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.

Сборка телескопа NICER. Его приемник рентгеновского излучения состоит из 56 одинаковых концентраторов, фокусирующих излучение на кремниевых детекторах. Каждый концентратор представляет собой отдельное рентгеновское зеркало (см. картинку дня Зеркало рентгеновской души): в его состав входят 24 охватывающих друг друга тонких параболических зеркала с золотым покрытием. Фото с сайта flickr.com

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 технологий 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