Corpo no espaço sem traje: o que acontece

Você realmente explodiria?

Nos filmes, uma escotilha da eclusa se abre e a pessoa presa do lado de fora incha, congela por completo ou explode em segundos. Os registros contam uma história mais discreta. Em 1965, um participante de testes no Manned Spacecraft Center da NASA, em Houston, estava em uma câmara de vácuo quando seu traje começou a vazar. Ele permaneceu consciente por cerca de 14 segundos, e sua última lembrança foi a água sobre a língua começando a ferver. A pressão da câmara foi restabelecida e ele se recuperou.

Esta exposição acompanha os primeiros 120 segundos de uma situação assim, segundo a segundo, em um diagrama do corpo. A figura não tem rosto e sua pele é transparente, para que você observe as partes importantes: os pulmões, as vias aéreas, a língua, o cérebro, o coração, os vasos, o intestino e a camada de tecido sob a pele. O controle deslizante de altitude permite experimentar os mesmos dois minutos em alturas menores, da cabine de um avião comercial ao topo do Everest e ao limite de Armstrong, onde a água do corpo começa a ferver.

Esta exposição explica a física e a fisiologia em termos gerais, usando relatórios da NASA, da Força Aérea dos Estados Unidos e da FAA. Não é uma orientação médica, e nada aqui serve de guia sobre o que uma pessoa específica sobreviveria.

Os dois minutos, em ordem

A cena começa com uma pessoa respirando ar comum ao nível do mar, a 101,325 kPa e com 21 % de oxigênio, que são as condições mantidas pela Estação Espacial Internacional. Em seguida, a pressão externa cai quase instantaneamente para a da altitude escolhida. Em um vácuo quase total, os relatórios descrevem aproximadamente o seguinte:

1. 0 a 1 s: o ar dos pulmões sai rapidamente pelas vias aéreas abertas. Se a pessoa prender a respiração, os pulmões se distendem em vez disso.
2. 1 a 5 s: a saliva, as lágrimas e a água de outras superfícies começam a ferver. A pele da boca e do nariz começa a esfriar.
3. Cerca de 9 a 11 s: a consciência útil termina, porque o sangue que chega ao cérebro perdeu seu oxigênio para os pulmões vazios.
4. 5 a 45 s: forma-se vapor de água no tecido sob a pele e nas veias. O corpo e os membros incham, talvez até o dobro do volume normal.
5. Em cerca de 60 s: a pressão venosa sobe até atingir a pressão arterial e o sangue deixa de circular. O coração desacelera acentuadamente.
6. Cerca de 90 s: o limite que a NASA usa no planejamento. Os animais cuja pressão foi restabelecida antes disso geralmente se recuperaram.

A linha do tempo sob o modelo marca esses eventos para qualquer altitude escolhida, com uma marca a cada 15 s. Ao nível do mar, não mostra evento algum, e na altitude de cruzeiro de um avião comercial mostra apenas a escassez de oxigênio.

Solte o ar, não prenda a respiração

A coisa mais perigosa que uma pessoa poderia fazer naquele primeiro segundo seria inspirar profundamente e prender a respiração. O ar preso nos pulmões cheios mantém sua pressão enquanto a pressão externa cai para quase nada. A parede dos pulmões é fina e, por si só, não suporta uma grande diferença de pressão.

O compêndio da NASA sobre as respostas humanas ao ambiente aeroespacial (Roth, 1968) situa esse limite em cerca de 80 mmHg entre o interior e o exterior dos pulmões, equivalentes a 10,7 kPa. Acima disso, em experimentos e em acidentes com seres humanos, o tecido pulmonar se rompe.

Quão pequena é uma diferença de 10,7 kPa? É aproximadamente a queda de pressão do ar entre o nível do mar e 928 m. Mergulhadores com equipamento autônomo aprendem a mesma regra pelo mesmo motivo: nunca prender a respiração durante a subida. Ative Prender a respiração em Controles e os pulmões na cena se distendem e piscam em vermelho, enquanto o painel mostra a diferença de pressão entre seu interior e exterior. No vácuo, ela ultrapassa 100 kPa, dez vezes o ponto de ruptura.

Com as vias aéreas abertas, o ar simplesmente sai. A cena mostra uma lufada de ar saindo da boca e do nariz no primeiro segundo, e os pulmões diminuindo um pouco. Essa perda de ar é inofensiva por si só; o problema que vem depois tem a ver com o oxigênio, não com a ruptura dos pulmões.

A mesma lei, a lei de Boyle, explica o que acontece com todas as outras bolsas de gás no corpo. À temperatura constante, o produto do volume de um gás por sua pressão permanece igual; portanto, se nada o contivesse, o gás do nível do mar aumentaria 3,2 vezes no Everest e 16 vezes no limite de Armstrong. O ouvido médio, os seios da face e o intestino contêm algum gás. A maior parte encontra uma saída ou é contida pelo tecido ao redor, o que pode doer, mas não é o que determina a sobrevivência.

Por que a saliva ferve, mas o sangue não

A água ferve quando sua pressão de vapor, a força das moléculas que escapam do líquido, se iguala à pressão exercida sobre ela. Ao nível do mar, isso acontece a 100 °C. Diminua a pressão e a água ferverá a uma temperatura menor, por isso o macarrão demora mais a cozinhar nas montanhas.

A 6,3 kPa (47 mmHg), a água ferve a 37 °C, a temperatura do corpo. Essa pressão é chamada de limite de Armstrong. Na atmosfera padrão, ela é atingida a cerca de 19 km, ou 63.000 pés. Acima dessa altura, a água na superfície do corpo ferve sem que se acrescente calor. Foi isso que o participante do teste de 1965 sentiu na língua.

O sangue nas artérias é um caso diferente. Ele não fica exposto ao exterior: o coração o impulsiona a uma pressão bem acima da do ar externo, e as paredes dos vasos e o tecido ao redor mantêm essa pressão. Por isso, o sangue arterial não ferve de imediato. O que ocorre, em vez disso, é mais lento e acontece onde a pressão é menor: no tecido sob a pele e nas grandes veias próximas ao coração.

Calculando o ponto de ebulição

A cena calcula o ponto de ebulição com a equação de Antoine, um ajuste às pressões de vapor medidas:

log10(P / bar) = A − B / (T + C)

Aqui, T é a temperatura em kelvin, e A, B e C são constantes da água do NIST Chemistry WebBook. O modelo usa quatro conjuntos de dados do NIST para a água entre 255,9 e 373 K. Para a temperatura corporal, T = 310,15 K, e o conjunto para 304 a 333 K fornece A = 5,20389, B = 1733,926 e C = −39,485:

log10(P) = 5,20389 − 1733,926 / (310,15 − 39,485) = 5,20389 − 6,40616 = −1,20227

Assim, P = 0,0628 bar = 6,28 kPa, o limite de Armstrong. Para obter o ponto de ebulição em determinada pressão, a mesma equação é rearranjada: T = B / (A − log10 P) − C.

A pressão em cada altitude vem da U.S. Standard Atmosphere 1976, que descreve o ar como uma série de camadas com um perfil de temperatura definido. Até 11 km, a temperatura cai 6,5 K a cada quilômetro; de 11 a 20 km, permanece em −56,5 °C. Combinando as duas relações, obtêm-se os pontos de ebulição mostrados no painel:

Abaixo de 0,61 kPa, o ponto triplo da água, a água líquida não pode existir a nenhuma temperatura. Ela ferve e congela ao mesmo tempo, e o painel informa isso. O pequeno gráfico do painel desenha a curva inteira em escala logarítmica, com a linha da temperatura corporal e um ponto laranja para a pressão escolhida.

Cerca de dez segundos de oxigênio

Normalmente, os pulmões acrescentam oxigênio ao sangue. No vácuo, fazem o contrário. Sem oxigênio nos pulmões, o oxigênio sai do sangue à medida que ele passa por eles; assim, o sangue que chega ao cérebro alguns segundos depois transporta ainda menos do que quando saiu do corpo. O cérebro armazena apenas o suficiente para alguns segundos.

O Bioastronautics Data Book da NASA (1973) prevê que algum grau de consciência dure de 9 a 11 segundos e diz que uma pessoa subitamente exposta provavelmente teria no máximo de 5 a 10 segundos para agir em seu próprio auxílio. Cães descomprimidos para menos de 2 mmHg caíram após 9 a 10 segundos. Os 14 segundos do participante de 1965 se encaixam nisso, já que seu traje provavelmente nunca chegou a um alto vácuo.

Em altitudes menores, há mais tempo, e a FAA o publica como o "tempo de consciência útil". Esse é o tempo que um piloto tem para agir de modo sensato, não o tempo até a perda de consciência:

O modelo usa a coluna da descompressão rápida, já que a cena começa com uma queda súbita, e o valor de 9 a 11 s do vácuo quase total a partir do limite de Armstrong. Entre as linhas da tabela, desenha uma curva suave. A faixa laranja da linha do tempo representa esse intervalo, e a linha Consciente fica vermelha no início da faixa.

Inchaço, não explosão

Abaixo da pressão do limite de Armstrong, a água nos tecidos do corpo começa a virar vapor, um processo chamado ebulismo. Ele começa onde há menos pressão para impedi-lo: no tecido frouxo sob a pele e no sangue das grandes veias. O Bioastronautics Data Book descreve um inchaço acentuado do corpo, talvez até o dobro do volume normal, a menos que um traje pressurizado o contenha.

O corpo não explode. A pele é resistente e elástica, e o vapor permanece sob ela. Nos experimentos com cães, o inchaço diminuiu drasticamente assim que a pressão subiu acima de cerca de 50 mmHg. O livro de dados também relata que uma roupa elástica justa e bem ajustada impediu inteiramente o ebulismo a pressões tão baixas quanto 15 mmHg. Até roupas comuns apertadas ofereceriam alguma resistência.

Na cena, a pele se desloca para fora ao longo de sua superfície, principalmente nos braços, pernas, mãos e pés, e a camada de tecido abaixo se move menos; assim, o espaço entre as duas representa o inchaço. Ative Abrir a pele para ver esse espaço, e Bolhas de gás para mostrar o vapor como pequenas esferas. As mãos são uma parte separada por causa de um caso real. Em 1960, Joe Kittinger subiu até 102.800 pés em uma gôndola aberta de balão. A luva pressurizada da mão direita falhou durante a subida, e a mão inchou, doeu e ficou inutilizável. Ele saltou mesmo assim, e, ao voltar a uma altitude menor, a mão retornou ao normal.

Quando a circulação para

O vapor que se forma nas grandes veias é o que torna fatal uma exposição mais longa. O compêndio de Roth descreve bolhas se formando onde as grandes veias entram no coração e se propagando em sentido retrógrado pelas veias, um "bloqueio vascular por vapor" que impede o retorno do sangue ao coração. O coração fica sem nada para bombear.

O livro de dados fornece os tempos: a frequência cardíaca pode subir no início e depois cair rapidamente, a pressão arterial diminui ao longo de 30 a 60 segundos, e a pressão venosa atinge ou supera a arterial em cerca de um minuto. Depois disso, praticamente não há circulação efetiva. Cães mantidos por 90 segundos a 2 mmHg tiveram a frequência cardíaca reduzida de um valor normal de 159 para 10 batimentos por minuto.

O modelo desenha a frequência cardíaca subindo nos primeiros 5 s e depois caindo, e a circulação diminuindo entre 5 e 60 s. Essas curvas são linhas suaves que passam pelos tempos relatados, não medições de uma pessoa.

Quanto tempo alguém poderia sobreviver?

Ninguém testou deliberadamente um ser humano, então os números vêm de animais e de acidentes. Em 1964, 126 cães na USAF School of Aerospace Medicine foram descomprimidos para menos de 2 mmHg por 5 a 180 segundos. Todos os cães expostos por menos de 120 segundos sobreviveram após o restabelecimento da pressão, apesar dos sinais de lesão pulmonar. Exposições de 120 a 180 segundos mataram de cerca de 15 % a mais de 80 %. Chimpanzés, testados para a NASA em 1965, foram mantidos abaixo de 2 mmHg por 5 a 150 segundos; todos voltaram à tarefa em que tinham sido treinados em até quatro horas, e os testes não encontraram lesão cerebral.

A partir desses estudos, o livro de dados da NASA conclui que a recompressão em 60 a 90 segundos poderia permitir a sobrevivência e talvez uma recuperação bastante rápida, sem garantia: alguns animais morreram em segundos e uns poucos tiveram danos permanentes. O compêndio de Roth recomenda usar um tempo máximo de sobrevivência de 90 segundos no planejamento de procedimentos de emergência. A linha Se a pressão voltar agora na cena acompanha essas faixas. É uma afirmação sobre o que se observou em animais, não uma previsão para qualquer pessoa.

O único caso real de vácuo completo e exposição por todo esse tempo é o da Soyuz 11. Em junho de 1971, uma válvula de equalização de pressão foi aberta por um solavanco quando o módulo de descida se separou, muito acima da atmosfera. O ar da cabine escapou em menos de um minuto. Os três cosmonautas, que não usavam trajes pressurizados, perderam a consciência e morreram em até dois minutos. A cápsula pousou automaticamente, e a equipe de resgate os encontrou em seus assentos.

O espaço não esfria o corpo instantaneamente

O vácuo não tem ar, portanto não há nada para retirar calor por condução ou convecção. A única saída é a radiação, a emissão infravermelha de qualquer objeto quente. Com a pele a 33 °C, uma emissividade de 0,97 e cerca de 1,5 m² de pele voltados para o espaço aberto, a lei de Stefan–Boltzmann fornece:

P = 0,97 × 5,67 × 10⁻⁸ × 1,5 × 306,15⁴ ≈ 725 W

Um corpo de 70 kg armazena cerca de 243 kJ por grau. A 725 W, a temperatura central cai cerca de 0,36 °C em dois minutos. Seriam necessários mais de cinco minutos para perder 1 grau dessa forma. Ficar à sombra no espaço por dois minutos não congela ninguém.

As partes que realmente esfriam são a boca e o nariz. A água continua evaporando das vias aéreas, e a evaporação leva calor consigo. O livro de dados diz que isso esfria a boca e o nariz até perto do congelamento, enquanto o restante do corpo esfria muito mais lentamente. A linha Boca e nariz mostra essa queda.

A luz solar muda o balanço. À distância da Terra, o Sol fornece 1361 W/m². Se meio metro quadrado do corpo estiver voltado para ele e absorver 60 %, isso corresponde a cerca de 408 W entrando, e a perda líquida cai para cerca de 316 W. Desative Luz solar para ver a temperatura central cair um pouco mais depressa.

O que um traje pressurizado muda

Um traje espacial é, em grande parte, um balão que mantém pressão sobre o corpo. Ele não precisa da pressão do nível do mar: se o gás for oxigênio puro, uma pressão total muito menor fornece oxigênio suficiente aos pulmões. A NASA lista 25,8 kPa para os trajes Apollo, 29,6 kPa (4,3 psi) para o traje da estação e 39,2 kPa para o Orlan russo, todos com 100 % de oxigênio. Isso fica bem acima do limite de Armstrong, portanto nenhuma água do corpo ferve. Curiosamente, 4,3 psi também é aproximadamente a pressão do ar do lado de fora de um avião a 30.000 pés.

Uma pressão menor no traje facilita dobrá-lo, especialmente as luvas, mas traz outro problema. Passar do ar da estação a 101 kPa para um traje a 29,6 kPa permite que o nitrogênio dissolvido no corpo forme bolhas, a mesma doença descompressiva que afeta mergulhadores. Por isso, os astronautas primeiro respiram oxigênio puro para eliminar o nitrogênio. Em um dos protocolos da estação, isso leva 2 horas e 20 minutos, da primeira inspiração de oxigênio até a caminhada espacial.

Ative Traje pressurizado e toda a linha do tempo permanece tranquila: sem inchaço, sem ebulição, pulmões normais e oxigênio normal.

Abaixo do espaço

Você não precisa ir ao espaço para encontrar alguns desses efeitos. O controle deslizante de altitude e os botões acima da linha do tempo permitem experimentar os mesmos dois minutos em outros lugares.

• Cabine de avião comercial: as regras dos Estados Unidos exigem que uma cabine pressurizada mantenha uma altitude de pressão de no máximo 8000 pés em voo normal. Isso corresponde a cerca de 75 kPa, e nenhum evento da linha do tempo ocorre.
• Everest: cerca de 31 kPa na atmosfera padrão. A água ferve a cerca de 70 °C, nada no corpo ferve, e o tempo de consciência útil é de muitos minutos, então a linha do tempo não mostra nada dentro de dois minutos. Alpinistas ainda sofrem com o pouco oxigênio ao longo de horas e dias.
• Avião comercial em cruzeiro: a 35.000 pés, uma perda súbita da pressão da cabine deixa 15 a 30 s de consciência útil. É por isso que as máscaras de oxigênio caem. As regras dos Estados Unidos exigem oxigênio para a tripulação acima de 12.500 pés por mais de 30 minutos e para cada ocupante acima de 15.000 pés.
• Limite de Armstrong: cerca de 19 km. Acima disso, um traje pressurizado é necessário mesmo para uma exposição curta.

O custo de ignorar isso fica claro no acidente de 1999 de um Learjet 35, matrícula N47BA. O contato por rádio foi perdido depois que o jato recebeu autorização para subir a 39.000 pés. O NTSB concluiu que a tripulação havia ficado incapacitada após a cabine perder pressão e seus integrantes não receberem oxigênio suplementar. A aeronave continuou voando até o combustível acabar e caiu em Dakota do Sul.

Casos para experimentar

A lista sob a cena tem 33 casos. Cada cartão ajusta o modelo para sua pressão e seu tempo quando você pressiona Mostrar no modelo, e os cartões com um tempo em segundos têm uma barra na mesma escala de 0 a 150 s, para que você possa compará-los. Eles estão agrupados em cinco tipos:

• Acidentes: o teste na câmara em 1965, a mão de Kittinger, a Soyuz 11, o Learjet em 1999.
• Testes: os estudos com cães e chimpanzés, o limite pulmonar de 80 mmHg, a roupa elástica, a recompressão em até 90 s.
• Regras: os tempos de consciência útil da FAA, as regras de oxigênio e de cabine, as pressões dos trajes e a pré-respiração.
• Altitudes: Everest, o limite de Armstrong, os saltos recordes de balão, a superfície de Marte e a luz solar sem filtragem.
• Filmes: cenas aproximadamente corretas e cenas incorretas, cada uma comparada com os registros.

A superfície de Marte é uma comparação útil. Sua pressão média é de 6,36 mbar, ou 0,64 kPa, aproximadamente a do ar terrestre perto de 35 km. Para um corpo desprotegido, isso fica próximo de um vácuo, por isso um traje para Marte precisa ser um traje inteiramente pressurizado.

O que o modelo deixa de fora

• A figura é um diagrama, não uma pessoa. Sua forma é construída com cápsulas lisas, e os órgãos são formas simples em posições aproximadamente corretas.
• As artérias são desenhadas em vermelho, mudando para roxo conforme o oxigênio diminui, e as veias são sempre azuis. O sangue real pobre em oxigênio é vermelho-escuro.
• As curvas de oxigênio, frequência cardíaca, circulação, inchaço e temperatura da boca são linhas suaves desenhadas através dos tempos relatados. Elas são identificadas como valores do modelo na cena.
• O cenário pressupõe uma queda súbita a partir da pressão do nível do mar. Um vazamento lento dá mais tempo, e uma pessoa que estivesse respirando oxigênio puro antes teria alguns segundos adicionais, como ocorreu com os cães desnitrogenados.
• Pessoas reais são diferentes. A FAA observa que os tempos de consciência útil variam muito com o tamanho dos pulmões, a hemoglobina e quanto oxigênio o corpo usa.
• As altitudes são alturas geométricas na atmosfera padrão de 1976. A pressão real de um local também muda com o tempo meteorológico, a estação do ano e a latitude.
• Os números de calor usam apenas a radiação. A evaporação da pele e das vias aéreas esfriaria a superfície mais depressa.

Uma breve história

Os trajes pressurizados surgiram da aviação de grande altitude antes que os voos espaciais precisassem deles. A subida de Joe Kittinger de balão até 102.800 pés em uma gôndola aberta, em 1960, foi em parte um teste de um desses trajes, e sua mão não pressurizada se tornou o exemplo mais conhecido do que acontece sem ele.

No início da década de 1960, com a construção de espaçonaves e grandes câmaras de vácuo, o Manned Spacecraft Center da NASA financiou estudos com animais para descobrir o que uma falha no traje provocaria. Bancroft e Dunn descomprimiram 126 cães em 1963 e 1964; a equipe de Koestler na Holloman Air Force Base testou chimpanzés e apresentou seu relatório em novembro de 1965. Os resultados entraram no Bioastronautics Data Book e no compêndio de Roth, que estabeleceram os números ainda citados hoje: cerca de 10 segundos de consciência útil e cerca de 90 segundos para planejar um resgate.

Desde então, os casos humanos foram principalmente acidentes com desfechos favoráveis, como o teste na câmara em 1965. A Soyuz 11, em 1971, continua sendo a única ocasião em que pessoas morreram no próprio espaço.