Наверняка все видели фотографии Земли, сделанные с борта МКС, а также видео с астронавтами, которые «летают» по станции в условиях невесомости или выходят в открытый космос для внешних работ по поддержанию станции в рабочем состоянии. Но кроме съёмок и космических прогулок астронавты заняты проведением многочисленных экспериментов. Большая часть исследований направлена на изучение влияния микрогравитации на самые разные объекты и процессы: от организма человека до изнашивания материалов и роста кристаллов. Некоторые эксперименты имеют более «приземлённые» цели.
Золотые руки МКС
МКС — модульная станция, и она напоминает конструктор: модули постепенно добавляются, обновляются и меняются. Время и возможности пребывания космонавтов в открытом космосе ограничены буквально несколькими часами, поэтому без дополнительных рук тут не обойтись.
Станция оборудована несколькими роботизированными «руками» и кранами. Они доставляют оборудование в нужную позицию, с помощью камер обеспечивают детальный контроль за процессом и даже «держат» человека в скафандре. Каждый из таких манипуляторов — достижение робототехники. Но высокоточная и «умная» рука может быть полезной не только на орбите. На основе технологии робототехнической системы Canadarm-2, которая используется в космосе, создан робот-ассистент для хирургических вмешательств: он, конечно, не держит скальпель, но работает на основе того же программного обеспечения, что и его космический старший брат, и его камеры следуют за инструментами хирурга, тем самым обеспечивая ему оптимальный обзор происходящего и облегчая работу ассистентам.
Космическое материаловедение
Агрессивное космическое излучение делает материалы более хрупкими и ломкими. Сейчас на станции проводится тестирование серии новых материалов MISSE-FF. Специальные «палетки» с образцами материалов, покрытий и отдельных элементов расположены в разных частях станции с разной степенью открытости космическим лучам, чтобы после определённого времени сравнить, как излучение влияет на микроструктуру материалов и соответственно на их механические свойства. Основываясь на этой информации, материаловеды могут оптимизировать химический состав, процесс изготовления и последующей обработки каждого материала, а инженеры — выбрать наиболее надёжные материалы для компонентов, которые подвергаются длительному воздействию радиации. Износостойкие материалы необходимы не только для конструкций самой станции, но и для более надёжной работы наземных объектов, подверженных радиации: атомных станций, ускорителей частиц для науки и медицинских приложений, атомных подводных лодок и ледоколов.
«Прозрачные» сплавы — ещё один эксперимент в области материаловедения, который совсем недавно начался на МКС: оборудование доставила миссия SpaceX-13 в декабре 2017 года. Цель эксперимента состоит в изучении процессов затвердевания сплавов из двух или трёх компонентов в условиях микрогравитации. Механические свойства сплавов обусловлены их микроструктурой. При остывании жидкого материала конечная микроструктура зависит от множества параметров: химического состава сплава, скорости его остывания, давления, при котором оно происходит, и так далее. На Земле гравитация вызывает конвекцию жидкой фазы, что тоже влияет на процесс кристаллизации сплава. Условия микрогравитации позволяют сосредоточиться на диффузионной составляющей этого процесса, обусловленной только скоростью охлаждения конкретной химической композиции. Для этого на станции установлена специальная печь, в которой различные виды пластика сплавляются при строгом температурном контроле. В эксперименте используют пластики вместо металлов, поскольку температура их плавления намного ниже, а необходимое оборудование гораздо меньше и легче, чем металлургические печи. Тем не менее детальное понимание диффузионного процесса поможет металлургам в разработке сплавов с оптимальной микроструктурой.
Ещё на МКС выращивают белковые кристаллы. Один из наиболее распространённых методов для изучения структурного строения белков — рентгеновская кристаллография. Чтобы «расшифровать» взаимное расположение атомов в белках, их необходимо превратить в кристаллы. Не каждый белок хорошо реагирует на такое обращение. Как оказалось, некоторые из «капризных» белков гораздо проще кристаллизовать в условиях микрогравитации, и это стало важным направлением работы космической лаборатории ещё со времён станции «МИР».
Микрогравитация представляет уникальные условия для экспериментов с жидкостями как на макро-, так и на микроуровне. Исследование процессов горения также необходимо: динамика сгорания топлива в условиях микрогравитации отличается от того, к чему мы привыкли на Земле. Для надёжной работы двигателей в космосе и оптимального расхода топлива информация об отличиях в процессах сгорания незаменима. Данные о поведении жидкостей с «выключенной» гравитацией полезны и для более точного понимания атмосферных явлений и поведения океанов.
Плоть, кровь и космический салат
Атрофия мышц и потеря костной ткани — именно эти факторы, вместе с повышенной дозой космического излучения, ограничивают продолжительность пребывания астронавтов на орбите. Длительное отсутствие движения и микрогравитация приводят к росту жировых клеток в костном мозге, что в свою очередь уменьшает способность организма производить красные кровяные клетки. Такие исследования полезны не только для планирования космических экспедиций, но и для более детального понимания процессов в организме людей, которые вынуждены долгое время придерживаться постельного режима — ведь их в наше время намного больше, чем космонавтов. Но, как показывают исследования, не только опорно-двигательный аппарат подвергается изменениям на орбите, проходят эксперименты и по изучению изменений в мозге.
На МКС есть система для биологических экспериментов, в которых изучают поведение клеток, простых организмов, семян и даже мышей в условиях микрогравитации. Один из недавних ботанических успехов на МКС — три разных сорта салата, выращенных на космической «грядке». Свежие овощи помогают астронавтам разнообразить рацион.
Тёмная материя есть?
Пожалуй, самый фундаментальный из экспериментов на базе МКС — это детектор AMS (Alpha Magnetic Spectrometer), который пытается поймать следы тёмной материи и антиматерии в космических лучах. Идею этого эксперимента предложил нобелевский лауреат Сэмюэл Тинг в 1995 году. На разработку, строительство и тестирование детектора в ЦЕРН ушло 15 лет, и в 2010 году AMS был готов к полёту на орбиту. Теоретически AMS мог бы быть отдельным спутником, но его потребности в энергии и передаче данных в огромных объёмах сделали «соседство» с МКС неизбежным. Детектор регистрирует прохождение порядка 30 миллиардов космических частиц в год. Он «принимает» только те частицы, которые попадают в него под определённым углом, и измеряет их скорость, энергию, тип и направление, откуда они попали в детектор. Обработка данных уже «заподозрила» избыток позитронов, который может быть сигналом тёмной материи, а также несколько атомов антигелия, но статистический вес этих наблюдений пока недостаточен, чтобы утверждать что-то конкретное. Физика частиц — это всегда испытание не только на сообразительность и развитость технологий, но и на дотошность и терпение.
Международная космическая станция позволяет нам быть ближе к звёздам, но главное — продвигать науку и технологии вперёд. Почти любая технология, разработанная для станции, будет полезна и на Земле: более надёжные материалы, развитие медицинской техники и фундаментальной науки. Будем надеяться, что со временем полёты в космос станут более доступными и у МКС появятся соседи. И, конечно, хочется верить, что космический туризм станет возможен и для нас с вами, ведь кто не мечтает увидеть нашу прекрасную планету с высоты спутникового полёта?
