Эксперименты на МКС

На этих фотографиях можно сравнить, как горит обычная стеариновая свеча на Земле (слева) и на Международной космической станции (МКС; см. картинку дня Международная космическая станция). В земных условиях горячие газы, образующие пламя, быстро поднимаются вверх, поскольку они легче окружающего воздуха; но на орбитальной станции все предметы пребывают в состоянии микрогравитации, то есть почти полной невесомости, поэтому привычные понятия «верх» и «низ» теряют свой смысл, и пламя приобретает приблизительно шарообразную форму, одинаково распространяясь во все стороны (см. картинку дня Пламя в невесомости). Горение идет не так интенсивно, как на Земле, поскольку кислороду трудно пробиться к фитилю сквозь образующиеся в ходе сгорания угарный газ и формальдегид. Этим объясняется синий цвет пламени, свидетельствующий о его низкой температуре.

Космические корабли и особенно орбитальные станции (см. картинку дня Орбитальные станции) дают возможность проведения научных исследований, условия для которых на Земле отсутствуют или трудно реализуемы. Помимо физических, технологических, биологических и медицинских экспериментов в невесомости, это и астрономические наблюдения, которым практически не препятствует земная атмосфера, и наблюдения за поверхностью Земли. С 1998 года, когда была запущена МКС, на ней провели более четырех тысяч экспериментов, имеющих как фундаментальное, так и прикладное значение. Разумеется, даже упомянуть их все в одной статье невозможно, поэтому ограничусь кратким обзором.

Одно из направлений научной программы МКС — дистанционное зондирование Земли. Благодаря тому, что с МКС видна вся поверхность Земли от 72° ю. ш. до 72° с. ш. (в этой области сосредоточено практически всё население планеты), станция служит удобной площадкой для наблюдений за Землей и ее природой, в том числе стихийными бедствиями, в реальном времени: эволюция ледников, грозы, ураганы, извержения вулканов и даже маршруты миграции птиц — вот неполный перечень того, что наблюдают экипажи МКС. А сделанные с орбиты фотографии населенных пунктов помогают урбанистам и экологам исследовать размещение зеленых зон в городах и световое загрязнение. Снимки Земли, многие из которых делаются ручными камерами, идут на пользу и самим космонавтам: исследования показали, что фотосъемка родной планеты положительно влияет на их психическое здоровье.

Фотография урагана Иэн, сделанная с борта МКС 26 сентября 2022 года. Фото с сайта nasa.gov

Многие исследования проводятся в автоматическом режиме: так, по измерениям инфракрасных датчиков строятся подробные температурные карты земной поверхности, что дает возможность обнаруживать аномалии в распределении температур. Современные спектрометры SAGE III, OCO-3 и EVI-4 измеряют концентрацию различных газов и частиц в земной атмосфере. А лидар GEDI создает карты лесов и помогает уточнить сведения о земном рельефе.

Немало проводимых на МКС исследований связано с астрофизикой. Установленные на станции рентгеновские телескопы NICER и MAXI изучают нейтронные звезды. Они работают в паре: MAXI обладает гораздо меньшей чувствительностью, зато быстро может просканировать практически всё звездное небо, поэтому служит своеобразным «наводчиком» для NICER: обнаружив что-то необычное, он автоматически передает информацию своему «коллеге», который изучает указанную область неба более внимательно. NICER совершил немало интересных открытий. Например, он обнаружил аккрецирующий (двойной) рентгеновский пульсар с наименьшим из известных науке периодом: звезда-компаньон совершает оборот вокруг главной звезды всего за 38 минут. Упомяну и наблюдения NICER за сверхмассивной черной дырой Энски (см. Ansky), в окрестностях которой два года назад начали наблюдаться мощные рентгеновские вспышки, близкие к периодическим: это первый объект такого типа, переход которого в активное состояние был зафиксирован практически «в прямом эфире». К сожалению, прошлым летом работу телескопа приостановили из-за поломки одного из двигателей, служащих для его наведения. Пока неясно, продолжит ли NICER свою работу.

Магнитный альфа-спектрометр AMS-02 предназначен для поиска антивещества и темной материи путем регистрации и идентификации космических лучей. Результаты его работы должны помочь ученым прояснить причины барионной асимметрии — наблюдаемого преобладания вещества над антивеществом в видимой части Вселенной, что не согласуется с теорией Большого взрыва. Полученные результаты помогут лучше понять происхождение Вселенной.

Также, регистрируя различные заряженные частицы, спектрометр должен прояснить природу темной материи: само ее существование уже практически не ставится учеными под сомнение, однако до сих пор неясно, какие именно частицы образуют ее. Наконец, регистрация космических лучей дает представление об уровне космической радиации в межпланетном пространстве: эта информация важна для будущих межпланетных миссий, когда встанет вопрос защиты экипажей от радиации. Помогает искать темную материю и телескоп CALET, который регистрирует потоки электронов и гамма-излучение. Помимо этого, CALET оснащен инфракрасной камерой, которая наблюдает за земной поверхностью, помогая обнаруживать лесные пожары. Другой интересный инструмент МКС — коронограф CODEX: он изучает процессы нагрева и ускорения солнечного ветра, что поможет лучше изучить влияние солнечной активности на работу спутников, сетей связи и энергетических систем.

Тепловая карта солнечной короны, построенная по измерениям CODEX. Кадр из видео с сайта nasa.gov

Среди исследований, проводимых на МКС, есть и эксперименты по фундаментальной физике, например изучение такого агрегатного состояния вещества, как конденсат Бозе — Эйнштейна. В земных условиях, в отличие от условий орбитальной станции, атомы, находящиеся в этом состоянии, быстро опускаются на дно камеры под действием гравитации, что сильно ограничивает продолжительность эксперимента.

Другие исследования в области физики и химии включают эксперименты по изучению горения различных веществ: это помогает ученым лучше понять теорию горения (и, как следствие, усовершенствовать процессы сгорания в технических устройствах — например, в двигателях) и исследовать вопросы пожарной безопасности в космосе. Еще одно направление исследований связано с физикой газов, жидкостей, твердых тел и коллоидных систем: экипажи МКС изучают процессы плавления, кипения, конденсации, кристаллизации, теплопередачи, образования капель и тому подобные. Полученные результаты тоже могут быть применены на Земле: например, при производстве средств гигиены и бытовой химии, при создании более экономичных систем подачи воды (хотя бы в обыкновенном бытовом душе) или более эффективных систем водяного охлаждения техники и приборов.

МКС — удобная площадка для исследований в области материаловедения: ведь свойства материалов в значительной степени определяются протекающими при их производстве процессами теплопередачи и массообмена. Поскольку в условиях микрогравитации эти процессы протекают иначе, чем на Земле, материалы, получаемые на борту МКС, будут по своим свойствам отличаться от земных образцов. Исследования в этой области — ключ к созданию более прочных, легких и износостойких материалов. Конечно, в таких экспериментах тестируются и технологии 3D-печати.

Интересны эксперименты на МКС в области технических наук — например, робототехники. Сейчас на станции «живут» три небольших робота кубической формы Astrobee, которые самостоятельно перемещаются по станции с помощью электровентилятора и оснащены манипуляторами. Первыми, в апреле 2019 года, на станцию «прилетели» Bumble (Шмель) и Honey (Мёд), в июле к ним присоединилась Queen (Королева). Космические «пчелки» перемещают грузы, проводят мониторинг систем станции, экспериментируют со способами перемещения и закрепления на поверхностях и принимают участие в других исследованиях: например, в эксперименте ROAM один из роботов играл роль вращающегося спутника, который нужно было аккуратно захватить для ремонта.

Астронавт НАСА Кэтрин Меган Макартур позирует с роботами. Слева направо: Bumble, Queen, Honey. Фото с сайта nasa.gov

Astrobee — не единственные роботы на МКС: там также работают две летающие видеокамеры JEM Internal Ball Camera, помогающие экипажу с видеофиксацией экспериментов, а раньше трудились три летающих робота SPHERES и даже робот-андроид Robonaut. Многие технологии, опробованные в космосе, позже находят свое применение на Земле: например, на базе руки Robonaut’а был создан манипулятор «Железная рука» для применения на автомобильных заводах. Из других технических экспериментов стоит упомянуть тестирование перспективных видов связи — например, беспроводной оптической и квантовой, а также технологии виртуальной и дополненной реальности.

Автоматическая видеокамера Ball Camera. Фото с сайта nasa.gov

Конечно, изучают на станции и работу человеческого организма в условиях невесомости. Накопленные данные будут полезны при планировании новых экспедиций на МКС, полетов к Луне и долгосрочных межпланетных экспедиций. Отдельный проект посвящен применению ультразвуковых исследований для диагностики заболеваний в отсутствие врачей: результаты эксперимента могут быть использованы и на Земле в случаях, когда квалифицированная медицинская помощь отсутствует или доступна лишь в дистанционном формате, например в геологических партиях или малонаселенных сельских районах.

Астронавт Карен Найбер исследует свое глазное дно с помощью офтальмоскопа. Фото с сайта nasa.gov

К космической медицине примыкает биомедицинская инженерия. На МКС выращивают ткани человеческого организма и экспериментируют с 3D-биопечатью: на станции, например, напечатали мениск коленного сустава и импланты для восстановления поврежденных нервов. Упомяну и эксперименты с органами на чипе, представляющими собой скомбинированную с интегральной схемой культуру клеток, имитирующую работу отдельных человеческих органов или их систем. Такие устройства помогают понять, как условия космического полета или различные лекарства влияют на состояние тканей и органов человеческого организма. С помощью этой же технологии на МКС провели исследование роста и развития раковых клеток и их реакции на различные химиотерапевтические препараты: микрогравитация позволила воспроизвести поведение опухоли в организме человека точнее, чем условия земных лабораторий.

Импланты для восстановления периферических нервов, напечатанные на борту МКС. Фото с сайта nasa.gov

На МКС регулярно проводят биологические исследования: например, изучают эмбриогенез птиц в условиях микрогравитации, действие невесомости на мышей и эффективность различных препаратов, призванных снизить ее негативное влияние на организм. Экипажи даже занимаются сельским хозяйством: они выращивают горчицу, помидоры, редис, перец чили, пшеницу, люцерну и другие культуры. Но не только для того, чтобы разнообразить рацион: космонавтов просят оценить вкус выращенных продуктов, а часть образцов отправляют для анализа на Землю. Важно понять, как развиваются растения в условиях космического полета и отработать технологии ухода за ними (например, полива или пересадки).

Несмотря на непривычные условия, размер некоторых растений (например, пшеницы) оказывается больше, чем на Земле. Любопытно, что выращивание в космосе растений и животных было описано в научно-фантастической повести «Кирпичная луна» (1869–1870) американского писателя Эдварда Хейла — первом литературном произведении, в котором упоминается орбитальная станция.

Растения, выращенные на МКС. Фото с сайта nasa.gov

Помимо животных и растений исследуются бактерии и вирусы, их развитие в условиях микрогравитации и повышенной радиации, а также эффективность процедур уборки станции и очистки воздуха и воды. Результаты этих экспериментов помогли, в частности, во время пандемии COVID-19 при создании воздухоочистителей, более эффективно уничтожающих вирус SARS-CoV-2. Кстати, если раньше образцы микроорганизмов требовалось отправлять на Землю для их идентификации, то теперь это можно делать прямо на борту станции: для этого специальное устройство запускает полимеразную цепную реакцию, позволяющую увеличить концентрацию определенных фрагментов ДНК в пробе (этот процесс называется амплификацией), после чего «обогащенные» образцы поступают на секвенатор ДНК, идентифицирующий микроорганизмы вплоть до вида. Среди других исследований в области генетики и генной инженерии на МКС — изучение эпигенетики, то есть наследуемых изменений активности генов у разных организмов, и редактирование ДНК.

Большая группа экспериментов посвящена молекулярной биологии — в частности, выращиванию белковых кристаллов. Изучение структуры белков — ключ к созданию новых, более эффективных лекарств или, например, кровезаменителей. Кристаллы, выращенные в условиях микрогравитации, оказываются крупнее и однороднее своих земных «собратьев». Помогают в лечении болезней и космические исследования в области цитологии (клеточной биологии).

Белковые кристаллы, выращенные на борту МКС. Фото с сайта nasa.gov

Наконец, нужно сказать, что, начиная с 2005 года, с борта станции было запущено около 300 небольших спутников самого разного назначения, многие из которых также служат исследовательским целям. Среди них есть очень необычные: например, первый в мире деревянный спутник — японский кубсат LignoSat, запущенный для изучения того, как условия открытого космоса влияют на древесину и насколько внешнее магнитное поле проникает внутрь спутника. Цель этого эксперимента — оценить потенциал дерева как материала для строительства в космосе.

Корпус спутника LignoSat. Фото с сайта nasa.gov

Результаты экспериментов на МКС имеют и фундаментальное, и прикладное значение. Многие из них способствуют совершенствованию земных технологий, некоторые окажутся полезны в будущих космических миссиях (например, полетах к Марсу), а иные находят применение уже сейчас: так, на корабле «Орион», который два месяца назад облетел Луну в рамках миссии «Артемида-2», использовались системы жизнеобеспечения и безопасности экипажа, опробованные на МКС. А программа наблюдений экипажа «Ориона» за Луной опиралась на опыт дистанционного зондирования Земли, накопленный на станции.

В ноябре МКС исполнилось 27 лет. Срок ее службы, который изначально составлял 15 лет, неоднократно продлялся. Сегодняшние планы предусматривают, что станция прослужит до 2030 года; в январе 2031-го ее планируют свести с орбиты и затопить в удаленных от суши районах Тихого океана, которые называют «кладбищем космических кораблей». Но до этого экипажи МКС успеют получить немало новых интересных результатов.

Фото с сайта commons.wikimedia.org.

Алексей Деревянкин