kPa) y la temperatura disminuyó a 55 ° F (13 ° C) durante nueve horas. Sin embargo, los experimentos de control realizados en tierra mostraron que estas fallas tuvieron poco efecto en el resultado del experimento de vuelo.
Se observaron varios cambios en la respuesta vestibular durante el período inicial de ingravidez. Todos los cambios observados volvieron a la normalidad durante las últimas 10 a 20 horas del vuelo, lo que sugiere aclimatación .
Paquete de experimento de otolito de rana (FOEP)
El paquete experimental de otolitos de ranas (FOEP) contiene todos los aparatos necesarios para asegurar la supervivencia de dos ranas. Las muestras se almacenan en una centrífuga autónoma llena de agua que proporciona la aceleración de la prueba durante la órbita. Las ranas se desmotivan para evitar que se suelten los electrodos implantados y para reducir su tasa metabólica.
Sistema de soporte vital (LSS): El LSS mantiene un entorno regulado dentro del FOEP para asegurar la supervivencia y el funcionamiento normal de dos ranas desmotorizadas. El mamparo inferior de la estructura de montaje interior proporciona espacio de montaje para todo el equipo de soporte vital.
Las dimensiones del paquete eran 18 pulgadas (457 mm) de diámetro × 18 de largo, pesaban 91 libras (41 kg) cuando se cargaba. La adquisición de datos consistió en ECG, temperatura corporal y actividad vestibular. También había una unidad de prueba FOEP en tierra a la que se podía conectar el FOEP antes del vuelo para ventilación y verificación de las condiciones ambientales antes de cargar en la nave espacial.
Frasco
La carcasa exterior del FOEP es un recipiente hermético a presión de 18 1 ⁄ 16 pulgadas (458,8 mm) de diámetro y 18½ pulgadas (470 mm) de largo. El cierre inferior y la tapa superior extraíble están ligeramente abovedados para evitar la implosión en caso de que se encuentren cambios de presión. La estructura de ensamblaje interior está sujeta a un anillo de soporte aproximadamente a 6 pulgadas del fondo del recipiente y consta de mamparos superior e inferior unidos por un cilindro. Los recortes en el cilindro permiten el acceso a la centrífuga, que alberga las ranas. Cerca de la parte superior del recipiente hay dos receptáculos de alimentación eléctrica para la fuente de alimentación y la línea de datos.
Centrífugo
La centrífuga es un cilindro hueco de 6 pulgadas de diámetro y 13,5 pulgadas de largo con ambas tapas en su lugar. El cilindro está montado perpendicular al recipiente y soportado por cojinetes de bolas alojados en los mamparos superior e inferior. El eje de rotación de la centrífuga está formado por ejes ubicados centralmente en el plano vertical en ángulo recto con el cilindro, mantenidos en su lugar por los rodamientos de bolas. Se atornillan tapas de extremo finas con cúpula poco profunda a cada extremo de la centrífuga con juntas de goma intermedias para evitar fugas. En el centro de cada tapa hay un accesorio que permite que las muestras de rana estén completamente instrumentadas y montadas directamente en las tapas de los extremos antes de insertarlas en la centrífuga y sumergirlas. El agua sirve como colchón para las altas aceleraciones y vibraciones del lanzamiento y como medio para el intercambio de gases a través de la piel de las ranas. La centrífuga se bloquea en su posición y no se suelta hasta que la órbita de la nave espacial se estabiliza por completo. El motor que impulsa la centrífuga está montado en el mamparo superior. Los amplificadores de señal y un acelerómetro están montados en la centrífuga.
Electrodo de flotabilidad neutra
El microelectrodo consta de una sonda de alambre de tungsteno de 50 µm de diámetro, afilada eléctricamente hasta un punto de menos de 1 µm de diámetro y completamente aislada hasta la punta. Una burbuja de aire atrapada en el tubo de polietileno que contiene la sonda agrega flotabilidad y hace que el electrodo tenga la misma densidad que el nervio en el que está implantado, lo que permite que los dos se muevan juntos. Se usa una sección de parafina para conectar el electrodo a un mango que se usa solo durante el proceso de implantación y luego se retira. Los impulsos nerviosos detectados por los microelectrodos se alimentan a un preamplificador directamente conectado a la mandíbula de la rana y se pasan a un amplificador posterior a los datos para la telemetría de la nave espacial.
Sistema de soporte vital (LSS)
El sistema de soporte vital (LSS) del Frog Otolith Experiment Package (FOEP) mantiene un entorno regulado dentro del FOEP para asegurar la supervivencia y el funcionamiento normal de las muestras experimentales. El LSS está diseñado para cumplir con los requisitos fisiológicos de dos ranas desmotorizadas que pesan 350 g (12 oz) cada una. Las ranas se desmotorizan cortando los nervios de las extremidades, lo que reduce su tasa metabólica. En esta condición, las ranas no requieren respiración artificial y pueden permanecer sanas sin ser alimentadas, hasta por un mes. Después de ser instaladas en la centrífuga, las ranas se sumergen completamente en agua, que sirve como medio para el intercambio de oxígeno y dióxido de carbono y calor a través de la piel de la rana.
El LSS consta principalmente de dos circuitos cerrados: uno que contiene líquido y el otro que contiene gas. El mamparo inferior de la estructura de montaje interior proporciona espacio de montaje para todos los equipos LSS. El sistema de suministro de oxígeno opera a través de estos circuitos e incluye una botella de oxígeno de 4,5 cm³ de capacidad, un reductor y regulador de presión, un pulmón artificial, un absorbedor de CO 2 y un suministro de agua. El control limitado sobre la temperatura del ambiente de las ranas está disponible por medio de un evaporador / calentador de agua.
Pulmón artificial
La interfaz entre bucles se produce en una membrana de caucho de silicona selectivamente permeable que separa el líquido y el gas. Esta membrana, llamada pulmón, pasa oxígeno del circuito de gas al circuito de líquido y CO 2 del circuito de líquido al circuito de gas.
Bucle de líquido
Las ranas, alojadas en la centrífuga, están en el circuito de líquido. Pasando del pulmón a las ranas, el circuito contiene agua y oxígeno disuelto; pasando de las ranas al pulmón, contiene agua y CO 2 libre . Una doble capa de espuma de poliuretano que recubre el interior de la centrífuga evita que los desechos de las ranas ensucien el sistema de circulación de agua. El agua se hace circular a través del circuito de líquido mediante una pequeña bomba y debe pasar a través del filtro antes de salir de la centrífuga.
Bucle de gas
El circuito de gas consta de un circuito en el mamparo inferior a través del cual circula el oxígeno mediante una pequeña bomba. La bomba suministra oxígeno puro al pulmón, donde parte de él pasa al circuito de líquido, mientras que el resto se mezcla con el CO 2 procedente del circuito de líquido. Desde el pulmón, la mezcla de oxígeno-CO 2 pasa a través de un lecho de Baralyme que absorbe el CO 2 . El oxígeno puro se devuelve del Baralyme a la bomba y se recircula. El suministro de oxígeno se repone con gas del pequeño tanque de oxígeno.
Evaporador / calentador
Aumentado por el entorno térmico de la nave espacial, el evaporador de agua y el calentador eléctrico de 8 vatios mantendrán la temperatura del agua a 60 ± 5 ° F (15,5 ± 3 ° C). El suministro de agua para el evaporador está contenido en una vejiga de goma sostenida por un anillo en el recipiente inmediatamente encima de la cúpula inferior. Cuando la temperatura del agua excede los 60 ° F nominales, un comando de tierra activa un circuito de sincronización que opera una válvula. Como resultado de la presión ambiental dentro del recipiente, el agua sale de la vejiga a través de la válvula y entra en el evaporador. Las cargas de calor internas se transfieren a través de un intercambiador de calor al evaporador y se disipan al evaporar el agua.