Покорение космоса не только дало толчок развитию технологий на
Земле, но и подарило человечеству уникальную возможность
использовать МКС как лабораторию для самых разных научных
экспериментов. Невесомость и микрогравитация, сложно
воспроизводимые в земной атмосфере, открывают перед учеными новые
возможности, например, для биопечати, а сама станция служит
наблюдательным пунктом, благодаря которому можно больше узнать о
Земле.Эксперименты на МКС это мостик, соединяющий привычную, земную
науку и ту науку, которая поможет нам открывать новые планеты и,
возможно, делать их пригодными для жизни. В честь Дня космонавтики
ПостНаука рассказывает о четырех ярких экспериментах, которые
провели в космосе российские исследователи. Эксперимент Среда
МКСНаучный руководитель: доктор технических наук, профессор,
заместитель руководителя научно-технического центра ОАО РКК Энергия
Михаил Юрьевич БеляевСчитается, что на орбите существует полная
невесомость, и поэтому в космосе проводят эксперименты, чтобы
получить, например, материалы с продвинутыми свойствами. Но на
самом деле такой невесомости нет и не может быть, поскольку она
возникает только в центре масс космического аппарата. Но поскольку
даже там на орбитальную станцию действует атмосфера, все равно
будут наблюдаться микроперегрузки. К тому же технически в центре
масс разместить научное оборудование трудно, а то и невозможно. На
МКС для российских ученых это проблематично, поскольку центр масс
находится в американском сегменте, а в российском беговая дорожка и
разные системы жизнеобеспечения, то есть создаются микроперегрузки,
которые необходимо отслеживать, изучать физические условия на
станции.Кроме того, возникают магнитные помехи: на борту много
оборудования, которое содержит постоянные магниты. Наблюдается
деформация корпуса орбитальной станции из-за того, что в полете
меняется температура станции. Очевидно, что накапливается ряд задач
по изучению космического аппарата как платформы для проведения
исследований. С этой целью и был создан комплексный эксперимент
Среда МКС, в котором предметом изучения стала сама станция. Это
необходимо, поскольку ее конструкция наращивается за счет новых
модулей. Сейчас она размером с футбольное поле и весит более 400
тонн, а летом к российскому сегменту полетит еще один модуль Наука.
Меняются характеристики станции: положение центра масс, деформации,
микроускорений и магнитных полей. Все это уточняется в рамках
эксперимента Среда МКС, который, по сути, представляет собой целую
программу, включающую много исследований по разным направлениям.
Когда МКС полетела впервые, к ней пристыковывались новые модули,
отстыковывались грузы, то есть у станции менялись характеристики, в
том числе тензор инерции. И наблюдение за этим изменением стало
одной из первых задач для исследователей. Также в рамках
эксперимента научились уточнять характеристики МКС и прогнозировать
движение МКС точно вокруг центра масс.Был придуман очень интересный
способ определения деформации станции, которая происходит из-за
перепадов температуры. Конструкции нежесткие, есть антенны, панели
солнечных батарей, и происходят колебания этих конструкций. Как
определять и оценивать величины этих деформаций? Участники
эксперимента предложили способ: регистрировать по фото- и
видеоинформации отклонения элементов. Это можно делать даже через
иллюминатор, жестко закрепив видео- или фотокамеру. Разрешение тех
фотоаппаратов, что есть на станции, позволяет увидеть отклонения на
0,1 миллиметра. Далее строятся модели поведения элементов
конструкции станции в зависимости от различных внешних факторов.
Эти технологии можно применять на всех космических аппаратах и
орбитальных станциях.Для измерения микроускорений на станции
установлены акселерометры. Их данные используются для оценки
надежности и безопасности конструкции. В рамках эксперимента
разрабатываются уникальные приборы например, экспериментальные
образцы высокочувствительного низкочастотного акселерометра (НЧА) с
частотным диапазоном 0,005 0,1 Гц и порогом чувствительности 10-9g.
Также на станции установлена новая магнитометрическая
аппаратура.Технологии, отработанные в эксперименте, используются не
только на МКС. После запуска возникли проблемы со спутником
Ямал-200: появились участки, где трудно было управлять ориентацией,
и фактически это могло привести к краху программы. Юрий Романович
Банит использовал результаты, полученные в ходе эксперимента Среда
МКС, для управления спутником, и благодаря этому коммерческий
спутник Ямал-200, обеспечивающий связь, уже 17 лет летает. Это
рекорд.Также наработанный опыт пригодится, когда мы полетим к
дальним планетам. Сейчас идет изучение околоземной станции, но и
для инопланетных нужно будет понимать, какие возникают магнитные и
электромагнитные помехи, как их определять и учитывать. Также
данные потребуются для управления космическими аппаратами и
интерпретации результатов эксперимента.На Земле технологии,
разработанные в ходе эксперимента Среда МКС, могут быть также
использованы для оценки деформации и колебания например, высоких
антенн и других конструкций, на которые трудно или невозможно
установить датчики. С помощью фото- и видеорегистрации получится
строить модели и давать заключение о том, как конструкция будет
себя вести в будущем.Эксперимент СценарийНаучные руководители:
доктор технических наук, профессор, заместитель руководителя
научно-технического центра ОАО РКК Энергия Михаил Юрьевич Беляев,
академик РАН, доктор физико-математических наук, профессор Сергей
Тимофеевич СуржиковСергей Павлович Королев, помимо прочего, создал
спутник Зенит, предназначенный для съемки Земли. В 1961 году в
корабле Восток летел Гагарин, а в спутнике Зенит размещался
огромный фотоаппарат, который потом возвращался на Землю вместе с
пленкой. В августе 1961 года во время полета Германа Титова было
сделано первое изображение с орбиты Земли с этого началось
наблюдение за нашей планетой из космоса. Сегодня одна из самых
важных задач космической техники это контроль территорий, которые
сложно изучить другими методами.Орбитальная станция очень удобна
для отработки различных технологий и аппаратуры по наблюдению Земли
и дает ряд преимуществ, поскольку там есть космонавт, который
всегда может что-то поправить. Также налажен трафик борт Земля,
Земля борт, то есть можно что-то вернуть, что-то новое доставить.В
рамках эксперимента Ураган ученые создают приборы и отрабатывают
технологии наблюдения Земли, а также занимаются изучением
потенциально опасных и катастрофических явлений. Например,
оценивают развитие и направление лесных пожаров или движения
ледников и оползней. Из таких задач и появился эксперимент
Сценарий. В нем, помимо РКК Энергия, участвует Институт проблем
механики им. А.Ю. Ишлинского, Институт географии и Министерство по
чрезвычайным ситуациям.В рамках эксперимента ученые наблюдают
различные катастрофические явления при помощи снимков и
спектрометрической информации. В случае с пожарами определяются
фронт, передние, задние, боковые направления, по которым
распространяется пожар. Оценивается ландшафт на пути пожара:
просеки, дороги, ручейки. Строятся модели, предсказывающие, как он
будет развиваться и с какой скоростью.В исследованиях используется
не только фото-, видео- и спектрометрическая информация. Сейчас на
борту размещена аппаратура Икарус это российско-немецкий проект. На
российском сегменте с помощью космонавтов развернуты мощные
антенны, а на наземных объектах, например животных, крепятся
датчики-теги. Такой тег весит всего лишь 5 граммов, но в нем есть
приемник GPS, солнечная батарея, аккумулятор, передатчик, приемник,
акселерометр, магнитометр. Такие датчики изготавливают в Германии.
Их устанавливают на животных и в том числе в экспериментальном
режиме на оползне в Дагестане, в районе реки Сабур. Технология
такая: в оползень помещается столб, который может потом двигаться,
и к нему прикрепляется датчик таким образом, чтобы обеспечивалось
освещение солнечной батареи.
Теги передают на российский сегмент МКС информацию о возможных
перемещениях либо животных, либо тегов, эти данные поступают в ЦУП,
а далее в лабораторию. Ученые изучают возможные перемещения
оползней и, если намечаются неблагоприятные события, связываются с
МЧС.Для выявления опасных ситуаций может быть полезна не только
информация, полученная от ледников и оползней. Так, исследователи
установили датчики на домашних животных на Сицилии. После анализа
полученной информации стало понятно, что перед землетрясениями
поведение животных резко меняется. Поэтому данные, полученные при
помощи наблюдения за поведением животных, также могут служить
индикатором катастрофических явлений.В ноябре ученые Института
проблем экологии и эволюции имени А. Н. Северцова разместили
датчики на сайгаках, чтобы изучать их миграции. К сожалению,
сайгаков съели волки, но даже после этого датчики продолжали
работать: их волки не стали есть. Сотрудники института выехали на
указанное им место и обнаружили скелеты сайгаков и датчики, лежащие
рядом. Так что можно утверждать, что это надежная технология, хотя
низкие температуры отрицательно влияют на работу тега. Сейчас
немецкие специалисты работают над его совершенствованием.Еще одно
направление работы наблюдение за Байкалом. Зимой он замерзает, но
подо льдом скапливается метан. И в апреле он вырывается наружу, что
может привести к катастрофам: откалываются участки льда, что ведет
к гибели людей. Год назад космонавты предоставили информацию, что
над Байкалом появились метановые купола, а исследователи передали
эту информацию МЧС. Таким образом получилось избежали
катастрофы.Сейчас на стадии подготовки находятся и другие
исследования, например, о таянии ледников. По уменьшению их площади
можно делать определенные выводы о том, что происходит с климатом
на Земле.Электронный носНаучный руководитель: доктор биологических
наук, старший научный сотрудник ИМБП РАН Сергей Николаевич
ХаринЗалогом правильной работы МКС является не только исправность
ее технических элементов или систем жизнеобеспечения, благодаря
которым космонавты могут существовать на борту станции. Важную роль
играет экологическая безопасность среды обитания на МКС. Она
подразумевает тщательный контроль за физическими,
токсикологическими и микробиологическими параметрами.Дело в том,
что микроорганизмы так или иначе попадают на борт станции. Это
происходит с прилетом космонавтов, с грузопотоком. Полностью
простерилизовать те или иные объекты невозможно, да и сам человек
является носителем микробов.Микробиологический мониторинг среды
обитания орбитальных станций проводится достаточно долгое время. Он
проводился на орбитальном комплексе Мир, проводится и сейчас на
МКС, и на основании имеющихся многочисленных данных можно
утверждать, что развитие микроорганизмов в воздухе и на внутренних
поверхностях станции крайне нежелательное явление, которое влечет
за собой риски.В первую очередь это медицинские риски, связанные с
возможностью инфицирования космонавтов потенциально патогенными
микроорганизмами. Это маловероятно, так как иммунитет космонавтов
поддерживается на нормальном уровне, но все равно случаи
заболевания исключать нельзя. Гораздо более вероятны и не менее
опасны так называемые технические риски. Поверхности многих
конструкционных материалов легко подвержены микробному загрязнению.
Попадая на такие материалы, микроорганизмы приспосабливаются к
росту на них. Такой активный рост ведет к крайне нежелательным
явлениям биологической деструкции, если речь идет о полимерных
материалах, или биологической коррозии, если микробный рост
происходит на металлах. В конечном итоге это может привести к сбою
в работе или окончательной поломке важного бортового оборудования
или систем жизнеобеспечения такие прецеденты в истории космонавтики
есть.Гарантия микробиологической безопасности среды обитания
пилотируемого космического комплекса является обязательным условием
при длительных космических полетах. Она подразумевает регулярный
мониторинг микробиологического состояния среды обитания станции.
Для этого уже разработана специальная процедура: космонавты
постоянно отбирают пробы специальным оборудованием, которое
доставляется на борт станции с космическими кораблями, а затем
возвращают образцы на Землю. На Земле образцы анализируются на
микробиологические показатели, по которым можно понять
микробиологическое состояние окружающей среды. В том случае, если
фиксируются неблагоприятные изменения, становится понятно, что
требуется срочная дезинфекция.Этот способ, хоть и позволяет
проводить углубленные анализы в лабораторных условиях на Земле,
привязан к полетам на станцию и обратно а это происходит раз в
четыре года. И если на поверхности обнаруживается загрязнение и
нужно понять его природу, проверить его быстро не получится. Кроме
того, такой подход неэффективен для будущих межпланетных полетов,
когда постоянная доставка расходных материалов будет ограничена.
Поэтому нужно иметь в запасе экспресс-метод, который позволил бы
оценивать микробиологические параметры непосредственно на борту и
давать оперативные результаты.Из необходимости разработки такого
оперативного экспресс-метода, минимально привязанного к Земле, и
родился эксперимент Электронный нос. За основу были взяты имеющиеся
технологии и способность микроорганизмов выделять во внешнюю среду
летучие низкомолекулярные вещества. Состав этих низкомолекулярных
веществ специфичен для определенных групп микроорганизмов, по нему
можно определить не только количество микробов на поверхностях, но
и их таксономическую принадлежность. Электронный нос это небольшая
коробочка, в которой находится набор датчиков. Он подключается в
электрическую бортовую сеть с помощью специального кабеля, а к
нему, помимо всего прочего, подсоединяются воздухозаборники, с
помощью которых и берется проба воздуха. Воздухозаборники бывают
нескольких типов они продиктованы особенностями поверхности, с
которой нужно собрать пробу. Если это обычная открытая плоская
поверхность, то воздухозаборник с присоской. Если же нужно
проверить запанельное пространство, бортовую сеть кабелей и другие
труднодоступные места, используется воздухозаборник в виде гибкого
шланга. У него на конце тоже присоска, поскольку нужно все-таки
касаться поверхности, чтобы воздух вокруг предполагаемой колонии
микробов поступал внутрь прибора для дальнейшего анализа.
У Электронного носа 10 электрохимических датчиков, каждый из
которых реагирует на определенную группу летучих веществ,
выделяемых микроорганизмами, и может определять их состав.Принцип
работы электрохимических датчиков заключается в том, что при
взаимодействии с определенным газовым компонентом окружающей среды
сопротивление на нем меняется и это служит количественным сигналом.
Далее сигнал обрабатывается специальной статистической программой в
лаборатории на Земле. На основании данных делается вывод,
присутствуют ли микроорганизмы и если да, то в каком количестве и
какой разновидности. Все происходит довольно быстро: если космонавт
провел измерения в течение дня и тогда же передал цифры в ЦУП, то
результат можно получить уже через три дня. Если показатели
принимают критические значения, то на борт посылают радиограммы о
том, что пора проводить дезинфекцию или принимать другие меры по
удалению микробов.Электронный нос уже протестировали в российском
сегменте МКС в рамках одноименного космического эксперимента. Он
продемонстрировал способность прибора к экспресс-диагностике
микробного загрязнения на поверхностях интерьера МКС. Это первый
инструментальный метод, успешно примененный для обнаружения
микроорганизмов на поверхностях на борту МКС.
На Земле также есть места, где Электронному носу найдется
применение. Например, полевые госпитали, в которых лечат людей в
местах катастроф и в которых невозможно быстро провести
микробиологический анализ. При этом именно там высок риск
внутригоспитальных инфекций. С таким прибором можно оценивать
микробиологические загрязнения достаточно оперативно и эффективно.
Также одна из потенциальных сфер применения Электронного носа
пищевая промышленность, когда нужно быстро оценить, есть ли в том
или ином звене производства риск заражения.Эксперимент Магнитный
3D-биопринтерНаучный руководитель: кандидат медицинских наук,
научный руководитель лаборатории биотехнологических исследований 3D
Bioprinting Solutions Владимир Александрович МироновОбычно в ходе
биомедицинских экспериментов в космосе изучают либо влияние
радиации, либо влияние невесомости. У эксперимента Магнитный
3D-биопринтер была другая задача: невесомость рассматривалась как
инструмент, который позволяет разрабатывать новый метод
биофабрикации. Этот метод называется магнитно-левитационной
биосборкой.Магнитную левитацию изучал Андрей Гейм, который получил
Нобелевскую премию за графен и Шнобелевскую за левитирующую
лягушку. Он работал в Неймегене в лаборатории с супермощными
магнитами, создающими поле в 42 тесла, благодаря которым и удалось
заставить лягушку летать. 3D-Bioprinting Solutions в биопринтинге
использует маленькие шарики, тканевые сфероиды, или клеточные
агрегаты. Это скопления клеток, которые образуют миниткань. Они
выступают строительными блоками при биопечати, сливаются, если их
накладывать слой за слоем. Но это довольно медленный процесс, и
ученые решили ускорить процесс при помощи магнитов, которые бы
заставили сфероиды собираться в скопления.Однако выяснилось, что
магнитная левитация немагнитных объектов (diamagnetic levitation)
требует парамагнитной среды. В случае со сфероидами ученые
добавляли гадолиний контрастное вещество, которое используется в
МРТ. Он действительно позволил сфероидам левитировать, но его
необходимая концентрация при этом оказалась токсичной, что привело
к гибели клеток.Из-за токсичности гадолиния существовали
определенные ограничения на его нахождение на борту МКС. Лицензию
удалось получить в 2018 году, однако у ракеты, отправленной на МКС
с Байконура, не отделилась первая ступень, и специально
разработанный для эксперимента биопринтер Organaut упал с
80-километровой высоты (сейчас он находится в Музее космонавтики).
Второй полет состоялся в 2019 году и оказался удачным.Суть
эксперимента заключается в том, что тканевые сфероиды в шести
кюветах погружаются в термочувствительный японский гель, который не
позволяет им сливаться раньше времени. Уже в космосе снижают
температуру геля, чтобы он стал жидким, и вставляют кюветы между
двух магнитов, чтобы обеспечить левитацию.Результаты эксперимента
показали, что сфероиды сливаются в тканевые блоки при концентрации
гадолиния в несколько раз меньше, чем на Земле, и он остается
нетоксичным. По итогам эксперимента была опубликована статья в
журнале Science Advances.Главное, что необходимо понять, чтобы
осваивать космос, то, как на человека на самом деле влияет
радиация. Измерять ее просто счетчиком Гейгера было бы неправильно,
гораздо нагляднее показать воздействие могут биологические сенсоры.
Одной из задач эксперимента Магнитный 3D-биопринтер было создание
системы, которая могла бы сообщить, что уровень радиации слишком
высок для человека. Для ее решения требуются ткани, которые
особенно чувствительны к радиации (например, ткани яичников или
костный мозг), а также неинвазивные, недеструктивные методы оценки
состояния клетки. С этой целью можно использовать так называемые
self-reporting gene, которые под воздействием радиации и при гибели
меняют цвет. Кроме того, исследование должно проводиться в режиме
реального времени без необходимости каждый раз возвращаться на
Землю.Эксперименты в космосе стоят дорого и не всегда оказываются
эффективными. Но если мы хотим когда-то жить в планетарных
поселениях на Луне и Марсе, то нужно сначала убедиться, что
радиация не погубит организм. И маленькие кусочки тканей, которые
имитируют радиочувствительные органы, могут справиться с этой
задачей, если отправить их на длительное время в спутнике на
орбиту. И чем сложнее будут эти органоиды, тем лучше будет их
предсказательная сила.
