В ушедшем году Международная космическая станция отпраздновала 15-летие с начала работы первого долговременного экипажа. Без преувеличения, запуск и эксплуатация МКС стали важнейшей вехой в истории освоения космоса, а сама станция превратилась в главный форпост человеческой цивилизации за пределами родной планеты. За эти годы на МКС было проведено множество научных исследований, затрагивающих самые различные дисциплины: от микробиологии до метеорологии, от медицины до фундаментальной физики. Расскажем об избранных научных работах, проведённых за эти годы на станции, в контексте применения их результатов на Земле и в космосе.
Хрупкость человеческого тела
Если человечество собирается когда-нибудь колонизировать другие планеты, например, Марс, оно должно быть готово к трудностям длительного перелёта и к необычным условиям, с которыми организм столкнётся во время межпланетного путешествия. Одна из самых очевидных сложностей — пребывание человеческого тела в невесомости в течение многих месяцев.
Исследования, проведённые на МКС в условиях микрогравитации, показали, что тело человека в подобном полёте будет терять значительную часть мышечной массы и массы костей. Методика, которая может сгладить эти последствия пребывания в невесомости, включает устройства для нагружающих упражнений, и её испытания показали, что таким образом можно значительно компенсировать потери массы мышц и костей. В сочетании с другими работами, в которых изучалось специальное питание и использование специальных препаратов, эти исследования могут помочь и в лечении земных болезней — например, остеопороза.
Загрязнение межпланетного пространства
Полёт на Марс с человеком на борту является долгосрочной целью многих организаций, занимающихся освоением космоса. Марс вызывает особый интерес, так как это наиболее доступное место за пределами Земли, где жизнь могла бы существовать ранее или даже может существовать прямо сейчас. Крайне важно в таких обстоятельствах, чтобы земные организмы не попали случайно на Марс, и чтобы возможные марсианские крупицы жизни не оказались в земной экосреде.
Некоторые споры бактерий, например, сенная палочка (Bacillus subtilis), на МКС были помещены в открытый космос, правда, с защитой от воздействия солнечного ультрафиолета. В ходе эксперимента споры показали высокие способности к выживанию: вакуум и экстремальные температуры сами по себе оказались неспособны убить их. Подобные организмы способны выжить при перелёте между планетами, для этого им достаточно, к примеру, оказаться на корабле под тонким слоем почвы.
Данное исследование, показывающее, что микроорганизмы или их ДНК могут переносить межпланетные путешествия, оставляет возможность того, что жизнь на Земле появилась из космоса.
Выращивание кристаллов для медицины
Важнейшей вспомогательной задачей в рамках разработки эффективных медицинских препаратов является исследование формы белковых молекул человека. Важнейшим инструментом для понимания структуры этих молекул является белковая кристаллография. На Земле выращивание кристаллов в жидкости осложнено из-за гравитации, которая вызывает конвекцию, что приводит к выпадению более тяжёлых частиц в осадок.
В условиях микрогравитации кристаллы могут вырастать до более крупных размеров, что позволяет легче анализировать их микроструктуру. Белковые кристаллы, выращенные на МКС, используются в разработке новых препаратов, в том числе против мышечной дистрофии и рака.
Космическое излучение и тёмная материя
Космос пронизан потоками высокоэнергетических заряженных частиц, относительно источников которых нет полной ясности. Некоторые появляются в результате взрывов сверхновых, источниками других может быть наше Солнце. Но во многих случаях природа этих частиц неизвестна.
Наблюдения за заряженными частицами на Земле затруднено из-за атмосферы: поверхности планеты достигают лишь немногие из них. Чтобы лучше понимать, откуда они берутся, нужно детектировать их ещё до попадания в атмосферу. Установленный на МКС магнитный альфа-спектрометр является наиболее чувствительным детектором частиц за пределами планеты. Этот прибор собирает космические лучи и измеряет их энергию и направление.
Первые результаты его работы, полученные в 2013 году, показали, что у электронов и позитронов источники равномерно распределены в пространстве, и каких-то выделенных направлений нет.
Исследование космических частиц может помочь в решении одной из главных загадок Вселенной — что такое тёмная материя. Описывающая её теория предполагает наличие облака из тёмной материи вокруг каждой галактики — в том числе нашей, — что предполагает однородность в потоке частиц, предположительно рождающихся из частиц тёмной материи. Данные, полученные на МКС, не опровергают этих предположений.
Эффективное горение
Зажигание огня на орбитальной станции не выглядит хорошей идеей. Однако, как оказалось, физика пламени в условиях микрогравитации является весьма интересной. Условия МКС оказались удачными для исследования процесса воспламенения крохотных капелек топлива.
На Земле пламя принимает свою привычную форму благодаря конвекции, которая вследствие воздействия гравитации поднимает вверх тёплый газ. При микрогравитации нет подъёма, и таким образом пламя принимает расплывчатую сферическую форму вокруг источника огня. Далее, жёлтый цвет пламени образуется раскалёнными крохотными частицами сажи. Сажа образуется из не полностью сгоревшего топлива и является загрязняющим агентом.
В случае микрогравитации процесс сгорания топлива идёт более эффективно. Пламя свечи, которое может быть жёлтым на Земле, в условиях микрогравитации светится синим цветом и производит гораздо меньше дыма.
Подобные исследования позволяют изучать процессы образования сажи, которая оказывает негативное воздействие на окружающую среду и здоровье человека, а также то, как капли топлива в двигателе внутреннего сгорания переходят от жидкости к газу, как они горят. Это может однажды привести к созданию более эффективных конструкций для двигателей внутреннего сгорания на Земле.
