Balonem wysyłają ludzkie komórki w stratosferę

Wrześniowy start balonu z eksperymentem studentów (fot. materiały koła WSAG)

Eksperyment jest wspólną inicjatywą Bartłomieja Ziętka, studenta trzeciego roku automatyki i robotyki na Wydziale Mechanicznym PWr oraz Dawida Przystupskiego z czwartego roku kierunku lekarskiego na Wydziale Lekarskim Uniwersytetu Medycznego (członka Studenckiego Koła Naukowego “Biologia Komórki Nowotworowej”). Głośno zrobiło się o nim w czerwcu tego roku, gdy studenci zakwalifikowali się do międzynarodowego finału prestiżowego europejskiego konkursu kosmicznego Odysseus Space Contest 2017. Pod koniec września w gondoli balonu, z kampusu naszej uczelni, wysłali do stratosfery kolejny element swojego eksperymentu. – A to dopiero początek całej serii – podkreślają zgodnie.

Pierwszy eksperyment dał zielone światło następnym

- Nasz pierwszy lot balonowy dał nam odpowiedź na pytanie: czy próbki materiału biologicznego przetrwają w tak specyficznym środowisku, w jakie je wysłaliśmy – tłumaczy Dawid. – W gondoli balonu umieściliśmy wtedy bakterie, drożdże i żywe komórki rakowe pochodzące z nowotworu jajnika. Chcieliśmy sprawdzić, jak się zachowają na tak dużej wysokości i jak zareagują na przeciążenia.

- Wysłaliśmy je na ponad 30 tys. m n.p.m., ponieważ panujące tam warunki pod względem temperatury, ciśnienia czy promieniowania UV są zbliżone do tych, jakie panują na powierzchni Marsa – opowiada Jędrzej Górski, doktorant na Wydziale Mechanicznym, członek koła WSAG i opiekun naukowy projektu studentów.

- Eksperyment pokazał nam, że część komórek wraca żywa. To, samo w sobie, było cenną informacją, ale dla nas dopiero początkiem – podkreśla Dawid. – Naszym kolejnym krokiem było zwiększenie statystyki ich przeżywalności oraz przetestowanie różnych substancji, które prawdopodobnie mogą chronić komórki w tak ekstremalnym środowisku, szczególnie przed promieniowaniem UV. Dlaczego? Bo być może w przyszłości nasze badania pomogą w stworzeniu leku, który chroniłby ludzi przed szkodliwymi skutkami radiacji. Wyobraźmy sobie, że wybieramy się na wakacje na plaży, bierzemy tabletkę i możemy bezpiecznie opalać się i kąpać bez ryzyka nowotworu skóry. Kto wie, może tak będzie już za kilkanaście lat?

Testy substancji

Jak tłumaczy student Uniwersytetu Medycznego, komórki wysyłane w stratosferę muszą zostać umieszczone w specjalnym płynie, który zapewni im ochronę przed niską temperaturą. Inaczej uległyby uszkodzeniu, uniemożliwiając jakikolwiek eksperyment. Temperatura na wysokości kilkudziesięciu tysięcy metrów spada bowiem nawet do minus 90 stopni Celsjusza. Komórki – które składają się w znacznej części z wody – bez odpowiedniej ochrony zamarzłyby tam i eksplodowały. Dlatego potrzebne im są specjalne substancje, które w pewien sposób “odciągają” z nich wodę i zabezpieczą je przed pęknięciem.

- Testujemy trzy takie płyny – opowiada Dawid. – Oprócz tego badamy, czy inne substancje są w stanie zwiększyć przeżywalność komórek w tak ekstremalnych warunkach. Są to związki, wobec których istnieją doniesienia o ich antyoksydacyjnych właściwościach. Oznacza to, że chronią komórki przed stresem oksydacyjnym, czyli powszechnym zjawiskiem występującym w naszym organizmie, który może prowadzić do zakłócenia równowagi i w konsekwencji chorób. Substancje antyoksydacyjne temu przeciwdziałają, a dodatkowo – jak donoszą publikacje naukowe – wtórnie zwiększają ochronę komórek na radiację. W praktyce bowiem mechanizm uszkodzenia komórek przez promieniowanie jest podobny do tego w czasie niszczenia ich przez stres oksydacyjny. Przy czym stres indukowany promieniowaniem jest dużo bardziej intensywny niż ten wynikający z działania innych czynników. W naszym eksperymencie sprawdzamy więc, czy substancje, które przed lotem aplikujemy komórkom, są na tyle silnymi antyoksydantami, by zabezpieczać je także przed promieniowaniem UV. Wyniki naszych badań są obiecujące. W przypadku jednej z substancji możemy mówić o wzroście przeżywalności komórek nawet o 40 proc.

Oczywiście by badania studentów stały się miarodajne, muszą zostać powtórzone. Dlatego planują oni kolejne, które będą też rozszerzać o dodatkowe elementy. Już w tym wrześniowym w stratosferę poleciały nie tylko komórki rakowe z nowotworu jajnika, ale także zdrowe fibroblasty z dziąsła. W następnych lotach balonowych chcą porównać komórki z tego samego narządu – zdrowe i rakowe.

Zasilanie słońcem?

Zmiany w kwestiach technicznych dotyczących eksperymentu planuje też Bartłomiej, który w studenckim projekcie odpowiada za stworzenie elektroniki mierzącej różne parametry w trakcie lotu balonu. – Programuję czujniki, które mierzą temperaturę, ciśnienie atmosferyczne i przeciążenia, jakie oddziałują na komórki. Za ten ostatni element odpowiada układ elektroniczny z akcelerometrem, żyroskopem i magnetometrem. Dzięki niemu mamy także informacje, które pozwalają nam zobrazować przebieg lotu naszego balonu – opowiada Bartłomiej.

W kolejnych startach w gondoli balonu mają znaleźć się także czujnik promieniowania ultrafioletowego i kamera rejestrująca obraz w 3D. – Myślimy także o liczniku Geigera, czyli czujniku promieniowania jonizującego, ale jego zakup wiązałby się już z dużym wydatkiem i nie wiemy, czy uda się nam zyskać na to finansowanie – tłumaczy student PWr.

Studenci chcieliby także umieścić w balonie kilka paneli fotowoltaicznych. – Jako dodatkowe zasilanie – wyjaśnia Bartłomiej. – Na dużych wysokościach zdarza się, że baterie zamarzają i dopóki temperatura nie wzrośnie, my zostajemy bez zasilania np. kamery.

Młodzi badacze w planach mają również prace nad stworzeniem kompozytu z włókna węglowego w osłonie żywicy, który byłby utwardzany przez promieniowanie ultrafioletowe. Chcą wykorzystać typową żywicę używaną w stereolitografii (tzw. druku 3D) i sprawdzić, czy promienie UV w stratosferze są równie efektywnie w jej utwardzaniu, jak te wykorzystywane w drukarkach 3D.

Pokażą się w międzynarodowym konkursie

Kolejny start balonu jest planowany w najbliższych miesiącach, a następny w kwietniu. – Wtedy odbędzie się międzynarodowy konkurs Global Space Balloon Challenge, w którym chcemy wziąć udział – podkreśla Jędrzej Górski. – Rywalizacja jest inicjatywą absolwentów Instytutu Technologicznego w Massachusetts (MIT), którzy zachęcają ludzi z całego świata do realizacji swoich projektów balonowych. Uczestnicy GBSC w wyznaczonych dniach wypuszczają w powietrze swoje balony, a potem na stronie internetowej konkursu dzielą się wynikami eksperymentów naukowych oraz wykonanymi podczas nich zdjęciami i filmami. Najlepsze projekty są nagradzane w kilku kategoriach, m.in. najlepsza inicjatywa edukacyjna, najwyższy pułap lotu czy najciekawszy eksperyment naukowy.

Górski był członkiem dwóch zespołów, które mogą pochwalić się pierwszym miejscem w Global Space Balloon Challenge. Zdobyły je misja JADE z 2015 r. i LEO3 w 2016 r.

W przyszłorocznej edycji konkursu swój udział planuje prawie 500 zespołów z 63 krajów.

Balonowy test LoRa

Podczas wrześniowego lotu studenci mieli także okazję testować wrocławską sieć LoRa. To nowa technologia, która zyskuje coraz większą popularność w wielu zachodnich krajach, a w Polsce na razie jej sieci rozwijają głównie pasjonaci i na niewielką skalę firmy.

– LoRa jest skrótem od angielskiego Long Range, co oznacza daleki zasięg. To opracowana we Francji technologia radiowa, która pozwala przy małym koszcie energetycznym wysłać informację na dużą odległość, około pięciu kilometrów w miastach i nawet do 20 km w terenach niezabudowanych – tłumaczy dr inż. Maciej Nikodem z Katedry Informatyki Technicznej na Wydziale Elektroniki PWr, członek wrocławskiego oddziału międzynarodowej społeczności The Things Networks, która promuje wykorzystywanie sieci LoRa.

LoRa działa w paśmie ISM (Industrial, Scientific and Medical), w którym mogą nadawać różne urządzenia, a ich użytkownicy nie potrzebują do tego żadnej formalnej zgody. Jest więc w tym podobna do WiFi czy Bluetooth, ale w odróżnieniu od nich używa pasma o jeszcze niższej częstotliwości (868 MHz), które ma lepszą penetrację – a to oznacza, że lepiej przenika przez przeszkody jak np. ściany, szyby czy ludzie. Zaletą LoRa jest także to, że nie jest licencjonowana.

– Osoby zainteresowane jej wykorzystywaniem nie muszą więc zdobywać koncesji czy wynajmować stacji bazowej od operatora, który taką koncesję już ma, tak jak dzieje się to w przypadku telefonii komórkowej – tłumaczy dr Nikodem. – Tutaj wystarczy kupić odbiornik, postawić go na dachu i włączyć.

Jak tłumaczy naukowiec, LoRa nie jest idealna, ale bardzo dobrze sprawdza się w konkretnych zastosowaniach. – Ma znacznie mniejszą przepustowość. Dla przykładu: o ile dzięki GSM możemy oglądać wideo w naszych telefonach, o tyle przy wykorzystaniu LoRa byłoby to absolutnie niemożliwe – wyjaśnia dr Nikodem. – Używając tej sieci można wysyłać mniej danych w jednostce czasu w porównaniu do innych technologii. Korzystający z LoRa muszą też przestrzegać pewnych ograniczeń. Wprowadzono w niej bowiem tzw. duty cycle (w Polsce tłumaczony często jako „cykl pracy”), zgodnie z którym w ciągu godziny poprzez LoRa można nadawać maksymalnie przez sześć minut. Ponieważ jest to czas nadawania, to w konsekwencji im wolniej wysyłamy dane, tym dalej jesteśmy w stanie je wysyłać, ale jako że ślemy je wolno, to potrzebujemy dużo czasu na wysłanie i szybko wykorzystujemy te sześć minut. Dla tych więc, którzy potrzebują dużej przepustowości, LoRa nie będzie użyteczna. To natomiast najlepsze rozwiązanie dla osób, którym dla realizacji ich celów wystarczy niewielka przepustowość, za to nie muszą starać się o koncesję, a kupione przez nich urządzenie na jednej baterii będzie działać przez wiele miesięcy.

Z tych powodów LoRa jest wskazywana jako przyszłość tzw. Internetu Rzeczy (IoT – z ang. Internet of Things). To koncepcja, według której w przyszłości otaczające nas urządzenia (np. w domu – lodówka, ekspres do kawy czy termostat) będą pośrednio lub bezpośrednio gromadzić, przetwarzać i wymieniać dane, co docelowo ma nam ułatwiać życie (np. lodówka będzie wysyłała nam smsa o tym, że trzeba uzupełnić zapasy mleka do kawy). – LoRa będzie w sam raz dla takich systemów pomiarowych, których jest dużo, ale wysyłają mało danych – podkreśla dr Nikodem.

Oprócz LoRa rozwijane są także inne – konkurencyjne – technologie o podobnych założeniach, różniące się jednak parametrami. To m.in. NB-IoT i Sigfox.

We Wrocławiu jest osiem odbiorników LoRa (najwięcej przypadających na jedno miasto w całej Polsce). Trzy z nich dr Maciej Nikodem uruchomił wspólnie z firmą Thaumatec w ramach programu „Mozart” Wrocławskiego Centrum Akademickiego. Dwa urządzenia znajdują się na dachach domów studenckich, a trzeci odbiera dane w pobliżu dworca kolejowego Wrocław Główny).

- Zależało nam na tym, żeby objąć zasięgiem centrum miasta i kampus Politechniki Wrocławskiej – opowiada badacz. – Dzięki temu na naszej uczelni możliwe jest pisanie prac magisterskich i tworzenie projektów zespołowych związanych z LoRa, a ja wspólnie ze specjalistami z firmy Thaumatec mogłem też zrealizować projekt naukowy wykorzystujący tę technologię. Stworzyliśmy prototyp metody lokalizacji obiektów w oparciu o LoRa, który pozwala na określenie położenia urządzenia ze średnim błędem około 200 metrów.

Z kolei studentom przeprowadzającym swoje eksperymenty w ramach koła WSAG LoRa posłużyła do śledzenia lotu balonu (wykorzystali do tego także sprawdzony już APRS – jako drugą metodę zbierania danych). – Udało się go namierzać przez około 30 km, aż do wysokości 11 km nad ziemią – opowiada Jędrzej Górski.

- Być może w przyszłości, jeśli stacji bazowych będzie więcej, LoRa posłuży także do określania położenia balonu – liczy dr Nikodem.

Galeria zdjęć z wrześniowego startu balonu dostępna jest pod linkiem.

Lucyna Róg

Źródło: Politechnika Wrocławska

Foto: materiały koła WSAG