Misja IGNIS: Nowoczesne opaski zbadają puls astronauty. I nie tylko...

Eksperyment MXene in LEO (MXene Material and Wearable Device Experiments in Low-Earth Orbit Space Habitat) został opracowany w Centrum Technologii Kosmicznych AGH przez ekipę badawczą w składzie: prof. Tadeusz Uhl (dyrektor CTK AGH), dr inż. Shreyas Srivatsa (koordynator eksperymentu), dr Agata Kołodziejczyk, dr inż. Krzysztof Grabowski, dr inż. Dagmara Stasiowska i mgr inż. Wojciech Guziewicz. O jego znaczeniu dr Dagmara Stasiowska opowiada w rozmowie z Grzegorzem Jasińskim.

Grzegorz Jasiński: Muszę zacząć od gratulacji, dlatego że wśród kilkunastu misji, które Sławosz Uznański-Wiśniewski będzie realizował na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, jest państwa projekt, więc serdecznie gratuluję...

Dr inż. Dagmara Stasiowska: Dziękuję w imieniu zespołu.

I od razu pytam. MXene na LEO. LEO to niska orbita Ziemi. Tyle wiemy. Ale co to jest to MXene? Jak się to wymawia?

MXene to jest grupa nanomateriałów, bardzo szeroka odnośnie tego, z czego mogą być. Najczęściej są to azotki metali. W naszym przypadku jest to węglik tytanu, bo też węgliki wchodzą w skład tej grupy. My konkretnie korzystamy z węglika tytanu. Jest to taki nanomateriał złożony z takich - nazwijmy to - płatków materiału, które dzięki swoim właściwościom nadają się idealnie na czujniki.

Płatki materiału to od razu kojarzy się z grafenem, więc on jest nieco podobny do grafenu, bo to też jest jakby materiał dwuwymiarowy.

Tak, jest nieco podobny. Natomiast MXeny mają znaczącą przewagę nad grafenem, mianowicie taką, że wykazują się biokompatybilnością. To znaczy możemy spokojnie użyć takich MXenów jako sensorów, które będą miały kontakt ze skórą człowieka, co w przypadku grafenu niestety najczęściej nie jest możliwe.

Jak państwo zamierzacie te MXeny użyć w przypadku lotu Sławosza Uznańskiego-Wiśniewskiego?

Nasz eksperyment składa się tak naprawdę z dwóch części - części A i części B. Nazwijmy to tak roboczo. Część A skupiona jest stricte na sprawdzeniu stabilności nanomateriału typu MXene w warunkach Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. To znaczy tak naprawdę w warunkach mikrograwitacji. Czy właściwości tego materiału pozostaną takie same? Natomiast część B skupia się już bardziej na takim użyciu w praktyce tego nanomateriału jako sensora, a dokładniej - z jego pomocą chcemy pomierzyć puls astronauty oraz astronauta w trakcie noszenia opaski z takim czujnikiem będzie musiał wykonać konkretną sekwencję ruchów, którą też ten czujnik rejestruje. Na podstawie znajomości tej sekwencji będziemy mogli tak naprawdę wyznaczyć, w jaki sposób sygnał jest oddawany przez czujnik na pomiarach.

Jak rozumiem, to w związku z tym, że ten materiał przewodzi prąd elektryczny?

Tak, jak najbardziej. To jest właściwość, o której powinnam powiedzieć na początku. MXeny mają właściwości piezoelektryczne, to znaczy w momencie, kiedy poddajemy taki materiał odkształceniom, zmienia się oporność takiego materiału na przewodzenie prądu. W związku z tym chociażby można badać puls. To są - jakby nie patrzeć - odkształcenia na skórze, w bardzo małej skali, ale jednak dla naszych MXenów mierzalnej.

Ile takich czujników nasz astronauta zabierze ze sobą na wypadek, gdyby jeden się na przykład popsuł?

To nawet nie tyle, co by jeden się popsuł, ale żeby określić, że na pewno mamy wyniki powtarzalne i że nie był to przypadek, że udało nam się coś zmierzyć. Wysyłamy kilka takich opasek z sensorami, tak, żeby na wszystkich zostały przeprowadzone takie same testy. Takich opasek ubieralnych Sławosz zabiera ze sobą 6, natomiast na każdej opasce nadrukowane są dwa sensory i do tego ta część MXA, czyli część badająca stabilność tego nanomateriału, to jest taka płytka PCB z nadrukowanymi sensorami z MXenów i tych sensorów jest tam nadrukowanych 6.

I to jest jakby takie pudełeczko, które gdzieś sobie będzie? Gdzie ono będzie w czasie tego eksperymentu?

Tak, to jest dokładnie takie pudełeczko, przynajmniej w przypadku tej części MXA. To jest takie metalowe pudełko, w którym w jednej części mieści się cały system akwizycji danych, więc tam całe nasze dane z eksperymentu zarówno części A, jak i części B są zbierane, a druga część - takie pudełeczko dopasowane do tego pierwszego. Tam znajduje się płytka właśnie ze wspomnianymi sensorami. Tak to mniej więcej wygląda.

A jak jedno się komunikuje z drugim? Tam jest jakieś Wi-Fi na stacji kosmicznej?

Oj nie, nie chcieliśmy wchodzić w temat możliwości używania Wi-Fi na stacji kosmicznej, więc zwyczajnie po kabelkach. Tak samo opaski muszą zostać podpięte kablem do tego samego urządzenia, natomiast dane zgrywane są za pośrednictwem tak zwanego Astro Pi, czyli tak naprawdę takiego kosmicznego odpowiednika Raspberry Pi, czyli takiego prostego komputera, który myślę, że niejeden elektronik zna. I dzięki temu te dane jesteśmy w stanie ściągać praktycznie w czasie rzeczywistym z orbity do nas.

Czyli to już jest ta łączność z orbity na Ziemię. Natomiast łączność pomiędzy astronautą a tym pudełeczkiem zbierającym dane będzie po kabelku?

Dokładnie tak.

Ale nie będzie musiał być cały czas podpięty, czy w trakcie eksperymentu? I jak długo w ogóle będą noszone te czujniki? Cały czas w misji czy przez jakieś konkretne chwile?

No przez cały czas na pewno nie, bo na to by nam NASA nigdy nie pozwoliła. Ani ESA. Nie możemy podpinać tak astronautów na smycz. Natomiast sam eksperyment wygląda tak, że w swoim harmonogramie Sławosz będzie miał zaplanowane testowanie kolejnych opasek i w momencie, kiedy ma zaplanowaną taką sesję testowania, podchodzi, a właściwie podlatuje do stolika, na którym umieszczony będzie cały eksperyment. Wyciąga jedną lub dwie opaski, w zależności od tego, ile ma ich zaplanowanych w trakcie jednej sesji, do przetestowania. I tak naprawdę wtedy zaczyna się cała procedura podpinania opaski do urządzenia, zakładania opaski na nadgarstek. Później odpala eksperyment na  Astro Pi, czyli na tym takim komputerze zawiadującym tym całym eksperymentem. Wykonuje konkretną sekwencję ruchów, ona trwa około 10 minut, później to ściąga i w zasadzie ma wtedy wolne aż do następnego powtórzenia.

Ile takich powtórzeń na te dwa tygodnie państwo zaplanowaliście?

Każdą opaskę chcemy przetestować dwa razy. Jako, że opasek mamy sześć, to łącznie dwanaście takich sesji będzie zaplanowanych.

Ile to będzie trwało? W sumie 10 minut każda?

Każda 10 minut, więc tak naprawdę to będzie gdzieś około dwóch godzin.

Z tych dwóch tygodni. Od razu muszę się przyznać, że pytałem panią o zdjęcie takiej opaski, o fotografię. No i pani takiej fotografii nam nie zaproponuje. Dlaczego?

Niestety nie mogę jeszcze w tym momencie ujawniać wyglądu opaski. Jako że jesteśmy w trakcie składania aplikacji patentowej na ten konkretny wzór i na tę konkretną opaskę, więc za jakiś czas mam nadzieję, że będziemy mogli się tym pochwalić.

Ale to już raczej po misji.

Zobaczymy.

Proszę mi powiedzieć, co tak naprawdę Sławosz Uznański będzie musiał w ramach Państwa eksperymentu wykonać. Będzie musiał założyć opaskę, będzie musiał się podpiąć do tego czujnika, wykonać sekwencję ruchów, o której Pani mówi. Co jeszcze?

Tak naprawdę to jest większość operacji, których wymagamy. Przy części A eksperymentu, czyli tej dotyczącej stabilności, tak naprawdę poza tym, że Sławosz będzie musiał wcisnąć przycisk, żeby odpalić jakby ten eksperyment, a dokładniej żeby odpalić zegar, dzięki któremu uda nam się zsynchronizować później dane, tak naprawdę ten eksperyment już później jest autonomiczny. Więc w większości, czego wymagamy od Sławosza, to jest testowanie właśnie tych opasek i tak naprawdę podążanie za procedurą, którą sporządziliśmy wspólnie z innymi instytucjami, które w tym pomagały, w operacjach nad takimi eksperymentami na ISS.

Czego państwo oczekujecie po tym eksperymencie? Pójdźmy na maksimum. Co byłoby tym idealnym wynikiem tego eksperymentu?

To ja zacznę od minimum. Oczekujemy wyników. A cóż, idąc w maksimum, jakby dając się ponieść wyobraźni, to gdzie ten eksperyment może nas doprowadzić? To takim moim ulubionym zastosowaniem, które wyobrażam sobie w przyszłości jest zastosowanie w rękawicach astronautów. Mianowicie w trakcie testów laboratoryjnych, już w tym momencie udało nam się ustalić, że wykorzystane sensory są w stanie z dość dużą dokładnością pokazywać nam, co w danym momencie człowiek próbuje zrobić z ręką, na przykład, którym palcem próbuje ruszyć. Jak to się przekłada do rękawic? W taki sposób, że jeśli okaże się, że faktycznie te sensory są tak czułe, jak zakładamy i że przebywanie w kosmosie nie wpływa na nie w żaden znaczący sposób, możemy w pewnym momencie oczekiwać, że będziemy takie sensory integrować z rękawicami po to, żeby móc reagować na ruchy, które astronauci w trakcie spacerów kosmicznych w skafandrach chcą wykonać i ich w tych ruchach wspomagać. Bo jak się okazuje niestety, ale spacery kosmiczne i praca w rękawicach w skafandrze kosmicznym jest szalenie wymagająca dla palców i też niestety powoduje kontuzje. Może tak to nazwijmy. I uszkodzenia opuszków, uszkodzenia paznokci. Są chirurgowie, którzy zajmują się stricte palcami astronautów, którzy pracują poza Międzynarodową Stacją Kosmiczną, czyli w skafandrze, w trakcie EVA, czyli spaceru kosmicznego. Więc w taki sposób możliwość w przyszłości wspomagania ich pracy myślę, że byłaby bardzo cenna.

Czyli plan maksimum to byłoby zastosowanie państwa czujników w rękawicach skafandrów kosmicznych przeznaczonych - nie ograniczajmy się do pracy na zewnątrz stacji kosmicznej - ale pójdźmy na Księżyc.

Na Księżyc, na Marsa oczywiście, jak najbardziej. To też mogłoby być dodatkową motywacją, czyli polecenia na inne planety i tam też zintegrowanie takich sensorów. Ale wracając na Ziemię, też mamy duży potencjał na zastosowanie ich. Bo chociażby, skoro ten materiał wykazuje się właściwościami piezoelektrycznymi, to również monitorowanie budowli i odkształceń w budowlach, dbanie tak naprawdę o bezpieczeństwo konstrukcji. To jest też duże pole, w którym mamy nadzieję wdrożyć te sensory w pewnym momencie. Również oddzielną kategorią jest wykorzystanie tych sensorów nie tylko jako czujników odkształceń, ale również jako czujników do pomiaru temperatury, wilgotności i stężeń gazów. Wszystkie te rzeczy są osiągalne.

Przy pomocy tych MXenów?

Dokładnie, przy pomocy tych MXenów. Wszystkie te rzeczy możemy nimi pomierzyć. Pytanie tylko, czy uda nam się to tak naprawdę utrzymać powtarzalne i czy te wyniki będą będą miarodajne i za każdym razem takie same.

Te czujniki są zakładane na nadgarstek?

W tym momencie, w tej opasce są zintegrowane tak, żeby nakładać to na nadgarstek. Tak naprawdę, jak takiego smartwatcha trochę. Z tym, że w smartwatchach czujniki, które monitorują nam puls są czujnikami optycznymi. Nasz jest oparty na innej zasadzie działania. Czyli wykrywamy te odkształcenia, o których wspominałam. Tak, że nakładamy na nadgarstek taki czujnik, zintegrowany z opaską z celulozy bakteryjnej. I to też stanowi swego rodzaju novum, bo tego materiału na ISS też nigdy nie było. Celuloza bakteryjna jest materiałem, jak można się po nazwie domyślić, produkowanym przez bakterie, z cukru. Najczęściej. To jest materiał, który dzięki temu, że jest produkowany w takiej, nazwijmy to, kąpieli, jesteśmy hipotetycznie w stanie go otrzymać również na orbicie, albo na Księżycu, albo na Marsie, to znaczy bez konieczności zwracania się ku zasobom na Ziemi. W momencie, kiedy na przykład czujnik nam się popsuje. jesteśmy w stanie wyprodukować sobie nową opaskę w kosmosie, nadrukować później na nią nasz czujnik i mieć nowiutki sensor na miejscu, bez konieczności sprowadzania czegokolwiek z Ziemi.

A czujnik też się da zrobić na orbicie z pomocą drukarki 3D?

Z pomocą drukarki. To wystarczy, bo MXene to jest tak naprawdę taki proszek, pasta. My najczęściej pracujemy z pastą, którą tak naprawdę na nasze wszystkie urządzenia nadrukowaliśmy metodą sitodruku. Więc jest to coś, co jesteśmy w stanie zrobić praktycznie wszędzie. Myślę, że jeszcze chwila i zwykła drukarka też wystarczy do tego, żeby to wydrukować.

Sama misja to jedno, ale doprowadzenie do tej misji, to jest coś szczególnego, bo NASA, ESA mają procedury. Żeby wysłać tam cokolwiek, z astronautą, to trzeba te procedury przejść. Państwo już przeszliście, te czujniki już są gdzieś zapakowane i czekają?

Już są. Oj tak, NASA i ESA mają procedury. Nikt się chyba nie spodziewał, jak dużo mają tych procedur. Z perspektywy czasu może to było naiwne myślenie na początku z naszej strony, że wierzyliśmy, żejak już zaakceptowali pomysł, to pójdzie już tak łatwo i przyjemnie. A tu praca się dopiero zaczęła. W tym momencie eksperyment faktycznie jest już dostarczony i zapakowany do wysyłki do Stanów Zjednoczonych, albo już może nawet tam jest. Nie wiem, bo to już jest rzecz, która została przekazana odpowiedniej firmie, więc już jest poza naszą kontrolą, całkowicie. Natomiast żeby doprowadzić do tego momentu, że ta firma może przyjąć od nas nasz eksperyment, żeby go później przetransportować już na Cape Canaveral, czyli tam, skąd załoga będzie startować, to był proces. To był proces ponad roczny, który wygenerował, myślę, że swobodnie, około 3 tysięcy stron dokumentacji i to tak lekką ręką licząc. Bo tak jak pan wspomniał, jest bardzo dużo procedur odnośnie bezpieczeństwa materiałów, załogi, samej stacji kosmicznej. W momencie jak ślemy tam nowe materiały, których tam nigdy wcześniej nie było, no to było dużo do udowodnienia, że eksperyment jest bezpieczny. A agencji Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA) też bardzo zależy, bardzo słusznie zresztą, na udowodnieniu, że ten eksperyment faktycznie przyniesie jakąś wartość naukową, czyli że wiemy, co robimy tak na dobrą sprawę i że pieniądze wydane na to, żeby ten eksperyment zrealizować, wysłać i później jeszcze odzyskać, nie będą pieniędzmi straconym.

Tysiące stron dokumentacji na jaką masę tego eksperymentu?

Mniej niż kilogram. Nie pamiętam dokładnie...

Ale to pewnie z pudełkiem?

Tak, tak. Pudełko, to eyui na tę część eksperymentu MXA jest dość ciężkie, bo jest wykonane z aluminium i to było frezowane z jednego kawałka aluminium, żeby też mieć pewność co do struktury. Można było swobodnie to pudełko równie dobrze wydrukować i byłoby to dużo lżejsze, a wartość naukowa byłaby identyczna.

Czego państwo teraz spodziewacie się, jeśli chodzi o samą misję, bo zapowiedziano ją na przełomie maja i czerwca, więc jeśli chodzi o urlopy, to rozumiem, jest stan oczekiwania. Jak to będzie wyglądało, kiedy misja się już rzeczywiście zacznie? Państwo już doskonale wiecie, w której godzinie, w której minucie misji te eksperymenty będą? Czy ten manifest, jak się to mówi, jeszcze nie jest do końca gotowy?

Jeszcze nie jest do końca gotowy. I jeszcze te plany są dość może nie elastyczne, ale dopracowywane, bo jednak skoordynowanie 13 eksperymentów, które trzeba wykonać w ciągu zaledwie dwóch tygodni, plus na początku trzeba to wszystko z setupować, tak to nazwijmy, czyli wszystko wyciągnąć, pomontować, zainstalować, odpalić i później jeszcze to trzeba wszystko spakować z powrotem, albo żeby się tego pozbyć, albo żeby zabrać ze sobą z powrotem na Ziemię. No to nagle ten czas nam się kurczy i jest go wyjątkowo mało. A jednak większość eksperymentów spoczywa na Sławoszu, w tej konkretnej misji. Więc odnośnie naszych planów, to tak, plany urlopowe póki co są na wstrzymaniu. Natomiast to nie jest też tak, że strasznie z tego powodu cierpimy, bo w perspektywie mamy bardzo ekscytującą rzecz, to znaczy możliwość obserwacji, wykonywania naszego eksperymentu na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, co dla osób zajmujących się kosmosem jest bardzo ekscytujące. I wiem, że w pierwszych dniach i w trakcie pierwszych, jednej czy dwóch sesji z opaskami, chcemy być obecni w Szwajcarii w Centrum Wspierania Eksperymentów Biologicznych. Jest taka jednostka, która się tym zajmuje. Oni mają tak naprawdę kontakt z ISS, powiedziałabym, ciągły. Wiadomo, że to jest obwarowane tam przejściem kilku szczebli zezwolenia, żeby porozmawiać z astronautą, natomiast w razie czego jest taka możliwość i tam chcemy być po to, żeby w razie gdyby, - tfu, tfu - coś się stało, żeby móc służyć pomocą. Plus jednak też niewątpliwą zaletą jest to, że w razie czego mówimy tym samym językiem ojczystym, co Sławosz, a niekiedy w sytuacjach stresowych, łatwiej jest się porozumieć w języku ojczystym. Łatwiej jest też wytłumaczyć niektóre rzeczy, po prostu. Z tego też względu taki jest plan na ten początek. No i będziemy już tylko radośnie otrzymywać dane i móc je analizować i pracować nad tak naprawdę pomysłem na dalszą realizację tego projektu i dalszy jego rozwój.

Sławosz jest już przeszkolony w tym wszystkim, czy jeszcze coś, jakiś etap jest przed nim?

Jeszcze czeka nas tak naprawdę w przyszłym tygodniu tzw. baseline data collection, czyli wykonanie tego eksperymentu razem ze Sławoszem na Ziemi w Centrum Szkolenia Astronautów w Niemczech. I w trakcie tego - tak zwanego BDC - my tak naprawdę wykonujemy ten eksperyment po to, żeby później dane z orbity móc porównać z danymi z Ziemi sprzed i po misji i zobaczyć, czy w jakimś przypadkiem dużym stopniu te dane nie odbiegają od tego, co uzyskaliśmy tam. Więc to jest jeszcze przed nami. Szkolenie nie jest po naszej stronie, szkoleniem zajmują się wykwalifikowane osoby z Centrum Szkolenia Astronautów. My tylko służymy ewentualną pomocą, mailowo czy telefonicznie, w razie gdyby nas potrzebowali. Natomiast wiedzą jak takie rzeczy robić. Nie od dzisiaj się tym zajmują, więc ufamy ich kompetencjom.

I jak rozumiem, skrzyneczka wróci na Ziemię? Tak? Bo to nie zawsze tak jest. W przypadku niektórych eksperymentów to ona potem może sobie zostać wysłana którymś z tych pojazdów, który spłonie w atmosferze. Ale te opaski wrócą?

Wystosowaliśmy prośbę o to, żeby wróciły. Złożyliśmy odpowiednie dokumenty i odpowiednie umocowanie tego, czemu chcemy, żeby wróciły. Natomiast ostateczna decyzja myślę, że będzie wtedy, kiedy już dostaniemy tę skrzyneczkę ewentualnie do ręki i wtedy poczujemy, że to faktycznie już się wydarzyło. Bo dużo jest czynników, które wpływają na decyzję o tym, czy coś wraca, czy nie. Więc też nie chcąc uprzedzać faktów i nie powiedzieć, że wróci, jak nie wróci, powiem, że czekamy na decyzję.

Ale w związku z tym rozumiem, że ten powrót nie jest absolutnie konieczny dla powodzenia tego eksperymentu...

Eksperyment został tak zaprojektowany, żeby bez jego odzyskania można było nadal na podstawie samych danych coś wywnioskować, a właściwie całkiem sporo wywnioskować. Jedyne, czego bez powrotu tego eksperymentu nie będziemy w stanie zrobić, to oczywiście analiza mikroskopowa po wystawieniu na warunki panujące na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. Więc wiadomo, że zależy nam na tym, żeby te rzeczy dostać z powrotem i móc je przeanalizować. Natomiast bez tego też sobie poradzimy.

A jakieś takie badania, nie z pomocą mikroskopu, ale takie organoleptyczne na orbicie Sławosz przeprowadzi, żeby w razie czego móc powiedzieć: słuchajcie, te opaski były dalej tak rozciągliwe jak na początku, albo nie były. Ja zresztą nie wiem, czy one są rozciągliwe, bo przecież nie może mi pani tego powiedzieć...

Opaski nie są rozciągliwe. To od razu powiem. O samym materiale, czyli o tej celulozie bakteryjnej mogę powiedzieć tyle, że ona tak naprawdę po tym spreparowaniu bardzo, ale to bardzo przypomina skórę. Jest to taki materiał skóropodobny, w dotyku przyjemny, więc nie powinien nastręczać trudności. Natomiast Sławosz też w trakcie eksperymentu został poproszony przez nas o wypełnienie takiego specjalnego kwestionariusza, w którym między innymi te kwestie organoleptyczne staraliśmy się pokryć. To znaczy pytamy o komfort użytkowania takiej opaski i pytamy o to, czy ma jakieś ewentualne uwagi, żeby w razie gdyby zaobserwował jakąś niepokojącą zmianę, mógł nam o tym dać znać.

Trzymamy kciuki. Dziękuję bardzo i domagam się od razu obietnicy, że jak już państwo będziecie mieli ten patent, już wszystko będzie tak zapewnione, to wtedy będziemy mogli sfotografować i zobaczyć te opaski.

Dziękuję serdecznie. Na pewno tak się stanie.