Какие эксперименты проводят на МКС? Космический огород, спортивные тренировки и тёмная материя

Международная космическая станция появилась в результате объединения двух проектов — американской станции Freedom и советского комплекса «Мир-2». В 1992 году, после развала Советского Союза, над российской ракетно-космической отраслью нависла угроза ликвидации: в государственном бюджете не было денег на развитие космонавтики, и правительство отказалось от взятых на себя финансовых обязательств. Чтобы привлечь средства хотя бы на сохранение комплекса «Мир», руководители отрасли начали изучать разные инициативные проекты с привлечением иностранных заказчиков: например, предлагалось поучаствовать в конкурсе по созданию спасательного космического корабля для США.В то же время NASA столкнулось с тем, что проект модульной орбитальной станции, разрабатываемой с 1969 года, получался слишком дорогим, и Конгресс неоднократно собирался его заморозить. В феврале 1992 года сенатор Барбара Микульски обратилась к американскому президенту с предложением организовать специальную группу, которая оценила бы, что космонавтике России досталось в наследство от СССР. В марте эта группа прибыла в Москву, а в мае был заключен первый контракт между NASA и ракетно-космической корпорацией «Энергия». В рамках этого контракта США анализировали системы российских космических кораблей и ракет-носителей, чтобы найти им применение в проекте Freedom.В марте 1993 года руководители «Энергии» и корпорации Boeing изучили вчерне, возможно ли в принципе создать международную станцию, после чего было составлено обращение в адрес администратора NASA Дэниэла Голдина с предложением о совместной разработке МКС. В состав российской части вошли основные элементы станции «Мир-2»: базовый блок, три узловых стыковочных модуля, научно-энергетическая платформа, стыковочный отсек-шлюз, служебный модуль с системами жизнеобеспечения, космические корабли «Союз ТМ» и «Прогресс М». Американская часть включала лабораторный и жилой модули, два узловых модуля, ферму для установки солнечных батарей и сами батареи, радиаторы теплообменников, выносные двигательные установки, модули снабжения, японский лабораторный модуль JEM (Japanese Experiment Module), европейский лабораторный модуль Columbus и канадский манипулятор Canadarm2; доставить эти элементы должны были корабли Space Shuttle.

2 сентября 1993 года глава российского правительства Виктор Черномырдин и вице-президент США Альберт Гор подписали «Совместное заявление о сотрудничестве в области космоса», предусматривающее строительство МКС и серию полётов американских астронавтов на комплекс «Мир». С этого момента началась реализация самой масштабной международной космической инициативы в истории.Не всё шло по плану. Из-за постоянных проблем с финансированием сроки изготовления модулей срывались, и график строительства сдвигался. Тем не менее работа продолжалась, и 20 ноября 1998 года на орбиту отправился российский функционально-грузовой блок «Заря». Через две недели шаттл Endeavour доставил к нему узловой модуль Unity (Node-1) с шестью стыковочными узлами. Экипаж шаттла — в составе был космонавт Сергей Крикалёв — перешёл на станцию и расконсервировал её. В июле 2000 года к МКС пристыковался служебный модуль «Звезда», а 2 ноября на корабле «Союз ТМ-31» туда прибыл экипаж первой основной экспедиции. В феврале 2001-го шаттл Atlantis доставил американский лабораторный модуль Destiny, в июле шаттл Discovery — универсальную шлюзовую камеру Quest. В сентябре 2001 года станция пополнилась стыковочным отсеком-модулем «Пирс». Гибель шаттла Columbia 1 февраля 2003 года заставила пересмотреть программу расширения МКС. Все задачи, связанные с обеспечением станции, теперь должны были выполнять российские корабли «Союз» и «Прогресс», которые не могли доставлять новые модули. Тогда пошли разговоры о том, что нужно завершить сборку, но американское правительство заверило, что согласно плану МКС будет достроена до 2010 года, поэтому полёты шаттлов возобновили. В июле 2005 года шаттл Discovery прилетел к МКС впервые после гибели Columbia. Рейсы на орбиту продолжались до июля 2011 года — последним шаттлом, побывавшим там, стал Atlantis.

За шесть лет МКС выросла, в её состав также вошли американский соединительный модуль Harmony (Node-2), канадский робот-манипулятор Dextre (Special Purpose Dexterous Manipulator, SPDM), японская исследовательская лаборатория «Кибо», два российских малых исследовательских модуля «Рассвет» (МИМ-1) и «Поиск» (МИМ-2), американский жилой модуль Tranquility (Node-3), европейский модуль панорамного наблюдения Cupola («Купол») и итальянский многоцелевой модуль Leonardo (PMM). Ещё два крупных модуля пристыковались к российскому сегменту станции в 2021 году — ими стали «Наука» и «Причал». Общая масса МКС составляет около 440 тонн. Предполагается, что станцию будут эксплуатировать до 2030 года включительно, однако идут разговоры о том, что работы на ней нужно продолжать и после «крайнего» срока. Таким образом, даже после того, как китайцы достроят свою станцию «Тяньгун» и начнётся сборка российской станции РОСС, МКС останется крупнейшим научным центром в космосе.

Человек космический

Ещё со времён первых космических полётов в 1961 году учёных интересовало, как факторы космического полёта, прежде всего невесомость, влияют на человеческий организм. По подобным вопросам не было единого мнения, а от ответов зависело, смогут ли когда-нибудь земляне добраться до соседних планет. С увеличением продолжительности полётов появлялась новая информация о том, как люди переносят космические условия, но она не всегда была позитивной. Например, в июне 1970 года состоялся полёт корабля «Союз-9»: Андриян Николаев и Виталий Севастьянов находились на орбите почти 18 суток — абсолютный рекорд по тем временам. Однако после возвращения космонавты теряли сознание, испытывали мышечные боли, у них поднялась температура и участился пульс. Шесть суток космонавты не могли самостоятельно ходить, но благодаря усилиям врачей всё-таки постепенно восстановили здоровье.

Специалистам пришлось в срочном порядке разработать методы поддержания физической формы в космическом полёте: тренировки с эспандерами, упражнения на велоэргометре и беговой дорожке, регулярное использование нагрузочного костюма «Пингвин» и вакуумной ёмкости «Ветер». Всё это дало отличный результат: летом 1975 года Севастьянов провёл на станции «Салют-4» 63 дня, а после возвращения чувствовал себя отлично и сразу начал ходить.На станции «Салют-6» удалось установить новый мировой рекорд пребывания в космосе — 185 суток! Его побили на «Салюте-7», а непревзойдённый чемпион определился на комплексе «Мир» — врач-космонавт Валерий Поляков из Института медико-биологических проблем находился в космосе почти 437 суток — этого времени достаточно, чтобы слетать на Марс и обратно.Вроде бы проблема с поддержанием физической формы была решена, однако учёным этого оказалось недостаточно. Они давно заметили, что каждый человек, попавший на орбиту, по-своему адаптируется к невесомости: кто-то очень долго испытывает тошноту и головокружение, кто-то, наоборот, почти сразу привыкает к новому состоянию. Сегодня разработаны методики тренировок и специальные медицинские препараты, облегчающие привыкание к невесомости, но есть и другая задача, которая сейчас ещё далека от разрешения — более глубоко изучить механизм влияния невесомости на человеческие органы (мозг, мышцы, кости, глаза и т. д.).

Побить рекорд Валерия Полякова по пребыванию в космосе — 437 суток — пока не удалось никому / Mil.ru [CC BY 4.0]В России этими вопросами занимается Институт медико-биологических проблем, в США — Национальный институт космических биомедицинских исследований (National Space Biomedical Research Institute). Достоверно установлено, что, несмотря на постоянные тренировки, у космонавтов в ходе полёта атрофируются мышцы, снижается минеральная плотность костей (развивается остеопения), перераспределяется кровь, ухудшается работа сердечно-сосудистой системы, уменьшается выработка эритроцитов, ослабевает иммунная система, появляется синдром усталости. Всё это может иметь серьёзные последствия, особенно в ситуации, когда космонавты не возвращаются на родную Землю, где их готовы встретить лучшие врачи, а прилетают на чужую планету. А значит, надо придумать, как выявлять негативные изменения и купировать их.Один из наиболее важных проектов, связанных с этой задачей, — Advanced Diagnostic Ultrasound in Microgravity («Усовершенствованная ультразвуковая диагностика в условиях микрогравитации»). Причём диагностикой можно управлять как с орбиты, так и по радиоканалу с наземного пункта. Комплект оборудования позволяет сканировать опорно-двигательный аппарат, сердце, лёгкие, брюшную полость, зубы и т. д. К тому же проект имеет прикладное значение и на Земле, ведь ситуации, когда нужно провести срочную дистанционную диагностику, возникают периодически в труднодоступных районах или при бедствиях.Параллельные медико-биологические исследования порой приводят к неожиданным результатам. В 2012 году специалисты Национального института космических биомедицинских исследований заметили, что в условиях невесомости у человека возрастает внутричерепное давление, которое влияет на форму глазных яблок и зрительный нерв, и при этом ухудшается зрение. СМИ сразу подхватили новость, подав её в сенсационном ключе: на пути к Марсу земляне неизбежно ослепнут! Однако сотрудники Института медико-биологических проблем, располагающие данными наблюдений за здоровьем космонавтов со времён станций «Салют», не обнаружили там каких-либо упоминаний о проблемах со зрением. Оказалось, что одной из причин ухудшения зрения у некоторых астронавтов были чрезмерные силовые нагрузки на тренажёрах — в совокупности с невесомостью они дали негативный эффект. Исследования в этом направлении продолжаются, и пока рано делать вывод, какой фактор становится определяющим.

Одним из наиболее интересных экспериментов, проведённых на МКС, стало годичное пребывание там астронавта Скотта Келли, которое началось в марте 2015 года. Конечно, это нельзя назвать рекордом, однако учёные впервые получили возможность наблюдать не только за астронавтом, но и за его однояйцевым братом-близнецом Марком Келли, остававшимся на Земле. Суть эксперимента состояла в том, чтобы в сравнении изучить, как космический полёт изменяет активность генов. Ожидаемо выяснилось, что невесомость довольно существенно повлияла на гены, отвечающие за иммунную систему и рост костной ткани. Причём некоторые из них (до 7%) остались в изменённом состоянии даже через полгода после завершения полёта. Специалисты отметили, что это нормально: такие же устойчивые изменения наблюдаются у альпинистов и дайверов. Однако больше всего удивили теломеры — концевые участки хромосом, играющие защитную роль в ДНК и определяющие продолжительность жизни организма. Они не уменьшились, как предсказывали учёные, а наоборот, увеличились в размерах. Получается, что Скотт Келли, будучи на орбите, стал биологически моложе своего брата на Земле! Впрочем, часть специалистов считают, что дело не в условиях космического полёта, а в нормированном графике жизни, которого астронавт старательно придерживался на орбите.

Практика панспермии

Изучение того, как космос влияет на человека, — важнейшее направление исследований, но не менее интересно наблюдать, как меняется на МКС жизненный цикл микроорганизмов, животных и растений. Это тоже имеет практическое значение, ведь космонавты возьмут с собой в межпланетный полёт часть земной биосферы, и нужно заранее выяснить, что стоит брать, а от чего лучше отказаться.Основоположники теоретической космонавтики полагали, что растения и животные будут чувствовать себя в искусственной среде орбитальной станции даже лучше, чем на Земле. Однако практика показала обратное: у опытных растений на станции «Салют-6» по сравнению с контрольными замедлялись рост стеблей и образование первых настоящих листочков, затем многие растения хирели и вяли, не дав плодов и семян. С проблемой научились справляться на комплексе «Мир»: оранжерея «Свет» проработала там с 1990 по 2000 год. Эксперименты в ней доказали, что редис способен в таких условиях давать корнеплоды, кроме того, можно в нормальные сроки получать жизнеспособные семена сурепки, арабидопсиса и пшеницы.

Исследования с космическими «огородами» продолжились и на МКС. В период с марта 2003 года по апрель 2005 года в оранжерее «Лада» космонавты провели пять экспериментов по культивированию генетически маркированных растений карликового гороха и получили соответственно четыре «космических» поколения. Результаты показали, что «космический» горох в течение полного цикла выращивания практически не отличался от контрольных земных образцов. В апреле 2014 года американский корабль доставил на МКС установку Veggie («Вегетарианец»), где могут расти три вида салата, пекинская капуста, красная капуста и горчица мизуна. Через год благодаря этой оранжерее в меню астронавтов включили свежую зелень, выращенную в невесомости.Проблемой орбитальных оранжерей остаётся то, что нужно обеспечивать растения почвой, причём её приходится часто менять, поскольку она истощается: питательных веществ становится всё меньше, а продуктов метаболизма — всё больше. Так что в феврале 2022 года научный комплекс американского сегмента МКС пополнился гидропонным и аэропонным оборудованием, с помощью которого растения смогут обходиться без почвы.Впрочем, самый необычный эксперимент, имеющий фундаментальное значение для науки, провели в российском сегменте. Исследование началось в январе 2005 года и получило название «Биориск». На внешнюю поверхность стыковочного узла «Пирс» космонавты поместили контейнеры со спорами грибов и некоторыми видами бацилл. Длительность экспозиции в открытом космосе для разных контейнеров составила 7, 12 и 18 месяцев. Как оказалось, простейшие микроорганизмы целый год способны выживать в вакууме, что заставило специалистов пересмотреть требования к стерилизации межпланетных космических аппаратов.

На втором этапе контейнеры с биологическими образцами (сухой икрой, личинками комаров хирономид, яйцами рачков, семенами высших растений, спорами бактерий и плесневых грибов) были размещены как внутри российского сегмента МКС, так и снаружи — на стыковочном узле «Пирс». С 6 июня 2007 года три контейнера находились в условиях космического вакуума; первый из них вернули на станцию 15 июля 2008 года (то есть он провёл в космосе свыше 13 месяцев), а доставили на Землю 24 октября. Каково же было удивление учёных, когда им удалось вернуть к жизни практически все образцы — погибли только семена томатов и икра рыб. Больше всего поразила исследователей выживаемость комаров хирономид: более 80% личинок восстановили жизнеспособность (результат оказался даже лучше, чем у спор и одноклеточных!). Это означает, что многоклеточные земные организмы в состоянии биологического покоя способны длительное время существовать в космическом пространстве — под воздействием резких перепадов температур и сильного излучения. Гипотеза панспермии внезапно начала получать подтверждения.

Фундамент жизни

На МКС также изучают, как при невесомости протекают известные физические процессы. Например, американцы наблюдают за горением и смешиванием разных веществ — благодаря этому в будущем, возможно, получится разработать и применять орбитальные промышленные технологии.Учёные NASA также считают очень важной работу астронавтов с альфа-магнитным спектрометром (Alpha Magnetic Spectrometer, AMS-02), доставленным шаттлом Endeavour в мае 2011 года и установленным на одной из ферм МКС. Этот высокотехнологичный инструмент ищет антивещество во Вселенной и теоретически способен обнаружить загадочную тёмную материю. 3 апреля 2013 года специалисты, анализирующие его данные, сообщили, что он зафиксировал «необъяснимый избыток высокоэнергетических позитронов в космических лучах», а это косвенно указывает на процесс аннигиляции тёмной материи. Однако для окончательных выводов необходимо продолжать наблюдения.

Если говорить о российском сегменте, то один из самых интригующих экспериментов, которые там проводятся, — это «Плазменный кристалл». В космосе присутствует довольно много низкотемпературной плазмы, содержащей частицы пыли, — её можно наблюдать в планетарных кольцах, кометных хвостах и межзвёздных облаках. Чтобы лучше понимать процессы, происходящие в этой смеси, была построена установка, внутрь которой помещают ампулы с пылевой плазмой. Установку привезли на МКС ещё в феврале 2001 года, а серия экспериментов завершилась лишь в ноябре 2013 года; их результаты сейчас пытаются осмыслить и приспособить к решению задач промышленности: к созданию новых материалов, систем очистки и т. п. Выяснилось, что в невесомости частицы выстраиваются в кристаллическую структуру, которая проявляет свойства твёрдых и жидких тел — соответственно, в ней возможны процессы плавления и испарения. Но самым неожиданным открытием стало то, что при некоторых условиях пыль выстраивалась в спиральные структуры, похожие на ДНК. Получается, что формирование основы жизни заложено на фундаментальном физическом уровне Вселенной!

Можно ли было провести все эти исследования без участия человека? Нет. Ведь и сам человек на МКС выступает в качестве подопытного, даже когда наблюдает за горением или плазменным кристаллом. Любая деятельность на орбитальной станции — решение задач будущего в настоящем. Но именно этим всегда и занималась передовая наука. В любом случае от результатов исследований на МКС зависит, как далеко человечество сумеет продвинуться в космосе, обеспечив тем самым бессмертие земной цивилизации.