چراغ‌ خواب فضانوردان ایستگاه فضایی به زمین می‌آید

به گزارش گروه دانش و فناوری، ماه گذشته، اعلام شد که آندریاس موگنسن(Andreas Mogensen)، فضانورد آژانس فضایی اروپا که در ایستگاه فضایی بین‌المللی(ISS) ساکن است، به آزمایش پنل نور ریتم شبانه‌روزی(Circadian Light Panel) استارتاپ دانمارکی ساگا اسپیس آرکیتکتس(SAGA Space Architects) می‌پردازد. این یک سیستم نورپردازی جدید است که به طور ‌ویژه برای بهبود الگوهای خواب فضانوردان طراحی شده است.

پنل نوری با استفاده از هفت نوع چراغ ال‌ای‌دی برای پوشش یک طیف نوری مخصوص که در زوایا و طول موج‌های مختلف ساطع می‌شود، نور را مطابق با برنامه خواب آندریاس موگنسن تنظیم می‌کند تا احساس هوشیاری یا خواب آلودگی را القا کند. برخلاف سیستم‌های قبلی، این سیستم کاملا خودکار است.

همانطور که می‌دانید، خوابیدن در فضا کار آسانی نیست. به دلیل کمبود جاذبه، ساکنان ایستگاه فضایی بین‌المللی نمی‌توانند روی تخت‌ها دراز بکشند و باید در کیسه‌هایی بخوابند که به دیوار اتاق‌های خواب کوچک متصل شده‌اند. اما حتی اگر فضانوردان به شناور شدن هنگام خواب عادت کنند، بسیاری از آنها به این دلیل از بی‌خوابی رنج می‌برند که در حین چرخش به دور زمین، هر ۹۰ دقیقه غروب و طلوع خورشید را می‌بینند.

این موضوع ریتم شبانه روزی آن‌ها را به هم می‌زند و به همین دلیل است که براساس تحقیقات، فضانوردان به طور متوسط فقط شش ساعت می‌خوابند که بسیار کمتر از هفت تا ۹ ساعت توصیه شده برای بزرگسالان است.

با این حال، بسیاری از مردم روی زمین نیز با بی‌خواب دست و پنجه نرم می‌کنند. بر اساس گزارش مرکز کنترل و پیشگیری از بیماری‌ها(CDC)، از هر سه آمریکایی، بیش از یک نفر دچار کمبود خواب است.

علاوه بر این، آکادمی پزشکی خواب آمریکا(AASM) محاسبه کرده است که ۱۵ تا ۲۰ درصد از آمریکایی‌ها بی‌خوابی کوتاه مدت دارند که کمتر از سه ماه طول می‌کشد و ۱۰ درصد بی‌خوابی مزمن دارند که حداقل سه بار در هفته به مدت دستکم سه ماه رخ می‌دهد. در سطح جهانی بین ۱۰ تا ۳۰ درصد افراد بی‌خوابی را تجربه می‌کنند.

مشکلات خواب ممکن است به دلیل برخی از بیماری‌های روانی و جسمی و همچنین برخی از داروهایی که برای درمان آنها استفاده می‌شوند، به وجود بیاید.

همچنین بی‌خوابی می‌تواند به دلیل عادات خواب ناسالم مانند برنامه‌های خواب نامنظم، محیط خواب نامناسب و نگاه کردن بیش از حد به صفحه نمایش‌ها قبل از خواب ایجاد شوند.

همچنین بحث‌هایی در مورد تاثیر نور آبی وجود دارد. نور آبی نوعی نور است که از خورشید و همچنین دستگاه‌های دیجیتال ساطع می‌شود و مشخص شده که از ترشح ملاتونین جلوگیری کرده و خواب را مختل می‌کند.

اما مردم معمولا فراموش می‌کنند که حتی قبل از استفاده از لپ‌تاپ‌ها و تلفن‌های هوشمند، نور مصنوعی به طور کلی به عنوان سرکوب‌کننده ملاتونین شناخته شده بود.

اما اگر نور مصنوعی بتواند برعکس عمل کند چه؟ به عبارت دیگر، اگر بتوانیم همان پنل‌های روشنایی ریتم شبانه‌روزی مورد استفاده در ایستگاه فضایی بین‌المللی را به خانه‌های خود بیاوریم، چطور خواهد بود؟

نور ریتم‌ شبانه‌روزی چگونه کار می‌کند؟

ریتم شبانه‌روزی «ساعت داخلی» بدن است که چرخه‌های خواب‌آلودگی و بیداری را در پاسخ به نشانه‌های بیرونی که عمدتا نور طبیعی است، تنظیم می‌کند.

هنگامی که خورشید طلوع می‌کند و محیط را با نور پر می‌کند، ریتم شبانه‌روزی به فرد سیگنال می‌دهد که با افزایش سطح کورتیزول، هورمونی که انسان را در طول روز بیدار نگه می‌دارد، بیدار شود، احساس هوشیاری کند و فعال باشد. هنگامی که خورشید غروب می‌کند، ریتم شبانه‌روزی نور رو به کاهش را حس می‌کند و با کاهش سطح کورتیزول بدن را برای استراحت و تحریک ترشح هورمون خواب ملاتونین، که به احساس خواب آلودگی کمک می‌کند، آماده می‌کند.

از آنجایی که قرار گرفتن در معرض نور در فضا متفاوت است، فضانوردان نشانه‌های یکسانی را برای تنظیم هورمون‌های خواب تجربه نمی‌کنند. در طول سال‌ها، سیستم‌های روشنایی شبانه‌روزی برای کمک به جلوگیری از کمبود خواب در فضانوردان توسعه یافته است.

این سیستم‌ها برای شبیه‌سازی تغییرات طبیعی شدت نور و رنگ که در طول روز روی زمین رخ می‌دهد طراحی شده‌اند.

آن‌ها با تنظیم پویای شدت و رنگ نور مصنوعی کار می‌کنند تا با ریتم‌های شبانه روزی بدن هماهنگ شوند و سیگنال‌های مناسب را در زمان‌های مناسب در طول یک چرخه ۲۴ ساعته به مغز ارائه کنند.

یکی از جنبه‌های مهم نور، دمای رنگ است که بر حسب کلوین(K) اندازه‌گیری می‌شود. هرچه عدد کلوین بیشتر باشد، نور سردتر است و «گرما» یا «سرمای» اینگونه تعیین می‌شود. سیستم‌های روشنایی شبانه‌روزی به طور معمول نور سردتر یعنی حدود ۵۰۰۰ کلوین را در طول صبح به رنگ سفید متمایل به آبی ارائه می‌کنند تا نور طبیعی روز را شبیه‌سازی کنند و هوشیاری و تمرکز را افزایش دهند. به تدریج نور به سوی گرم‌تر شدن و رنگ کهربایی یا سفید مایل به قرمز و در حدود ۲۷۰۰ کلوین تغییر می‌کند تا غروب خورشید شبیه‌سازی شود و احساس خواب آلودگی ایجاد شود.

زمانی که ایستگاه فضایی بین‌المللی برای اولین بار میزبان ساکنین شد، عمدتا از وسایل روشنایی فلورسنت استفاده می‌کرد که نور مداوم و سفید سرد را ارائه می‌دهند. اما با بدتر شدن الگوهای خواب سرنشینان، استفاده از نور ال‌ای‌دی که توانایی کنترل دمای رنگ و شدت نور را فراهم و تغییرات نور طبیعی را که روی زمین اتفاق می‌افتد شبیه‌سازی می‌کرد، ضرورت پیدا کرد.

رابرت سولر(Robert Soler)، که دارای مدرک کارشناسی ارشد از مرکز تحقیقات روشنایی در موسسه پلی تکنیک رنسلر و یکی از دانشمندان ناسا است، برای رفع این مشکل در ایستگاه فضایی بین‌المللی کار کرده است. در سال ۲۰۰۷، او به تکمیل اولین ماژول‌های روشنایی مبتنی بر ال‌ای‌دی که به ایستگاه فرستاده شدند، کمک کرد.

سولر متخصص در ایجاد تعادل بین طیف نور برای حمایت از بینایی و زیست‌شناسی است. او در آزمایشگاه علوم حیات فضایی در مرکز فضایی کندی کار می‌کرد که به کشف چگونگی حفظ حیات در ماه و مریخ و همکاری با برنامه تحقیقاتی انسانی اختصاص یافته بود و در حال بررسی چگونگی استفاده از نور برای حمایت از ریتم‌های شبانه روزی بود.

سولر می‌گوید: پیش از استفاده از سیستم روشنایی شبانه‌روزی که ما توسعه دادیم، ریتم‌های شبانه‌روزی از طریق جعبه‌های نور بسیار روشن تنظیم می‌شد. آنها در درجه اول برای تغییر ریتم شبانه‌روزی از یک منطقه زمانی به منطقه دیگر استفاده می‌شدند. با این حال، تا آنجا که من می‌دانم، هیچ راه حلی برای حمایت از ریتم روزانه وجود نداشت.

پس از نصب سیستم روشنایی شبانه‌روزی در ایستگاه فضایی بین‌المللی، سولر شروع به کار با شرکت لایتنیگ ساینس(Lighting Science) مستقر در فلوریدا برای تطبیق سیستم روشنایی ال‌ای‌دی برای استفاده در زمین کرد.

یک راه حل «هوشمند برای سلامتی»

سولر در حال حاضر دانشمند ارشد و یکی از بنیانگذاران شرکت سیستم‌های نوآوری و بهینه‌سازی بیولوژیکی(BIOS) است، شرکتی که از سال ۲۰۱۴ در حال تحقیق و ایجاد «راه حل‌های سلامتی» روشنایی شبانه‌روزی برای مردم و گیاهان روی زمین است.

در حالی که ایستگاه فضایی بین‌المللی از منظر شبانه‌روزی محیط جالبی بود، پس از اینکه فهمیدم ما اینجا روی زمین مشکلات شبانه‌روزی مشابهی داریم، تصمیم گرفتم سیستم را به سیاره خود برگردانم، زیرا ما ۹۰ درصد از عمرمان را در داخل محیط‌های بسته صرف می‌کنیم.

همانطور که می‌توانید تصور کنید، گذراندن زمان زیاد در داخل خانه در دراز مدت سالم نیست. بسیاری از مردم این را در طول قرنطینه‌های مربوط به همه‌گیری کووید-۱۹ مشاهده کردند، زمانی که حضور طولانی مدت در داخل خانه منجر به سبک‌ زندگی بی‌تحرک و افزایش مشکلات سلامت روان و سایر اختلالات پزشکی شد.

این تا حدی به این دلیل بود که کمبود نور خورشید منجر به اختلال در ریتم شبانه‌روزی و اختلالات خواب می‌شود و این می‌تواند منجر به اختلال در عملکرد شناختی، نوسانات خلقی و اختلالات خلقی، عدم تعادل هورمونی و حتی ضعیف شدن سیستم ایمنی شود.

سولر می‌گوید: من احساس کردم که می‌توانم با ایجاد یک راه حل هوشمند برای سلامت به افراد بیشتری کمک کنم. منظور روشنایی هوشمند نیست، زیرا «نور» به چیزی که ما می‌بینیم اشاره دارد، اما این گیرنده‌هایی که برای سلامتی و ریتم‌های شبانه‌روزی هدف قرار می‌دهیم غیر بصری هستند.

جدیدترین نوآوری شرکت او، یک لامپ ویژه به نام اسکای‌ویو(Skyview) است که نور طبیعی را با طیفی از رنگ‌ها شبیه‌سازی می‌کند که ما می‌توانیم در زمان‌های مختلف روز در آسمان ببینیم.

اسکای‌ویو از فناوری طیف برای هدف قرار دادن گیرنده‌هایی استفاده می‌کند که سلامتی و ریتم شبانه‌روزی را هدایت می‌کنند و طیف نور روز را به دو بخش تقسیم می‌کند: خورشید و آسمان. وقتی این کار را انجام می‌دهیم، می‌توانیم کارهای بیشتری با فناوری انجام دهیم. زیرا در اواخر روز، با پایین آمدن خورشید، رنگ آن به کهربایی و قرمز تغییر می‌کند، در حالی که آسمان به رنگ ارغوانی متمایل می‌شود. علاوه بر این، هنگامی که خورشید غروب می‌کند، هوا فورا تاریک نمی‌شود، تا ۲۰ دقیقه پس از آن درخشش آسمان باقی می‌ماند. و به نظر می‌رسد که درخشش آسمان برای ریتم شبانه روزی ما بسیار مهم است.

این درخشش طبیعی آسمان توسط ذرات نور پراکنده از نور صبح کاذب ایجاد می‌شود.

این منابع طبیعی درخشش آسمان نقش ظریف و در عین حال مهمی را در تنظیم ریتم شبانه روزی ما ایفا می‌کنند زیرا به منابع اضافی نور خارجی تبدیل می‌شوند که نشانه‌هایی را برای ساعت داخلی بدن ما ارائه می‌دهند.

سولر توضیح می دهد: یک سلول آماکرین وجود دارد که به دنبال این تغییرات دقیق در ابتدا و انتهای روز است.

سلول آماکرین نوعی نورون داخلی است که در شبکیه یافت می‌شود. این سلول بافت حساس به نوری دارد و در پشت چشم قرار گرفته و مسئول تبدیل نور ورودی به سیگنال‌های الکتریکی است که به مغز ارسال می‌شوند تا درک بصری فراهم شود.

سولر ادامه داد: اسکای‌ویو نور آسمان را قبل از طلوع و بعد از غروب خورشید ایجاد می‌کند تا مدارهای آماکرین را تحریک کند و همه مواردی را که نور طبیعی فراهم می‌کند به وجود آورد.

نورپردازی همچنین ملانوپسین(melanopsin) که نوعی پروتئین حساس به نور در دسته خاصی از سلول‌های گانگلیونی شبکیه به نام سلول‌های گانگلیونی ذاتا حساس به نور شبکیه(ipRGCs) است را هدف قرار می‌دهد. این سلول‌ها به طور ویژه به نور آبی حساس هستند و وظیفه اصلی آنها انتقال اطلاعات در مورد نور محیط به هسته فوق چلیپایی مغز(SCN) است. این بخش اغلب به عنوان «ساعت اصلی» ریتم شبانه‌روزی شناخته می‌شود و به تنظیم ساعت داخلی و ریتم شبانه روزی بدن کمک می‌کند.

سولر می‌گوید: من فکر می‌کنم آینده فناوری روشنایی شبانه‌روزی در درک این نکته نهفته است که روشنایی شبانه روزی فقط مربوط به خواب نیست. ما مزایای فناوری خود را در هوشیاری، خلق و خو، تمرکز و بهره‌وری می‌بینیم. ما شاهد مزایایی در عملکرد ورزشی و رشد کودکان بودیم و فوایدی برای در سلامت روان کلی وجود داشت. این بسیار باورنکردنی است.

انتهای پیام