В СССР для аналога шаттла, корабля «Буран», тоже был изготовлен манипулятор, но так и не был использован. Однако на станции «Мир» появился АСПр – автоматическая система перестыковки. Орбитальный комплекс предполагал соединение модулей не только спереди и сзади по направлению движения станции, но и сверху, снизу и по бокам. Советский манипулятор как раз и нужен был для перемещения тяжелых частей, для чего важна была не столько ловкость, сколько надежность и точность. Впервые АСПр использовался при перестыковке второго модуля «Квант‐2» станции «Мир» на боковой стыковочный узел. Манипулятор имел два шарнира, мог поворачиваться всего в двух плоскостях и присоединяться концом к специальным гнездам станции. Зато в нем были заложены значительные резервы по прочности и амортизации. Совмещение идей «Канадарма» и АСПр позволило создать манипулятор ERA, который используется на российском сегменте МКС. Он имеет семь степеней свободы, крепится к специальным гнездам и перемещается по ним вдоль корпуса станции.

Также интересны были технологические эксперименты и последующее применение специального крана «Стрела», который выдвигался телескопически, и манипулятора OBSS, который удлинял «Канадарм» в два раза. Планировался эксперимент по использованию полностью механического копирующего манипулятора «Пеликан», но на орбите идея не получила продолжения. Зато на Земле на основе этих технологий были созданы механизмы, нашедшие применение в строительстве, грузоперевозках, работе в опасных зонах, конвейерном высокоточном производстве и медицине. Хирурги все чаще и чаще прибегают к куда более подвижным механическим рукам, схожим с космическими «собратьями».

Пока роботы были огромными, самым важным в космических полетах была радиосвязь, причем она развивалась семимильными шагами. Сложно назвать отношения более тесные, чем между ракетной промышленностью и связью. В Совете главных конструкторов трое из шести человек занимались разработкой радиокомплексов. До 1970‐х годов при каждом полете космических аппаратов проводились эксперименты по радиосвязи. Да и после на орбите периодически появлялись новые технологии для беспроводной передачи данных. Среди 12 тысяч современных спутников 10 тысяч являются спутниками связи.

Началось все с проблемы размеров передатчиков. Приемники в 1950‐х годах уже были небольшими, но для передачи данных требовалось громоздкое оборудование. Чтобы правильно управлять ракетой-носителем, нужно постоянно получать данные о ее параметрах. Следующая проблема – многоканальность: для управления нужно подавать множество разных команд. Для этого требуется оборудование, которое может использовать близкие частоты для разных функций. При этом встал серьезный вопрос надежности системы и предотвращения срабатывания от случайного сигнала. Так появились фильтры. Без них любая помеха (например, от грозы) могла привести к серьезной аварии. Постепенно ракеты-носители стали летать все дальше и дальше, и мощности передатчиков стало не хватать. Для Земли дальность ограничивалась горизонтом и округлостью планеты, поэтому не было повода создать более мощные радиокомплексы. Но космическая эра показала, что дальняя связь нужна. К тому же во время работы двигателей от жара образуется плазма – газ заряженных частиц, которые прекрасно глушат все частоты. Нужно было усиливать сигнал и искать способы выделять его из шума.

Цели удалось достигнуть уже в 1954 году, но мир узнал об этом через три года, когда первый искусственный спутник Земли передал первые сигналы. Любой радиоприемник, даже любительский, мог уловить радиоволну, идущую из космоса – от семикилограммовой станции с расстояния 900 километров. И это было только начало. Современные спутники размером 5 х 5 сантиметров имеют радиопередатчики массой три грамма. Их «коллеги» чуть большего размера находятся в сотовых телефонах, дистанционно управляемых приборах и игрушках – практически везде. Скорость передачи данных тоже увеличивается. На МКС проводился эксперимент «Инфотех», в котором использовались радиоволны S-диапазона. Более высокочастотные колебания позволяют компактнее сжимать данные и быстро передавать их, но при этом появляется больше источников помех, которые нужно учитывать при кодировании посланий. А какую информацию нужно транслировать по радио?

Для изучения космоса потребовалось снимать и передавать видео- и фотокадры, причем не только в виде записи, но и в реальном времени. Космическое телевидение зародилось при проектировании автоматической межпланетной станции «Луна‐3», которая облетела естественный спутник Земли и фотографировала его обратную сторону. Пока станция двигалась назад к Земле, пленка на ее борту была проявлена в автоматическом режиме, затем сканирующее устройство определило построчно темные и светлые точки на кадре и передало информацию об этом ученым. Изображение было в сотни раз лучше телевизионной картинки тех лет, однако по сравнению с разрешением сегодняшних фотоаппаратов 1000 x 1000 пикселей – это сущая ерунда. Космонавтика активно подталкивала оптиков и телевизионщиков к созданию более качественных беспленочных камер. Значительного прогресса добились в спутниках «Метеор» и марсианских межпланетных станциях, запускаемых в 1965–1971 годах. Мощность передатчиков и качество приемников позволили расширить дальность распространения сигнала на миллионы километров и больше. Современные камеры в мобильных телефонах – в каком-то смысле потомки космических – уже способны получать кадры гигапиксельного качества.

На фото и видео космонавты не останавливались. На станции «Салют‐6» Владимир Джанибеков и Жугдэрдэмидийн Гуррагчаа передавали по телевизионным каналам голограммы – новое слово в области визуализации. Технология пока не нашла широкого применения, но для исследования химических процессов оказалась весьма удачной.

Расширялись и другие возможности связи. Уже на первом луноходе появился сложный комплекс радиоуправления. Правда, задержка между подачей команды и получением кадра составляла 22 секунды. Но ввиду отсутствия трафика и пробок на дороге это не стало большой проблемой. На марсоходах технология была усовершенствована.

Радиоуправление позволяло дистанционно пользоваться спутниками, а в 1980‐х годах даже была задумана стыковка. Соединить два космических аппарата очень трудно – нужна высокая точность и оперативность, и задержка команды даже на секунду приведет к столкновению или промаху. Нужно маневрировать аппаратами, которые несутся с огромной скоростью. Но несколько таких экспериментов провели. Пульт управления был компактным, и его отправили на станцию «Мир». Сама система называлась ТОРУ – телеоператорный режим управления. С пульта космонавты на станции управляли грузовыми беспилотными кораблями «Прогресс». Несколько раз стыковки проходили успешно, но дважды возникали серьезные проблемы, одна из которых привела к столкновению со станцией, что могло закончиться катастрофой. Для безопасности эта система стала резервной и почти не использовалась. На Земле же развилась целая отрасль радиоуправляемых устройств и механизмов.

Космические инженеры стали искать другие технологии связи. Например, перспективной казалась передача данных с помощью света – лазеры могут с высокой скоростью передавать импульсы, в которых можно закодировать информацию. Эксперименты на земле космические инженеры начали сразу с появлением лазеров. Правда, первые из них от нагрузки взрывались, один – прямо на глазах главного конструктора. На Gemini‐7 в 1965 году была специальная установка – астронавт Джеймс Ловелл должен был диктовать числа, которые преобразовывались в световые пучки и отправлялись на Землю, но полноценно провести эксперимент не удалось из-за облачности. Следующую попытку предприняли только в 1992 году. Шаттл Discovery STS‐53 отправлял на Землю калибровочные послания. Недавний эксперимент на МКС по лазерной связи назывался «СЛС‐2». Тогда удалось разогнать сеть до 1,8 Гбайт/с.

На сегодняшний день рекорд скорости передачи с помощью лазера составляет 250 Мбит/с с расстояния 31 миллион километров. Его установила межпланетная станция «Психея». На Земле этот тип связи набирает обороты, как и оптоволокно. Есть на МКС и Wi-Fi, Bluetooth, NFC, 3G, LTE, и несколько новых технологий, таких как VSAT, WiGig и т. д.

Спутники доказали, что могут стать основой нового направления в связи. Чтобы передать информацию за горизонт и таким образом «побороть» кривизну Земли, ставят многочисленные вышки с устройствами, которые принимают сигнал и передают его по цепочке. Чем дальше от поверхности расположены так называемые ретрансляторы, тем дальше они могут передавать сигнал. А что если они будут в космосе? Тогда можно значительно упростить и удешевить весь комплекс. Идея появилась еще до запуска первого спутника, но возникла проблема: аппарат на орбите не может остановиться. Так называемая геостационарная орбита располагается на высоте 36 тысяч километров. Двигаясь по ней, спутник делает один оборот вокруг планеты за 24 часа, то есть за время оборота Земли вокруг своей оси. При таком синхронном движении космический аппарат всегда будет находиться над одной и той же точкой Земли. Запустить на геостационарную орбиту тяжелое оборудование просто не получится.

Первые эксперименты были нацелены на создание пассивных отражателей. Например, спутник Echo 1 представлял собой воздушный шар, который запускался в сложенном виде, а на орбите надувался до размеров 30 метров – радиоволны отражались от него и возвращались на Землю, но на большое расстояние от места отправки. Эксперимент прошел удачно, но длился пару минут, да и не каждый приемник мог поймать ослабевшую волну.

Первый геостационарный спутник назывался Syncom 2, его масса составляла всего 25 килограммов, а мощность передатчика – два Вт. Он мог ретранслировать только один телефонный звонок за раз. С помощью этого космического аппарата президент США Джон Кеннеди пообщался с премьер-министром Нигерии Абубакару Тафаве Балеве, когда они были за 13 000 км друг от друга.

Пока разрабатывались более легкие ретрансляторы, на низкие орбиты стали запускать спутники, их принцип работы напоминал работу почты. Первым был космический аппарат «Стрела». Он принимал сигнал из точки, над которой пролетал, и записывал его в бортовую память. Пролетая над точкой приема, он отправлял послание получателю. Поскольку один оборот вокруг Земли у космического аппарата занимает 90 минут, доставка сообщения получится достаточно быстрой. Если вывести на орбиту несколько аппаратов, которые могут передавать информацию друг другу, время ожидания можно свести к минимуму. Современная технология такого типа с несколькими тысячами спутников Starlink обеспечивает доступ к высокоскоростному широкополосному интернету. Менее известны спутники OneWeb, «Скиф», а также Iridium и «Гонец» для телефонной связи.

Пока спутники полноценно не добрались до геостационарной орбиты, революцию в телевизионном вещании совершил космический аппарат «Молния‐1». Для него рассчитали особую орбиту, названную в честь аппарата. Спутник совершает один оборот за 12 часов по очень вытянутой орбите, причем 10 часов из них он пролетает над одним полушарием и ретранслирует сигнал. За остальные два часа «Молния‐1» пробегает над другим полушарием, и тогда снова можно проводить трансляцию. Плюсом этой системы был тот факт, что наклоненная орбита могла проходить к северным широтам, в то время как геостационарные спутники могут летать только над экватором. По спутнику «Молния‐1» впервые провели трансляцию телевизионного сигнала, и жители Владивостока смогли посмотреть парад в Москве 1 мая 1965 года. Это был успех. К началу 1968 года количество зрителей центрального телевидения выросло на 20 миллионов человек.

В 1974 году модификация «Молния‐1С» добралась до геостационарной орбиты, и с той поры число спутников связи и их возможности начали расти в геометрической прогрессии. Это самый прибыльный и важный сегмент космонавтики. Спутники отвечают не только за радио, телевидение, телефонную связь и интернет, но и за дистанционный контроль производственных процессов (например, управление буровыми платформами) и глобальное объединение коммуникаций (например, транснациональные платежные системы).

Но вернемся к другим космическим технологиям.

Важно было не только то, что внутри, но и то, что снаружи ракеты-носителя. Сопротивление воздуха – один из главных факторов, мешающих лететь в космос. Молекулы воздуха натыкаются на корпус, трутся о него, одним словом – тормозят. Чтобы было легче двигаться, ракеты-носители должны быть обтекаемой формы. Инженеры смогли превратить проблему в преимущество. Элементы ракеты-носителя, выдвигаясь, изменяют силу сопротивления с одной стороны. Таким образом осуществляются повороты и контролируются направление и скорость движения.

Но чтобы заранее знать, как поведет себя ракета-носитель, на Земле создаются устройства для испытаний, в частности, аэродинамическая труба. Естественно, на обтекаемость можно проверить и другие вещи. Например, благодаря моделированию и испытаниям удалось создать новый плавательный костюм. В 2008 году спортсмены, выступавшие в таких костюмах, побили 13 мировых рекордов. Эту методику используют и гонщики, и другие спортсмены, а также инженеры-конструкторы автомобилей, самолетов и лодок. Немаловажными и даже обязательными стали испытания высоких сооружений. Например, монумент на Поклонной горе из-за сильного ветра сильно шатался. После исследования в аэротрубе ученые нашли решение – добавить несколько отверстий, которые рассекали бы потоки воздуха и таким образом гасили колебания.

После создания ракеты-носителя встал вопрос, что и как будет летать в космосе.

Для начала нужно было найти источник энергии. Первый спутник – знаменитый советский шар с четырьмя антеннами – передавал на Землю радиосигналы. Он использовал аккумуляторы, но нельзя рассчитывать, что стандартная батарейка, работающая на химической реакции цинка и соляной кислоты в условиях перепада температур от +150 до –150 °C проработает долго. Для спутника создали новый аккумулятор, в котором использовались оксид серебра и соляная кислота. Идея оказалась удачной, и мир слушал сигналы советского аппарата и вдохновлялся ими две недели.

Эти новые аккумуляторы стали делать для особых задач в сложных условиях. Они хорошо зарекомендовали себя на полюсе и в горах. Но сразу было понятно, что для более сложных космических задач такого аккумулятора не хватит. Единственный возможный источник энергии – Солнце.

Задолго до того как инженеры задумались о постройках ракет, фантасты предлагали создать механизм для нагревания воды. Испаряясь, вода увеличивала бы давление в специальной камере и раскручивала турбину, как в тепловой электростанции. Конструкторы, особенно во времена популярности идей Циолковского, проработали и этот вариант, но он оказался неэффективным. Кстати, некоторые проекты напоминали летающие тарелки, и в их ободе как раз и была вода. Для космоса идею не взяли, но на Земле, в основном у экоактивистов, можно увидеть специальные коллекторы, использующие нагревание воды Солнцем для генерации электричества. Правда, уже без турбин, а с термопарами наподобие тех, что использовались в космических кораблях Space Shuttle и «Буран». Это специальный полупроводниковый прибор, который генерирует электричество между двумя слоями материала, имеющими разную температуру. Советские и американские многоразовые корабли были очень большими и сильно нагревались. Для защиты экипажа и оборудования аппараты летали «брюхом», где располагалась самая устойчивая теплозащита, к Солнцу. Для контроля и определения температурного режима устанавливались сотни термопар, которые служили датчиками, но при этом вырабатывали много энергии, которую инженеры использовали дополнительно (привычных солнечных батарей не было, полеты всегда были короткими). Использование коллекторов с термопарами – самый безопасный для природы метод выработки энергии, хотя и не самый дешевый и эффективный. Сейчас сложно решить, привели ли к их появлению именно космические исследования, или их история уходит корнями в более давние времена, но одно известно точно: такие водные системы у фантастов XIX–XX веков описываются как первая солнечная батареи.

Солнечные батареи, к которым мы привыкли, появились раньше космонавтики. Свойство генерировать заряды под действием света обнаружилось у селена еще в XIX веке. Но в те годы мало где можно было применить солнечные батареи. Через 100 лет, уже во время зарождения космонавтики, появляются более эффективные устройства на основе кремния. Когда советские инженеры искали источник энергии для первого спутника, они случайно наткнулись в женском журнале на рекламу керосиновой лампы на солнечной батарее, да еще и со встроенным радиоприемником. То есть вечером, после захода солнца, можно было зажечь светильник, а днем от света солнца через пластинку кремния можно запитать и послушать радио. Работало это плохо, но идея понравилась, и началась работа по улучшению устройства и приспособлению его для полета в космос. Третий советский спутник под названием «Объект Д» уже имел на своем борту несколько маленьких солнечных батарей, которые помогали приборам проработать дольше. Спутник, или, как его еще называли, первая научная лаборатория в космосе, проработал три недели, а в удачные дни даже после разрядки аккумуляторов некоторые системы передавали радиосигналы на Землю. Можно сказать, что первый технический эксперимент на околоземной орбите оказался удачным. После этого инженеры активно взялись за совершенствование солнечных батарей. Сейчас без них не летает ни один спутник. Правда, они уже используют не кремний, а более эффективный материал – смесь галлия и мышьяка.

Всего за десять лет прогресс был огромным. Чаще всего экспериментальная апробация новых технологий велась на спутниках связи (например, «Молния»), пилотируемых космических аппаратах и орбитальных станциях. Очень интересными были испытания гибких солнечных батарей. На станцию «Мир» их привезли целый рулон, космонавты установили его на внешней части станции, после чего механизм развернул его. Потихоньку солнечные батареи стали появляться в несложных переносных устройствах, калькуляторах, электронных часах и т. д. В 1990–2000‐х годах благодаря прорыву в области материаловедения (он был совершен в том числе благодаря экспериментам в невесомости, которые будут описаны ниже) солнечные батареи стали использоваться как полноценные электростанции. Сейчас их можно увидеть на столбах городского освещения и светофорах, на крышах домов и электромобилей, на рюкзаках путешественников.

Параллельно с солнечными батареями развивалась инженерная мысль в области создания механизмов их развертывания. Стояла задача – придумать, как можно спрятать в узкую ракету-носитель панели площадью несколько сотен квадратных метров.

В советском корабле-спутнике солнечные батареи были не такими большими, но уже умели раскладываться. Принцип напоминал процесс раскрытия веера: шесть секций круга накладывались друг на друга, а потом сдвигались на угол от центрального соединения. Это был самый простой вариант. Спутники, созданные на платформе АМОС, например «Прогноз», использовали механизм раскрытия, напоминающий бутон и лепестки цветка. В сложенном виде спутник имел вид пирамиды, а при выходе на орбиту треугольные панели выпрямлялись поперек корпуса в направлении Солнца. Космические аппараты на платформе КАУР, например «Гео-ИК», раскрывались, как зонт.

Для спутников связи требовался гораздо больший массив солнечных батарей. Панели приходилось складывать, как бумажные оригами, складка за складкой. Первый экспериментальный полет был неудачным: система тросов, которая с помощью натяжения должна была все распрямить, замерзла. В дальнейшем эти проблемы были решены. Сейчас чаще всего применяется складывание гармошкой. Ферменные конструкции специальным образом укреплялись. На корабле «Союз‐1» случилось заклинивание – узлы из-за трения не могли распрямиться. Так что даже при использовании достаточно известных типов конструкций и соединений все было не так просто.

Для возможных в будущем более масштабных работ с применением складных ферм в СССР провели целую серию экспериментов. Самыми известными стали «Эра», «Рапана» и «Софора» на станции «Мир».

«Эра» была развернута в 1988 году. Ферма представляла собой шестигранную призму длиной четыре метра, которая должна была установиться самостоятельно при включении системы электродвигателей. От космонавтов Александра Волкова и Жана-Лу Кретьена требовалось вынести ее наружу и закрепить на корпусе станции, а от Сергея Крикалёва – нажать на кнопки. Однако, как часто бывает, эксперимент пошел не по плану. «Эра» не раскрылась. Попытки ее «потрясти» включением и выключением с помощью электродвигателей не помогли. Космонавтам предложили ударить по системе чем-нибудь тяжелым, чтобы сдвинуть ее с места. Волков несколько раз стукнул по «Эре» свинцовой пяткой скафандра, и дело пошло.

Следующая ферма была развернута на «Мире» через два с половиной года.

«Софора» имела внушительную длину – 14 с половиной метров. Собиралась она из 20 отдельных секций, которые фиксировались двумя диафрагмами и V-образными муфтами. Они были сделаны из особого материала с памятью формы, и монтаж был заодно испытанием нового вещества. Память формы – это свойство некоторых сплавов при нагреве приобретать изначально заложенную форму. В данном случае – муфта из смеси титана и никеля изначально прямая с закруглением на концах, которую согнули перед полетом в виде буквы V, а уже в открытом космосе сложенные секции соединялись муфтами и нагревались до +120 °C. Муфты распрямлялись, а секции фиксировались в нужном положении. Также важно отметить, что ферма строилась параллельно станции, а затем с помощью шарнирного механизма, закрепленного на корпусе, поднималась вертикально. Наконец, для придания законченного вида, основание закреплялась замками. Сергей Крикалёв и Анатолий Арцебарский возвели эту огромную для космоса (да и для Земли) конструкцию в неудобных скафандрах, в невесомости, за пять часов. Также они провели несколько экспериментов для проверки прочности и надежности системы. Так, Арцебарский залез на «Софору» и покачался на ней, довольно сильно при этом раскачав саму станцию.

Через два года инженеры улучшили технологию в проекте «Рапана». Космонавты Василий Циблиев и Александр Серебров за четыре часа вынесли эту крупногабаритную конструкцию и закрепили на корпусе. Развертывание четырех секций, каждая метровой длины, было уже автоматическим и продлилось всего 95 секунд. В 1996 году эксперимент продолжился в неожиданном русле: ферму удлинила американская система «Стромбус». Это была алюминиевая стержневая конструкция, которая, в отличие от предыдущих версий, могла вручную складываться и раскладываться многократно. Квадратная в основании, ферма в раскрытом виде представляет собой четыре параллелепипеда, диагональные элементы которых соединены дополнительным стержнем. Так же сейчас выглядит большая часть быстрособирающихся конструкций, используемых при монтаже сцен под открытом небом, временных торговых или выставочных павильонов, оперативных и медицинских пунктов и т. д.

Материалы с памятью формы нашли более широкое применение, особенно в строительстве и медицине. В NASA также работали над пеной с эффектом памяти, или «Пеной TEMPUR».

Технологию еще не раз применяли на МКС – при строительстве ферм солнечных батарей, радиаторов и научно-экспериментальных платформ.

Чем больше и сложнее становились космические конструкции, которые должны были разворачиваться и вращаться, тем серьезнее вставал вопрос о смазочных материалах. В безвоздушном пространстве на орбите жидкости практически мгновенно испаряются или, наоборот, замерзают. Стандартная смазка не поможет. Особо остро проблема встала при создании лунохода. Главный конструктор Сергей Павлович Королёв даже собрал специальную группу, из которой вырос целый институт. Как решение химики придумали твердую смазку, где скольжение осуществляется на молекулярном уровне. Атомы в кристаллах располагаются словно в слоях, связи могут переходить от одной области к другой. Первый пример – графит: материал грифеля карандаша так хорошо крошится из-за слоистости. Собственно, его с небольшой модификацией и стали использовать в самом начале. Однако было много проблем и отказов. Для советского лунохода химики предложили использовать сульфид молибдена – этот материал также и жаростойкий. Еще несколько вариантов соединений испытывалось в космосе. Так, для программы исследования Луны специально запускали межпланетные станции «Луна‐11, —12, —14» для экспериментов.

Твердые смазки очень заинтересовали инженеров, работающих с быстровращающимися механизмами, например токарными станками. От трения детали и смазка между ними могут нагреваться, а жидкость – испаряться. Новые материалы также решают проблему вытекания или разбрызгивания с наклонных поверхностей. Сейчас без космических смазок не обходится ни один технологический процесс механической обработки металлов.

В то время как солнечные батареи должны быть направлены на Солнце, прочее оборудование нужно защищать от мощного излучения. Внешняя часть космического аппарата нагревается до +150 °C. Сильный холод тоже не полезен, а на околоземной орбите, находясь в тени планеты, можно охладиться до –180 °C.

В полной мере проблема проявилась во время полета второго искусственного спутника Земли с собакой Лайкой на борту. Тогда для контроля температуры использовался только вентилятор. Увы, этого не хватило, и уже через шесть часов жар внутри спутника стал невыносим. В дальнейшем были разработаны системы охлаждения и изоляции. Чтобы защититься от солнечных лучей, их нужно отразить. Известно, что зеркала делаются из стекла с напылением на него металлов, например алюминия, серебра, а лучше всего – золота. Для космоса же инженеры предложили использовать экранно-вакуумную теплоизоляцию (ЭВТИ). Она похожа на фольгу, покрытую отражающим материалом. Для большей эффективности в ЭВТИ несколько слоев. Чтобы изолировать нагретый металл, который хорошо проводит тепло и в любом случае всёы отразить не может, нужна прослойка. В доме для утепления ставят две оконные рамы, воздух между ними служит изолятором. Куртки утепляют пухом или ватой с множеством воздушных пор. Наконец, термос имеет две стенки. ЭВТИ может состоять из нескольких слоев – металл, изолятор, металл, изолятор, металл. Сначала это были алюминий и полиэстер – инженеры смогли сделать фольгу очень тонкой и легкой. Потом эту технологию стали использовать для сумок-холодильников и термопакетов – их можно увидеть у доставщиков еды и в магазинах в отделах скоропортящихся или свежевыпеченных изделий. ЭВТИ, конечно, хотелось сделать на основе металлов с большей отражающей способностью. Серебро и тем более золото очень тяжелые. Благодаря высокой ковкости золота инженеры умудрялись создать очень тонкие и, соответственно, легкие слои, но все равно это было слишком дорого. Прорывом стало гальваническое напыление, позволяющее с помощью химической реакции и электрического тока без больших усилий создать напыление толщиной в несколько микрон. Сейчас все спутники и межпланетные станции буквально золотые. Гальваническое напыление стало прорывом и в земных технологиях, его используют во множестве объектов, от куполов храмов до контактов на платах микроэлектронных устройств. Золото – еще и отличный проводник электрического тока. Кстати, многие компьютеризированные системы спутников также имеют контакты и провода, покрытые драгоценным металлом.

Кроме создания ЭВТИ для решения проблемы нагревания от Солнца инженеры космических систем задумались над применением эмалевых красок. Специальная краска могла не только отражать свет, но и изолировать от короткого замыкания, защищать от коррозии и многое другое. При этом подбором цвета можно было пассивно контролировать нагрев и охлаждение. Черная краска поглощает тепло, но и отлично излучает его, а это помогает в снижении температуры. Дело в том, что некоторые приборы, расположенные внутри спутника, при работе выделяют тепло, иногда даже в большем объеме, нежели могли бы получать от Солнца. Изолировать весь спутник в таком случае не стоит, вместо этого нужно грамотно его покрасить: черным – затененные места, например, под солнечными батареями; белым – области, повернутые к Солнцу. Могут пригодиться и другие цвета. Инженеры перебрали массу вариантов и проделали огромную работу по определению характеристик и возможностей применения эмалевых красок. Этот труд пригодился в промышленном производстве покрытий. Чаще всего эмалевые краски наносятся на кузова автомобилей, деревянную мебель, стоящую на улице под солнцем и дождем, и даже используются в лаках для ногтей.

Параллельно с разработкой правильных условий для техники конструкторы вели исследования с целью обеспечения благоприятных условий для человека. В первую очередь речь шла о воздухе. Эксперименты с приборами, а точнее, со специальными клапанами начались за десять лет до полета человека в космос и за шесть лет до первого орбитального полета собак. Выдыхаемый газ должен выходить, а нужный для жизни кислород должен оставаться.

Механические способы контроля давления воздуха и воды известны с давних пор, клапаны и вентили активно совершенствовались с развитием паровых котлов и паровозов. Самый простой механизм представляет собой запирающее устройство, которое вставляется в отверстие. С одной его стороны расположен элемент, оказывающий известное давление, например пружина, а с другой – область, которую нужно контролировать. Если давление воздуха внутри больше, чем удерживающее, запирающее устройство отодвигается, и часть газа или жидкости просачивается в отверстие. Когда давление выровняется, пружина закроет отверстие.

В ходе космических экспериментов из-за нагрева и охлаждения металлы деформируются, сжимаются и расширяются, а от тряски и вибрации механизмы смещаются. Кроме того, за пределами атмосферы Земли давление очень низкое, так называемый глубокий вакуум. Классические клапаны тут не годятся.

В 1951 году прошел удачный полет с пассажирами-псами Дезиком и Цыганом, но уже в следующем полете Дезика с собакой Лисой не раскрылся парашют, который должен был сработать по показаниям датчика давления. Инженеры приступили к разработке более надежных клапанов для специальных контейнеров и скафандров. В качестве механизма регуляции давления было предложено вообще на время отказаться от клапанов, а просто просверлить отверстие небольшого размера. Точные расчеты показывали, что скорость вылетания воздуха через него равна скорости дыхания и подачи кислорода. Эта более простая идея сработала, и собаки Мишка, Чижик, Смелый, Рыжий в двух полетах успешно поднялись на высоту 100 километров и вернулись на Землю. В пятом полете с животными инженеры опробовали новый, усовершенствованный клапан, созданный за месяц, но, к сожалению, он подвел, как и первый.

Через три года полеты собак возобновились с использованием сильфонных барореле. Сильфон похож на пружину, но сделанную из нескольких слоев разных металлов. Он сохраняет герметичность и устойчив к перепаду температур, тряске и вибрации. Барореле фиксирует давление и генерирует электрический ток, активирующий электромагнит. Так, сила притяжения магнита зависит от меняющихся атмосферных условий, и, соответственно, с его помощью лучше автоматически контролируется давление в кабине. Прибор использовался во многих полетах.

Со временем технология совершенствовалась. К 1960‐м годам система контроля давления казалась надежной. Но в 1971 году произошла трагедия. Экипаж корабля «Союз‐11» погиб из-за открытия клапана выравнивания давления в кабине и падения давления атмосферы в спускаемом аппарате во время посадки. Клапан сработал слишком рано, когда космонавты были еще в космосе. Хотя впоследствии на испытательных стендах такой же клапан инженеры ломали разными способами, так и не удалось узнать, почему он мог выйти из строя. К неверной работе могло привести только крайне маловероятное стечение обстоятельств, возникшее сразу при трех видах воздействий. После этого система неоднократно модернизировалась, и больше серьезных аварий не было.

Хотя клапаны используются повсеместно, разработанные для космоса – более дорогие и применяются только в работе ответственных технологических систем и насосов, работающих в условиях вибрации, например во время строительства.

После аварии «Союза‐11» было решено создать специальные защитные скафандры и систему нагнетания воздуха при разгерметизации. Ее испытали уже в следующем пилотируемом полете корабля «Союз‐12».

Аварийная система представляла собой сжатый кислород в баллоне, который выпускался по показаниям датчиков или по команде космонавтов. Дополнительный запас должен был выпускаться быстро – быстрее, чем кислород мог выходить в случае разгерметизации. Это давало 20 дополнительных минут для космонавтов. В корабле этого времени хватало для экстренной посадки. Если же это случилось бы на орбитальной станции, то по инструкции нужно было надеть скафандр, бросить оборудование, уйти в корабль и вернуться на Землю. В такой ситуации космонавты оказались лишь однажды. В 1997 году грузовой корабль «Прогресс М‐34» потерял управление и врезался в станцию «Мир» – точнее, в ее модуль «Спектр». Космонавты Василий Циблиев, Александр Лазуткин и Майкл Фоул за 20 минут смогли загерметизировать пробитый модуль и даже продолжили работу в оставшихся отсеках станции.

Был еще необычный эксперимент с заменой атмосферы станции «Салют‐5», которая использовалась для фотографирования Земли. В ходе миссии возник риск, что в воздух попали ядовитые вещества. Для экипажа корабля «Союз‐24», который отправился к станции после этого, инженеры разработали специальные «секретные» противогазы, а также модернизировали систему наддува. Космонавты Виктор Горбатко и Юрий Глазков физически открыли все клапаны – своеобразную «форточку». Воздух начал стремительно выходить, но его тут же заменял новый. Космонавтам даже не пришлось использовать противогазы или скафандры. Правда, тонкий корпус станции из-за перепада температур сжимался и разжимался, скрежет стоял страшный – казалось, что станция разваливается. Тем не менее система оказалась крайне эффективной. Потом ее использовали в экспериментах с надувными системами, такими как модуль МКС BEAM (экспериментальный развертываемый жилой модуль) или венерианский аэростат «Вега‐1». На Земле эту технологию используют в подушках безопасности, в надувных аварийных трапах на самолетах.

Надолго запаса воздуха в баллонах, конечно, не хватит, и химики взялись за разработку системы очистки и регенерации. Экспериментальных разработок в этом направлении было много, особенно в 1960‐х годах, на заре пилотируемой космонавтики. Первая такая система стояла уже на втором спутнике с собакой Лайкой. Инженеры рассчитывали, что в лучшем случае воздуха для жизни ей хватит на десять дней за счет химической реакции углекислого газа с гидроксидом калия, но до полноценной проверки дело не дошло. Затем именно система регенерации долго была камнем преткновения для полета Белки и Стрелки и Юрия Гагарина. Планируемая дата старта постоянно сдвигалась именно из-за ее неготовности. В конечном итоге поглотители показали себя хорошо и давали гарантию на четыре недели полета. Позже конструкторы из разных стран попробовали использовать для нейтрализации углекислого газа гидроксид кальция, который еще назвали известковым поглотителем, гидроксид натрия, гидроксид лития. В ходе химической реакции получается соль и вода.

Поглотители проявили себя неплохо, но для современной МКС они не являются основными. Сейчас применяется система воздухоочистки с простым названием «Воздух», где используется цеолитовый фильтр. Он похож на губку, которая впитывает углекислый газ и не выпускает его наружу. Плюсом «Воздуха» является то, что он может поглощать множество других газов, а минусом – то, что из него не получится добыть новый кислород.

Хотя поглощение углекислого газа в замкнутом пространстве – крайне специфическая задача, космические системы очистки нашли земное применение, в первую очередь в батискафах, подводных лодках, а потом и в промышленности для снижения выбросов и улучшения экологии при химическом производстве.

Еще один способ нейтрализации углекислого газа, который считается самым эффективным, быстрым и экологически чистым – реакция Саабатье. К углекислому газу добавляется водород, при высоком давлении и температуре происходит обменный процесс и получаются вода и метан. Правда, есть серьезная преграда: молекула углекислого газа очень «крепкая» – чтобы ее разорвать, нужно нагреть газ до +400 °C. Поддерживать такую температуру в системе очень сложно, и поэтому пока проводятся только экспериментальные пуски, где солнечные батареи могут получать достаточно энергии для работы печи.

Конкуренцию реакции Саабатье может составить реакция Боша, где получается чистый углерод в виде графита. Правда, температура процесса еще выше: +750 °C.

Хотя на Земле эти процессы не используются, так как самый дешевый способ нагрева – сжигание топлива, при котором выделяется больше углекислого газа, чем перерабатывается, но в будущем с использованием атомной энергии или других альтернативных источников эти реакции помогут решить экологические проблемы планеты. И, может быть, не только нашей. Когда речь заходит о терраформировании Марса, то есть о создании на Красной планете пригодных для жизни условий, в обсуждениях сразу всплывают эти интересные химические процессы.

Фильтры, поглотители и химические реакции не решают еще одной большой проблемы по очистке воздуха. Как и на Земле, на космической станции летает много пыли, волос, бактерий. В невесомости внутри замкнутого пространства – даже в большей степени. Новым словом техники стала система обеззараживания воздуха «Поток», создающая переменные электрические поля, которые стремятся разорвать атомы загрязнителей на заряженные частицы – электроны и ионы. Бактерии, вирусы, грибки и органические отходы при этом начинают то притягиваться друг к другу, то отталкиваться, и, как следствие, деформируются и разрушаются. Разделенные части притягиваются к электродам и осаждаются на специальные пластины. Впервые такой аппарат дезинфекции в космосе появится на станции «Мир» в 1995 году. После пожара в 1997 году, когда система в крайне сложной ситуации сильного задымления от прогоревшего пластика эффективно очистила воздух и позволила экипажу продолжить работу, ее начали внедрять намного активнее. На современной МКС «Потоков» шесть штук, их эффективность исследовалась в рамках эксперимента под названием «Ветерок». Этот прибор можно уже увидеть в больницах, школах, транспорте, угольных шахтах и просто в жилых помещениях.

Для этих же целей используются ионизаторы, люстры Чижевского, кварцевые лампы. На орбите проводили эксперименты и с подобными приборами тоже, но они не показали серьезного эффекта, если только не используется достаточно сильное ультрафиолетовое или радиоактивное излучение. В закрытых непроветриваемых пространствах ионизированный воздух может не только очищаться, но и негативно воздействовать на организм (например, в больницах в обрабатываемом помещении не должны находиться люди). Особый интерес к новым космическим приборам появился вместе с эпидемией коронавируса.

Для возобновления кислорода также были разработаны специальные системы. Самый простой способ добыть кислород – из воды. Если Н₂О подвергнуть воздействию электрического тока, молекула разделяется на составляющие – водород и кислород. Эта реакция называется электролиз. Она была известна уже в XVIII веке, но применялась только в химических лабораториях. Для получения кислорода требовалось много условий, и даже при их выполнении скорость реакции была невысока. Для космоса придумали различные механизмы ускорения, например вода под давлением, никелевые катализаторы, покрытие электрических контактов (анод и катод) золотом, а также мембраны. Все это снижает связь атомов в молекуле или увеличивает пространство, где вода может подвергаться электролизу. Сейчас проводятся эксперименты с применением капиллярной подачи.

Системы, испытанные в космосе, получили названия «Вика», «Электрон» и «Янтарь». Все технологии отправились на заводы по производству водорода. А кислород на Земле добыть гораздо легче, чем в космосе. Также важно, чтобы вода для электролиза была очень чистой, но возить ее с Земли сложно. Инженеры предложили создать систему, обеспечивающую круговорот воды внутри космической станции. Все жидкости, что выделяет человек, собираются и очищаются. Пот, слезы, урина, вода после гигиенических процедур – все они собираются с помощью вентиляторов.

В случае пара, который берется из атмосферы станции, нужно провести процедуру конденсирования влаги. Она происходит благодаря простому охлаждению.

Методик очистки было придумано много: обратный осмос, ионный обмен, ультрафильтрация, метод мембранного испарения, метод анодного окисления и электродиализ, газогидратный метод и т. д. Во всех случаях сначала происходит процесс удаления крупного мусора, пыли, взвешенных веществ и других механических примесей посредством прогона воды через механические фильтры из пористых материалов, мембран или плотно уложенных либо вибрирующих струн. В некоторых экспериментах для отсеивания металлических пылинок пробовали использовать магнитное поле, но этот метод оказался неэффективным.

Впервые очищенную влагу из испарившегося пота и влажного воздуха выпили космонавты Георгий Гречко и Алексей Губарев на станции «Салют‐4» в 1975 году. Использовался фильтр, в котором помещалось 2,5 килограмма активированного угля, – так называемая сорбционная система, в которой загрязнители как бы прилипают к активированному углю. Дело в том, что в молекулах частиц электроны и ядра атомов притягиваются не только друг к другу, но и к молекулам других веществ. Твердые частички стремятся к другим твердым частичкам – к активированному углю в этом случае. Правда, такой метод не дает стопроцентной очистки, поэтому на первых станциях его применяли в ограниченном режиме с достаточно чистой водой. Позже технология совершенствовалась, создавались более эффективные марки сорбентов, а также применялись другие соединения, например гидроксид лития.

Также на станции «Мир» добавился каталитический метод. Он предполагал процесс окисления трудносорбируемых низкомолекулярных органических соединений. Сульфоугли, цеолиты, полимерные ионообменные смолы и еще десяток соединений могли вступать в химические реакции с загрязнителями и на выходе давать безопасные соли, которые легко сорбируются. Их испытывали не только на «Мире», но и на американских кораблях Space Shuttle. Специальные фильтры таким сорбционно-каталитическим методом очищали воду от 300 видов химических загрязнителей и почти всех органических. Интересным экспериментом был процесс каталитического окисления органических спиртов, где окислителем служил кислород.

На станции «Мир» было пять разных систем очистки воды, причем даже из туалета. Так, на борту был испытан метод обратного осмоса, предполагающий наличие полупроницаемой мембраны, которая пропускает только молекулы не больше определенного размера и способные активно двигаться, чтобы пройти сквозь атомы в кристаллической решетке мембраны. Само по себе пропускание воды через такой фильтр сильно уменьшит количество загрязнений, но не сведет их к минимуму. Вода в сосуде благодаря такому явлению, как осмос, будет стремиться попасть обратно туда, где концентрация загрязнителей больше, а давление меньше. Чтобы это предотвратить, грязную воду подвергают повышенному давлению, чтобы скомпенсировать обратный процесс. Этот метод оказался крайне эффективным, особенно в очищении от солей, и теперь используется в устройствах опреснения или для снижения загрязнения водоемов сточными выбросами.

В 2007 году NASA проспонсировало создание необычных «живых» мембран. Они представляли собой аквапорины – белки, позволяющие воде проходить через клеточные мембраны по одной молекуле за раз. Новый материал даже до запуска в космос взяли на вооружение предприятия в Индии для очистки сточных вод как прямым, так и обратным осмосом.

Еще один новый метод на станции «Мир» – электродиализ. По своей сути он похож на обратный осмос, только используется электрическое поле, которое не дает заряженным частицам и солям пройти сквозь мембрану. Хотя метод показался для космоса не самым эффективным – электрически нейтральные загрязнители сквозь мембрану все-таки проходят, – свое применение он нашел в тех химических процессах, где важна выборочная очистка, например в создании медицинских препаратов.

Российский эксперимент на Международной космической станции по испытаниям системы очистки получил имя «Сепарация». В нем воду нагревают и заставляют испариться. Температуры кипения разных веществ отличаются друг от друга, и если начать нагревать грязную воду, то часть примесей испарится раньше. Примеси всасываются насосами. При достижении точки кипения вода тоже становится газом, и ее всасывает другой насос. Оставшиеся жидкости и твердые отходы выбрасывают. Но этот метод, известный как вакуум-дистилляция, не сработает в атмосфере, поэтому нужно создать условия вакуума или низкого давления. Из-за этого для бытовых нужд на Земле его не применяют – слишком трудоемко и громоздко. Зато в научных лабораториях, при опреснении воды, нефтеперегонке и во многих других промышленных производствах быстрый, эффективный способ очистки большого количества жидкости используется постоянно. Для космонавтов эту технологию усовершенствовали, уменьшили оборудование, и в будущем, возможно, и она доберется до обычных квартир.

В США первый эксперимент по очистке был проведен на шаттле в 1979 году с прибором под названием Microbial Check Valve («Микробиологический обратный клапан»). Вода прогоняется через слой йодированной смолы, и за счет химической реакции происходит окисление органических загрязнителей до безвредных солей. По сути, тот же процесс происходит, когда в бассейны добавляют соединения хлора для обеззараживания. Йод был выбран NASA в качестве дезинфицирующего средства из-за более низкого давления его паров и пониженной склонности к образованию побочных продуктов дезинфекции по сравнению с хлором или бромом.

Интересно, что эта технология очень понравилась стоматологам. Одна компания по производству медицинского оборудования купила права на ее применение и активно использует для очистки воды внутри водопроводных каналов инструментов для лечения зубов и полости рта.

На этом NASA не остановилось. Например, был создан фильтр с положительно заряженными микроскопическими волокнами оксида алюминия и активированным углем – такие же приспособления легли в основу как промышленных, так и портативных бытовых систем очистки воды. Сейчас даже продаются бутылки воды, где в крышечку встроен фильтр.

Так как у каждого метода есть свои плюсы и минусы, на МКС, как и на Земле, применяются почти все. Есть только одно отличие космического оборудования – в нем используются вращающиеся элементы для создания центробежной силы, которая заставит воду не разлетаться, а двигаться в нужном направлении.

Продолжая тему очистки воды, упомянем еще одно достижение – создание вещества, которое назвали эмульгированным нуль-валентным железом. Оно не для космонавтов, а для работников космодрома. Дело в том, что экологи забили тревогу – в сточных водах вблизи стартовых площадок обнаружилась большая концентрация хлорированных растворителей. Опасные вещества применялись и ранее в некоторых производствах. При добавлении придуманного «космическими» учеными химического реактива уровень загрязнения грунтовых вод уменьшился. Метод применяли и при некоторых экологических авариях.

Хотя перерабатывается вся вода на станции, для омовения жидкость используют редко – капли могут улететь и попасть в приборы. Вместо воды используют сухие чистящие средства. Новая технология позволяет нанести на кожу или волосы порошок на основе крахмала и глины. Сложные молекулы цепляют жир и связывают его не только в тесте для пирогов, но и на теле человека. Интересно, что грязевые ванны используются давно, но полноценная технология очистки появилась именно для космонавтов, а потом вошла в быт. Сухие шампуни позволяют быстро привести голову в порядок без мытья и сушки волос.

Кроме средств очистки космонавтам нужны и средства контроля качества воздуха и воды. Конечно, в химических лабораториях давно придумали методы выявления различных веществ. При смешивании разные соединения меняют свои свойства (самый известный тест – лакмус, меняющий цвет при контакте с кислотами). Собственно, определение состава веществ – это основа химии как науки. Астрономы научились узнавать, из чего состоят звезды в миллиардах километров от Земли, при помощи спектрального анализа. При воздействии (например, нагреве) электроны в атомах химических элементов начинают отлетать от ядер на более далекие орбиты, а могут и вообще стать свободными. При обратном процессе, когда электрон возвращается на свое место, образуется излишек энергии, который выделяется в виде света. В зависимости от элемента излучение будет иметь разный цвет.

Для использования в космосе нужно было придумать, как засунуть в маленький космический аппарат обсерваторию и химическую лабораторию. Большая часть работы инженеров-конструкторов и заключается в создании миниатюрных исследовательских инструментов. Чаще всего речь идет об изучении Земли, планет, космического пространства, о чем будет рассказано в следующих главах. Потом компактные приборы попадают в руки исследователей на местах, которые, например, определяют качество продуктов, чистоту воды в реках и водопроводе, ищут полезные ископаемые и т. д.

Для жизни и быта космонавтов важно в первую очередь следить за концентрацией углекислого газа в воздухе и загрязнений в воде. В частности, на орбитальных станциях есть инфракрасные датчики дыма – углекислый газ очень хорошо поглощает этот тип излучения, и по изменению интенсивности излучения можно определить наличие примесей в воздухе, а в случае с выдыхаемым газом – оценить их количественное содержание. На основе этой технологии создаются пожарные извещатели и системы безопасности в шахтах и на производствах.

С водой дело обстоит несколько сложнее, так как загрязнители бывают разные. Но почти на все их типы ученые разработали индикаторные тест-полоски, которые можно купить в хозяйственных магазинах и узнать качество воды из-под крана, как это делают космонавты.

Правда, на орбите есть отличие. В невесомости все летает, в том числе капли воды, отстриженные волосы, ногти, отшелушившиеся клетки кожи. Без вентиляторов не обойтись ни при использовании фильтров, ни при применении систем контроля, ни в быту. Пылесос есть практически в каждой системе, даже в туалете и в бритве. Так как вентиляторов должно быть много, они не могут быть очень большими и тяжелыми, и для космонавтов разработали компактные втягивающие мусор агрегаты. Технология быстро нашла применение в портативных беспроводных автомобильных пылесосах. А один из брендов даже взял технологию не от вентиляторов на станции, а от буровой установки для взятия образцов породы на Луне. В рамках программы «Аполлон» проводились эксперименты по взятию проб и был разработан механизм двигателя, действующий с наименьшим потреблением энергии при вращении спиралевидного сверла, а также программа анализа эффективности. Оказалось, что от вращения вентиляторов разной формы завихрения воздушного потока разные, и можно добиться высоких показателей. Лунную пыль собирать было так же просто, как сейчас земную.

На советских орбитальных станциях даже проводились эксперименты с применением душа. Чтобы вода не разлеталась, ее втягивал мощный поток воздуха. Но дышать во время помывки было очень сложно – насос втягивал воздух сильнее, чем легкие. Поэтому разработали специальный механизм, позволяющий космонавтам дышать, его нужно было надеть как респираторную маску. Но эксперимент все же провалился, так как после помывки душ нужно было почистить и собрать, а пока космонавты это делали – успевали пропотеть и испачкаться.

Также космонавтам важно знать не только о качестве воздуха и воды, но и о том, не утекают ли они – нет ли разгерметизации. Для этого сначала использовался стандартный метод наддува. На Земле внутрь тестируемого объема накачивался воздух с повышенным давлением. Если выходит, значит, есть трещинки, дефекты. Как оказалось, этого способа недостаточно. Была поставлена задача – придумать новые, более точные методы для выявления утечек и предупреждения разгерметизации в уже эксплуатируемой станции.

На МКС проводится эксперимент по отработке акустического томографа. Прибор отправляет звуковую волну, которая отражается от поверхности и возвращается в прибор. Если в металлическом объекте есть дефект, отверстие или даже царапина, колебание отразится от него раньше, чем дойдет до края. Это укажет на наличие проблемы и примерное место ее возникновения. Такие томографы используются для оценки целости трубопроводов. В эксперименте «Бар» космонавты тестируют новые приборы, одним из которых является пироэндоскоп. Он измеряет температуру и определяет места, где она меньше, если есть негерметичность – воздух будет стремиться выйти в нее, а температура при этом будет немного снижаться за счет расширения и конвекции. Еще один прибор – термоанемометр – измеряет поток воздуха по скорости движения. Термогигрометр регистрирует влажность, так как на ряде поверхностей при разгерметизации температура приближается к точке росы, что приводит к конденсированию и образованию пленки жидкости. Зная это, легко найти утечку. Также в наборе есть высококачественная камера, которая может получить изображение трещин и других повреждений. При тревожных показателях приборов космонавты обследовали с ее помощью области с возможными дефектами, и она показала, что происходит нерассчитанная на Земле коррозия микроорганизмами. Эти микроорганизмы выделяют химические вещества, приводящие к потере прочностных характеристик, своего рода «ржавлению» алюминия. Для сравнения эффективности в эксперименте применяются ультразвуковые и звуковые инструменты поиска дефектов. Эксперимент оказался успешным. Космонавты нашли много дефектов, причем в скрытых от глаз местах за панелями. Новыми приборами и технологиями уже интересуются на Земле, есть планы использовать их в строительстве при подтверждении эксплуатационной пригодности мест, где стандартные приборы не справятся, например в помещениях с высокой влажностью или подвергающихся колебаниям. Похожий эксперимент под названием «Эксперт» был призван не только испытать технологию в новых вариантах, но и проверить, не повреждает ли она сама корпус. Акустические колебания могут входить в так называемый резонанс, при котором амплитуда вибрации увеличивается из-за совпадения собственной частоты колебаний материалов и частоты колебаний, вызываемых приборами. Невесомость создает идеальные условия изучения, так как на космический аппарат не оказывают влияние другие факторы и сторонние колебания. В новом методе повреждения искались с помощью изменения сопротивления корпуса станции при подаче слабого электрического тока. На основе этих данных приборы будут совершенствоваться в будущем.

Обеспечить герметичность космического аппарата после обнаружения утечки был призван скотч. Правда, клейкой ленты, изобретенной в 1925 году, было недостаточно. Ее совершенствовали в разных вариантах – изолента, малярный скотч и т. д. Для космонавтов был разработан материал под названием каптон – поли(4,4’-оксидифенилен-пиромеллитимид). Он значительно прочнее, не пропускает тепло, а самое главное – не меняет своих свойств при перепаде температур. Его армируют алюминием для большей надежности. Космический скотч неоднократно оказывался полезен. Американские астронавты с его помощью ремонтировали луномобили и системы регенерации воздуха при полете «Аполлона‐13»; советские и российские космонавты заклеивали трещины и пробитые микрометеоритами отверстия на «Мире» и МКС. Вместе с клейкой лентой был разработан герметик, заполняющий все трещинки и неровности, а при смешивании двух жидких вязких реагентов происходит затвердевание. Для ремонтника, как космического, так и земного, эти технологии очень интересны, и они быстро стали активно использоваться в быту. Сейчас на МКС проводится отработка новых типов клейкой ленты и способов нанесения тонких теплозащитных и герметичных покрытий на корпус станции в условиях вакуума и перепада температур в открытом космосе в рамках эксперимента «Реставрация».

Вместе с системой фильтрации появилась новая идея доставки пищи. Первые космонавты использовали специальные тубы, похожие на упаковку зубной пасты. Маленькое отверстие, через которое аккуратно выдавливалась еда, не давало ей неконтролируемо разлетаться по космическому кораблю. Сейчас же космонавты употребляют в пищу преимущественно сублимированные продукты. На Земле различные блюда подвергаются в вакууме сначала заморозке, а потом резкому нагреву, в результате чего вода сублимируется – испаряется, минуя жидкую фазу. Лед мгновенно становится паром. Получившийся сухой продукт упаковывается в пакеты и доставляется на орбиту. Когда космонавт проголодается, ему нужно добавить в пакет воды – и блюдо готово. Преимуществ масса. Во-первых, еда стала легче, во‐вторых, она почти не портится, в‐третьих, готовка занимает мало времени, а тюбик даже нельзя было подогреть. Интересно, что нечто подобное делали раньше медики при производстве лекарств, но пищу стали высушивать исключительно для космонавтов. Технология совершенствовалась достаточно долго – с водой стремились не потерять питательные вещества. Как ни удивительно, эта технология применялась только для нужд космоса вплоть до 1980‐х годов, когда на прилавках обычных магазинов впервые появились концентраты соков и лапша быстрого приготовления. Сейчас выпускается порядка 200 видов сублимированной продукции.

После того как космонавт хорошо покушал, ему неплохо бы и отдохнуть. Но есть проблема: если заснуть, тело будет летать в невесомости бесконтрольно по всей станции или кораблю. Да и вообще, как сделать так, чтобы все предметы оставались на своих местах? Первая мысль, которую высказал еще Юрий Гагарин, когда у него улетел карандаш, – всё привязывать. Решение интересное, но если будет много предметов, то их веревочки будут сплетаться, завязываться и очень сильно мешать. Другая мысль – магниты, которые будут притягивать и удерживать всё на своих местах. Но они тяжелые, и далеко не все вещи магнитятся. Кроме этого, магнитное поле своим излучением будет мешать работе приборов.

Идеальное решение нашлось – липучка. Ее изобрели еще в 1941 году, но именно космонавтика сделала материал известным. Более того, распространено заблуждение, что липучку придумали именно космические инженеры. Липучка представляет собой пару текстильных лент, на одной из которых размещены микрокрючки, на другой – микропетли. При соприкосновении двух лент микрокрючки цепляются за микропетли и крепко держат. Из липучки был сделан первый космический диван-комод. Он располагался в бытовом отсеке корабля «Союз» и был покрыт крючками, а полетный костюм был в петлях. Это оказалось очень удобно. На диване можно было как отдохнуть, так и поработать с научными приборами и системами. На космических станциях липучки стали появляться на самом разном оборудовании. Однако оставалась одна проблема – липучка имела срок годности, потому что при частом использовании крючки распрямляются. В 1995 году был проведен специальный эксперимент «Липучка», в ходе которого Юрий Маленченко, Талгат Мусабаев и Валерий Поляков оценивали рабочие качества липких пластинок различного дизайна, а также степень ухудшения характеристик в течение длительного периода использования. На современной МКС липучка есть практически на всех предметах, как и на Земле. Особенно много липких лент на одежде, обуви и сумках.

У космонавтов кроме костюмов есть еще скафандры. Хотя сейчас они применяются не так часто, именно эти специфические оболочки создают героический образ покорителей Вселенной. В первых полетах инженеры очень боялись разгерметизации, и космонавты оставались в скафандрах весь полет. Их оболочки делались из тонкого слоя резины и нужны были, чтобы не выпускать воздух. При этом благодаря эластичным свойствам оставалась возможность двигаться. Выходить в открытый космос в таких скафандрах было нельзя. Внутри есть воздух и давление, а снаружи – нет. Скафандр бы раздулся как воздушный шарик. Для работы за пределами космической станции нужна была другая технология. Первым космонавтом, вышедшим в открытый космос, был Алексей Леонов. Он воспользовался новым скафандром «Беркут» с трехслойной оболочкой – льняной силовой пояс и два слоя резины, не дававшей скафандру раздуться и случайно порваться. Действительно, когда Леонов вышел в открытый космос, «Беркут» не увеличился в размерах, но возникла другая проблема – оболочка скафандра сделалась жесткой, из-за чего стало сложно двигаться. По инструкции внутрь шлюза корабля нужно было залезать ногами вперед, а сделать это не получилось. Леонов залез головой вперед, но, чтобы закрыть люк, ему нужно было развернуться. Для снижения давления он открыл клапан и выпустил часть воздуха. Скафандр стал мягче, но все равно двигаться в нем было сложно. По словам Леонова, за пять минут работы он похудел на пять килограммов. Для последующих выходов нужно было сделать скафандр более удобным, и химики и инженеры взялись за работу.

Резина создается из каучука путем вулканизации с добавлением серы и других веществ. Соответственно, меняя содержание примесей и технологический процесс, можно получать резины разных свойств. Растягиваться материалу помогают длинные подвижные молекулы, которые можно удлинить или укоротить. Исследования велись на тот момент уже долго, но интересно, что один из основоположников космонавтики – Фридрих Цандер – за пятьдесят лет до полета Юрия Гагарина считал, что резина станет необходимым элементом полета. Тогда он пошел работать на завод по ее производству.

Наиболее активные исследования синтетических каучуков и резины космонавтика стимулировала в 1960‐е годы. Для скафандров использовались синтетические хлоропреновые, изопреновые, кремнийорганические, уретановые каучуки, причем для разных типов задач – разная резина. Для советских аварийно-спасательных скафандров нужна была более прочная уретановая, для американских, которые могут использоваться в чистом кислороде и не должны от этого портиться, нужна хлоропреновая, для скафандров жесткого типа, в которых важно удобство и эластичность, хорошо подойдет кремнийорганическая. Все новые типы резины нашли применение на Земле, например в медицинском оборудовании подачи кислорода и в производстве износостойких автомобильных шин.

Для отдельных элементов скафандра используется латекс. Это еще один материал, производный от каучука, – при его вспенивании, добавлении желатина и вулканизации получается очень легкая губчатая резина, которую можно использовать для амортизации шагов на поверхности Луны и планет. И такую резину можно увидеть на подошве земных кроссовок.

Слои скафандра

Еще одна технология – метод ионного отложения. Предмет сначала погружают в раствор хлористого кальция, потом смачивают электролитом, и на заготовке появляются ионы. Затем предмет окунают в латекс. Вещество «прилипает» к ионам, остается на предмете и образует тонкую защитную пленку. Этот метод применяется при создании резино-трикотажных изделий для специальных типов рабочей одежды.

Для защиты от механических повреждений над герметичной резиновой оболочкой скафандр покрывается тканью из полиамидных волокон типа нейлона и полиэфирных волокон типа лавсана. Последний еще называют полиэтилентерефталат, или ПЭТ, из него делают пластиковые бутылки и упаковки. Эти соединения были открыты уже в эпоху зарождения космонавтики, но значительно раньше первого полета. Технология получила свое развитие благодаря космосу.

После успешной работы на орбите космонавту нужно вернуться на Землю. И это один из самых опасных и трудных процессов. Когда космический аппарат входит в плотные слои атмосферы, он нагревается до 2500 °C из-за трения о воздух. Спускаемый аппарат, словно спичка, чиркает о молекулы. Чтобы защитить космонавтов и не дать им зажариться, инженеры стали искать теплоизоляционные и при этом огнестойкие материалы. ЭВТИ, описанная выше, уже не годится. Металлы слишком хорошо проводят тепло. Первые космические корабли использовали асботекстолит. Это ткань из асбестовых, гидросиликатных и хлопковых волокон. Каждый материал в составе использовался ранее для изоляции, например в утеплении домов или в одежде, но смесь веществ значительно улучшила свойства. Правда, асботекстолит все же не идеален. Во время посадки может обгореть несколько слоев ткани, но в спускаемом аппарате их хватает с большим запасом. Тем не менее поиск лучшего варианта продолжался, и, например, для транспортного корабля снабжения (ТКС) была изготовлена кремнеземная ткань. Примечательно, что ТКС стал первым космическим аппаратом многоразового использования. Для американских шаттлов и советского корабля «Буран» ткань не подходит – эти многоразовые корабли планируют в атмосфере и поэтому должны сохранять свою аэродинамическую форму, оставаться жесткими. Для них разработали волокнистую керамическую кварцевую плитку, которая на 90 % состояла из воздуха. Тепло передается через взаимодействие атомов, а у газов столкновения очень редки. Кроме того, для частей «Бурана», которые подвергались самым большим температурным нагрузкам, был разработан материал «Гравимол» – композитное вещество, которое представляет собой атомы углерода, упакованные в кристаллическую решетку так, что между слоями атомов есть большое пространство. На основу тонкими слоями наносятся бор, кремний и противоокислительное покрытие на основе дисилицида молибдена.

Хотя в США были другие материалы, по своей сути они были похожи. В итоге суммарно было получено порядка 50 различных теплозащитных покрытий. Их быстро взяли в оборот также пожарники и гонщики, чья спецодежда не горит и защищает от пламени.

Чтобы уменьшить воздействие удара и перегрузок при посадке и взлете, для космонавтов стали искать специальные материалы, которые хорошо амортизируются, но при этом сохраняют форму. Так была разработана пена с эффектом памяти. Физический принцип основан на том, что структура вспененного полиуретана очень сложна и напоминает сеть, создающую упругость. Воздух достаточно быстро выходит из пор, уменьшая объем материала и придавая форму давящего тела, но заходит достаточно медленно, чтобы форма держалась некоторое время. И, наконец, материал от тепла становится более мягким. Яркий пример – резина. Ученые подобрали состав, позволяющий свойствам меняться при температуре человеческого тела. Пена с эффектом памяти стала использоваться в матрасах и подушках, самолетах, автомобилях и мотоциклах, спортивном оборудовании, в аттракционах, седлах для лошадей, мишенях для стрельбы из лука, мебели, а также в медицинских протезах.

Космонавтика – это не только ракеты, станции и космические корабли. Немалый вклад в историю техники внесли планетоходы.

Все началось с луноходов. Для передвижения по поверхности малоизученного небесного тела нужно было много чего предусмотреть. Первый спор – что лучше, гусеницы или колеса. Собственно, именно поэтому в СССР решение поручили институту, создававшему тракторы и танки. В США этим вопросом занималось несколько организаций, в том числе и аналог советского института. Ответом стали новые типы ходовых частей, которые совмещали плюсы и компенсировали минусы колес и гусениц, а также предлагали совершенно новые возможности. В частности, были разработаны колесно-шагающие движители. В США был опытный образец под названием «Го-девиль», где продольные рычаги подвески, на которой установлены колеса, могли поворачиваться на 360°. То есть аппарат мог поднять любое колесо, закинуть его на препятствие и сделать шаг, похожий на паучий. При этом «Го-девиль» при движении по обычному типу рельефа ничем не отличался от обычной машины с высокой подвеской.

Другой вариант движителя – «Пади-вагон», использующий трехкатковые колеса. То есть сразу три колеса соединены между собой и могут провернуться и заменить друг друга. Такой вездеход способен двигаться за счет вращения колес и за счет проворачивания катка. Еще одна разработка – четырехколесное шасси из двух секций. Каждая секция может переноситься поочередно в режиме шагания по воздуху и двигать опытный вездеход.

Французский планетоход имел гусеницы, но перед ними была пара колес. Рама крепления могла сгибаться и деформироваться. Благодаря этому гусеница могла повторять форму рельефа и огибать большие камни. Колеса были закреплены так, что могли подниматься и забрасываться на возвышения. Так двигаются черви.

Немецкий аппарат «Система МФ‐3» также был гусеничным, но не с двумя, а с четырьмя гусеницами, что позволяло планетоходу быть гораздо подвижнее. Американские инженеры дополнили эту систему оригинальным петлевым движителем при разработке собственного планетохода. Эластичная лента двойной кривизны с помощью двух колес натягивается в виде петли, нижняя часть контактирует с грунтом, а верхняя – с колесами. Такая система предотвращает расклинивание, так как никакой камушек не может попасть в верхнюю часть и помешать вращению колес.

Луноход Pack Mule мог использовать манипулятор, если бы колеса завязли. Рука, на которую можно было опереться, позволяла преодолевать препятствия. Еще один советский безымянный вариант предполагал движение колес вперед и назад вдоль корпуса планетохода.

Был разработан марсоход, который перемещался благодаря раме из нескольких секций – поднимались не колеса, а часть корпуса. Тело аппарата, словно змея, могло втягиваться и растягиваться. Эта идея нравилась еще тем, что марсоход можно было просто и компактно сложить и поместить внутрь станции и ракеты-носителя.

Примеры конструкций марсоходов

Однако ни один из перечисленных вариантов так и не побывал на поверхности небесного тела. Но многие идеи конструкторов удалось применить в роботизированных системах, например тех, что используются для обезвреживания опасных для жизни устройств. В частности, «Система МФ‐3» и СТР‐1 расчищали кровлю третьего блока Чернобыльской АЭС в 1986 году.

Большое распространение получили сделанные на их основе роботы-пылесосы. Некоторые модели переняли и систему управления самого первого марсохода, севшего на планету в рамках миссии «Марс‐3». Он использовал не колеса и не гусеницы, а лыжи, которые поднимались, перемещались вперед, опускались. Затем поднимался корпус и перемещался. Привод был похож на систему из первых паровозов. Так потихоньку марсоход шагал. Он был маленький, размером со сковородку, и в 1971 году не имел никакого компьютера. Управлять им с Земли с расстояния более 150 миллионов километров было невозможно, поэтому инженеры сделали очень простую автоматическую систему. В передней части марсохода имелось два штырька – своеобразные усики. Когда аппарат шел вперед и натыкался на препятствие, например камень, штырьки складывались. Препятствие слева – складывался левый ус, блокировалась правая лыжа, а левая поворачивала конструкцию вправо. Соответственно, так же срабатывала система в противоположном случае. Штырек сжимался с правой стороны, а марсоход двигался влево. Если два усика поджимались, движитель начинал вращаться назад. Примерно так же ориентируются в темноте тараканы и точно так же – роботы-пылесосы.

Марсоход

Главной задачей марсохода во время миссии «Марс‐3» было выяснить, насколько тверд грунт Красной планеты. Застывшая вулканическая порода достаточно устойчива и суха, но с множеством мелких и крупных камней. Гусеницы в таких условиях неэффективны. Последующие американские марсоходы двигались на колесах. Многие идеи были взяты у советских луноходов, но в конструкциях марсоходов появилось и много новшеств. Начнем с особенностей самого колеса: для предотвращения буксования лунохода в песке на обод прикреплялись грунтозацепы – небольшие выпирающие пластины, расположенные под углом примерно 20°. Они распределяли массу по лунному песку и не давали тому расползтись в разные стороны. При этом главная задача исходит из названия – зацепиться за грунт в случае пробуксовки. Некоторые из вариантов расположения грунтозацепов в дальнейшем стали использоваться в рисунках на протекторах шин. Особое расположение выступов и борозд повышает сцепление с асфальтом и уменьшает скольжение на мокрой и грязной дороге.

В случае с работающим луноходом шин не было. Колесо поменять на Луне некому, а острых камней предостаточно. Роль шин выполняла мелкая стальная сетка с квадратной ячеистой структурой. Она была достаточно упругой, прогибалась в случае нагрузки или попадания камушка, но оставалась жесткой, чтобы сохранять изначальную форму. В процессе разработки колеса инженеры предлагали усилить систему спиралевидными лентами, идущими от оси колеса к металлической шине, или арочными ленточными пружинами, обтягивающими обод или стягивающими две части колеса бандажом. Из-за увеличения массы от этих идей отказались. Зато начались разработки колес, которые не нужно надувать и которые невозможно проколоть. Сейчас они набирают популярность, особенно как запасные или в тех случаях, когда остановки на маршруте движения невозможны. Хотя у таких колес есть минус – на высокую скорость или экономию топлива рассчитывать с ними не стоит.

Космонавтам доставили портативную бормашину, но ею так никто и не воспользовался. Большую эффективность продемонстрировали временные лекарственные пломбы. Но, конечно, лучше заниматься профилактикой, чем лечением. Сначала была специальная съедобная зубная паста, ведь если ее выплюнуть – она разлетится по станции. Безопасная паста пригодится для маленьких детей. Потом на орбите появились два тюбика с особыми компонентами, которые при взаимодействии вступают в химическую реакцию. Первая зубная паста очищает, а вторая приводит к загустеванию веществ и создает слой, который как бы пломбирует микротрещины и восстанавливает потерю кальция. Процедура называется реминерализация и теперь активно используется стоматологами.

Вирусы хорошо выживают в космосе, а как насчет бактериофагов? Это микроорганизмы, которые атакуют только бактерии. Сейчас их активно изучают, так как их можно использовать для лечения инфекций, которые научились сопротивляться антибиотикам. Бактериофаги также способны переносить участки ДНК, а значит, облегчать генетические заболевания. «Бактериофаг» – новое исследование на МКС, которое пока доказало только принципиальную возможность работы с этими микроорганизмами в космосе. Но у него большой потенциал, который частично раскрылся в эксперименте «Микровир». Удалось показать, что бактериофаги в невесомости значительно эффективнее борются с бактериями, чем антибиотики.

Отдельное большое исследование в космосе – изучение реакции организма на стресс космического полета. Вид маленькой Земли из космоса, знание того, что ближайший человек, не считая членов экипажа, в сотнях километров, что от черной бездонной пустоты отделяет два миллиметра алюминия, вызывает огромный стресс. Когда Юрий Гагарин полетел на орбиту, ему заблокировали управление, боясь, что он может сойти с ума и сделать что-то непоправимое. В случае аварийной ситуации Гагарин должен был вскрыть конверт с кодом и набрать написанное число на панели управления. Такое действие подтвердило бы, что космонавт может действовать осознанно и отвечать за управление кораблем. Правда, это не понадобилось, полет прошел нормально, а 108 минут в космосе не сказались на психическом здоровье космонавта. Тем не менее в долгих экспедициях стресс и изоляция начинают себя проявлять.

Эксперимент «Прогноз» проводился с целью оценки работоспособности космонавтов и их сенсорной координации в ходе полета. Участникам экспедиций предлагалось делать арифметические вычисления в зависимости от того, какой цвет они видят. Условно говоря, даются два числа, и если сигнал красный, то их нужно сложить, если синий – умножить, если зеленый – вычесть и т. д. За демонстрацию заданий отвечает специальный прибор с экраном. Скорость выдачи заданий увеличивалась со временем выполнения. Кроме этого, космонавты должны были максимально быстро реагировать на появления определенных сочетаний цветов или движение на экране. Со временем в условиях космического полета скорость и точность выполнения задания может снижаться, как и способность правильно управлять космическим аппаратом. Данное исследование было специально направлено на отслеживание операторских способностей, так как длительное пребывание в замкнутом пространстве и высокий уровень стресса снижают концентрацию. Для космонавтов оставаться в строю и действовать безошибочно критически важно. Разработанные тесты взяли на вооружение сотрудники по подбору персонала для выявления подходящих, психологически устойчивых кандидатов.

Опишем несколько интересных тестов.

• Нужно проводить на скорость простые операции сложения, вычитания, умножения и деления случайных чисел от нуля до девяти с числом, которое получилось после прошлой операции.

• Нужно проводить несколько вычислений, пока в наушниках идет шум, при этом иногда идут разные типы звуков (64 вида), и нужно их сосчитать без отрыва от основной обработки визуальных примеров на экране.

• На картинке с большим количеством пересекающихся окружностей для каждой нужно найти центр.

• Для оценки координации космонавту предлагается двигать с помощью четырех ручек пластину, на которой нарисована цифра восемь. Перемещать нужно так, чтобы зафиксированный карандаш очертил фигуру по контуру, но не зашел за пределы основной линии. Время выполнения ограничено.

• Для определения изменения пространственного восприятия после стресса испытуемый должен максимально точно указать 1/2, 1/3, 1/4 расстояния между двумя параллельными прямыми.

Устойчивость к оптическим иллюзиям изучается с применением стрелок Мюллера-Лайера, которые могут менять размер. Их острия по-разному направлены. Космонавту нужно как можно точнее настроить фигуры, чтобы длины стрелок были равны. Иллюзия в том, что мозгу кажется, что стрелки одинакового размера – разные.

Художественные произведения прочитываются вслух, при этом оцениваются эмоциональные изменения в интонациях на определенных моментах.

В нескольких десятках экспериментов было выявлено резкое ухудшение отношения космонавтов друг к другу через восемь-девять месяцев полета. Действительно, постоянный контакт без возможности уединиться сильно давит на психику. Но при сообщении о скором (через две-три недели) возвращении на Землю ситуация меняется на прямо противоположную. В предвкушении встречи с родным домом космонавты объединяют усилия. Для покорителей орбит была разработана программа психологической разгрузки.

Эти техники психологической помощи нашли широкое применение на Земле. Примечательным стал случай, когда в Чили обвалилась шахта Сан-Хосе и 33 человека оказались заперты под огромной толщей земли на глубине 700 метров в пяти километрах от входа. Специалисты NASA помогли шахтерам, к которым спасатели пробирались 69 дней. Во-первых, сначала пробурили маленький канал, через который можно было передать еду, воду и необходимые для жизни ресурсы, – компактные системы космонавтов в этом случае оказались кстати. Во-вторых, медики помогли людям пережить долгую изоляцию. Эта история оказалась очень популярной, и на ее основе даже был снят фильм.

С усовершенствованием технологии появились и другие тесты. Сейчас на МКС космонавты могут симулировать на компьютере различные ситуации. Поведение оценивается психологами, после чего определяется уровень работоспособности. Уже давно для снятия стресса космонавтам предлагаются различные развлечения: фильмы, музыка, игры, общение с родственниками или с известными людьми. Это даже переросло в эксперимент «Досуг», в ходе которого определилось, что лучше всего помогают разговоры по душам и звуки природы. Прочие развлечения разными экипажами воспринимаются по-разному.

Медики подумали и над фармакологической психологической помощью. Космонавтам может понадобиться как стимулятор, так и успокоительное, но препарат, повышающий тонус, разгоняющий нервную систему, не должен вызывать привыкание, потерю контроля над своими действиями и снижать операторские качества. Такое лекарство было создано на основе (RS)-2-(2‐оксо‐4‐фенилпирролидин‐1‐ил) – ацетамидата, но, конечно, его эффект слабее, чем у многих веществ с негативными побочными действиями. Многие утверждают, что его эффективность не доказана. Тем не менее исследования проводятся и в земных условиях, а препарат применяют для восстановления после инсульта и при наличии астенического синдрома.

Успокоительные средства для космонавтов, в отличие от земных аналогов, не должны вызывать сонливость и потерю концентрации. Такой препарат был создан и добавлен в аптечку корабля «Союз‐19», но средство вызвало неоднозначную реакцию. Некоторые ученые говорили о неэффективности, а некоторые активно стали употреблять его при чувстве тревоги, страха и беспокойства, для лечения заикания, нервных тиков. Некоторые стали им злоупотреблять. Яркий пример неоднозначности: в России этот препарат отпускается только по рецепту, а в США – в качестве биологически активной добавки (БАД).

Укладка аптечки космонавта

Космические станции – отличные лаборатории для медицинских и биологических экспериментов. Здоровые люди в невесомости испытывают изменения организма, которые возникают у людей с разными заболеваниями. На космонавтах можно изучать биологические процессы, причем легко отслеживать изменения и сравнивать их с дополетным состоянием. Самое важное, что на Земле это все проходит после небольшого курса реабилитации. Симптомы исчезают, а научные сведения остаются.

Конечно, здесь описаны далеко не все медицинские эксперименты на орбите, а те, что связаны с масштабными исследованиями по самым актуальным темам. Есть много других особенностей организма, которые нужно изучать подробнее. Например, космонавты меньше храпят, часто у них возникает насморк из-за отека пазух носа, слезы не стекают по щекам и вызывают раздражение и воспаление глаз, в туалет нужно ходить по расписанию, так как может не возникнуть позыва, мозоли появляются не на внутренней, а на внешней части стопы, может возникнуть аллергия, а может и исчезнуть, увеличивается рост из-за растягивания позвоночника, руки поднимаются во сне и т. д.

В невесомости легче создавать и новые лекарства, но об этом – в следующей главе.

В этом же полете космонавты провели эксперимент «Капилляр». В расплав германия погружалась молибденовая форма с проделанными в ней тонкими каналами. Расплав, смачивая их, перемещался по этим капиллярам, заполняя всю форму. Самое интересное, что так можно было получить не только металлические изделия, но и монокристалл нужной формы.

Метод Степанова предполагает создание изделий изменением температуры. Расплав постепенно вытесняется силами поверхностного натяжения в «холодную зону». Таким образом, кристалл растет в выбранную сторону, а изделие приобретает нужную форму. На МКС похожий эксперимент «Зона-К» проводится в расширенной версии. Разные участки контейнера с капиллярами подвергаются воздействию разных температур, также используется ультразвук, вызывающий колебания в жидкости. Ученые таким образом стремятся найти новые особенности роста кристаллов, что могут пригодиться в технологиях производства на Земле. Например, с помощью электрических и магнитных полей свободно парящему расплаву можно придать нужную форму – так родилась новая технология формообразования металлических деталей.

Большой скачок произошел с развитием 3D-принтеров – специальных аппаратов, выполняющих послойное нанесение расплава с постепенным затвердеванием. На Земле метод быстро набрал популярность, так как позволял быстро создать реальный образец из компьютерной модели. Правда, он имеет очень много ограничений. Во-первых, не из каждого вещества можно создать нужную форму. В зависимости от метода требуются либо фотополимеры, затвердевающие при наличии света, либо псевдопластичные быстро затвердевающие вещества, либо клей, либо легкоплавкий металлический порошок. Во-вторых, так как каждый новый слой будет менять положение центра тяжести, предмет в процессе печатания может опрокинуться или деформироваться. На Земле эту проблему решает моделирование подпорок, а потом их удаление, но это не всегда возможно: от подпорок остаются следы и дефекты. В невесомости с этим нет проблем. Первые эксперименты в области начали проводиться на МКС в 2014 году под руководством астронавта Барри Уилмора. Распечатанный объект представлял собой часть самого принтера – лицевую панель печатной головки, что символизирует возможность однажды распечатать в космосе 3D-принтер на 3D-принтере. Затем астронавт попросил прислать через интернет модель гаечного ключа и напечатал его, чтобы не ждать грузового корабля с новым инструментом. В российском сегменте отработку технологии изготовления металлических изделий космонавты проводят в рамках эксперимента «Космическая фабрика». Это направление быстро развивается не только из-за возможности создания сложных объектов в невесомости. Без силы тяжести можно напечатать огромные сооружения, в разы больше самого принтера, причем таких форм, каких на Земле не может быть. В нескольких проектах будет использоваться так называемый траселятор – смесь 3D-принтера и вязальной машины размером в несколько сантиметров. Потенциально он может печатать нити и сплетать их для повышения прочности. В итоге получится каркас, который в космосе способен сохранять форму даже при километровых размерах. Многие инженеры сейчас работают над тем, чтобы приспособить устройство для работы с лунным или марсианским грунтом. Тогда при полетах туда можно будет не брать ничего, кроме 3D-принтера, и при этом основать базу, сделав ее из материала, лежащего на поверхности небесных тел. Пока эта технология разрабатывается, на МКС в 2018 году отправился 3D-биопринтер. За уникальную российскую установку отвечал Олег Кононенко. Она печатает сосуды, кожу, кости и даже органы, используя в качестве строительного материала раствор клеток и гадобутрола в геле. Гадобутрол – это парамагнитное вещество, которое используется в МРТ для подсвечивания клеток. Магнитное поле влияет на него, выталкивая вместе с клетками в нужную область. С повышением температуры гель высыхает, а клетки связываются вместе. В дальнейшем технологию модифицировали, добавив ультразвуковые излучатели, которые помогают магнитному полю распределить клетки в нужных местах. Впервые в мире с его помощью удалось успешно вырастить хрящевую ткань человека и щитовидную железу мыши. Позже космонавты синтезировали образцы мяса из клеток коровы, кролика и рыбы. Также проводились эксперименты по созданию мениска коленного сустава.

В 2024 году тот же Олег Кононенко провел эксперимент по 4D-печати – когда форма объекта еще и меняется со временем. В рабочую зону помещался материал с эффектом памяти, который при нагревании во время печати деформировался и скручивался. Так он менял форму полостей будущего органа.

В похожих наземных экспериментах с 3D-печатью при создании печени и почек в них отсутствовали кровеносные сосуды, канальцы для сбора мочи и роста клеток. 4D-принтеры в космосе могут помочь решить эту проблему.

Помимо объектов сложной формы, иногда нужно создать что-то простое. В миссиях шаттла Columbia STS‐3 и STS‐4 был проведен эксперимент по генерации идеальных латексных шариков. В невесомости удалось получать идеальные сферы очень малого размера – до 0,3 микрона, причем тысячи крошечных шариков были одинаковы. Получилось создать и более крупные сферы, так что можно было варьировать размер. На Земле такое не выйдет, шарики будут либо растекаться, либо принимать форму капель. Создать отливочную форму такого размера тоже не получится. Результаты исследования и сам материал в перспективе могут найти применение в медицине – в такие шарики можно помещать лекарственные препараты. Например, радиоактивный изотоп, который подсветит поврежденные ткани, а потом безопасно выйдет из организма, не покидая своего латексного контейнера. Поскольку все шарики одинаковые, их будет удобно использовать для калибровки медицинского оборудования.

Большой интерес у ученых вызвала возможность выращивать кристаллы не только неорганических веществ, но и сложных органических молекул.

Кристаллы протеинов на Земле и в космосе. NASA

В невесомости раскрываются не наблюдаемые на Земле свойства сложных цепочек. На Земле ученые работают примерно с 50 белками, которые до космических полетов либо вовсе не кристаллизовались, либо их структура ранее не была определена. На орбите удалось вырастить значительно более крупные кристаллы белка HPGDS, которые можно исследовать и рассмотреть их структуру. Это вещество напрямую связано с развитием некроза мышечной ткани при проявлениях мышечной дистрофии Дюшена. Зная «слабые места» HPGDS, ученые разрабатывают новые средства лечения.

Белки DAP BII (DPP7) и DPP11 оказывают сильное влияние на рост патогенов – болезнетворных бактерий. При этом они безопасны для человека и не вмешиваются в процессы жизнедеятельности. Благодаря выращенным в космосе образцам удалось найти центры связывания. Теперь на Земле можно синтезировать новые типы антибиотиков на их основе.

В структуре более крупных космических кристаллов апоформы пирофосфатазы E.coli ученые смогли выявить способы связать палочку Коха (бактерию, ответственную за заболевание туберкулезом) с ингибитором – веществом, подавляющим активность патогена. На основе ингибитора создаются так называемые таргетные, то есть нацеленные, лекарственные препараты.

В космических полетах был получен крупный кристалл эластаза, вызывающий эмфизему легких. Он расщепляет белки, из которых образованы волокна тканей. Понимание того, как этот фермент действует, дает возможность разработать терапию для блокирования процесса.

Особенно много времени при исследованиях уделяется поиску средств лечения онкологических заболеваний. Уридинфосфорилаза – фермент, помогающий создать нуклеозилы, которые потенциально могут встраиваться в РНК раковых клеток и таким образом провоцировать их гибель. Правда, для такого метода нужна точная информация о структуре исходного белка. Ее и изучают на более крупных выращенных в космосе кристаллах.

Такая же ситуация с пуриннуклеозидфосфорилзой, только этот фермент блокирует усвоение клетками питательных веществ, соответственно, ограничивает их рост и распространение.

Урокиназа – один из важных протеинов в человеке. Она активирует создание белков, которые участвуют в процессе заживления ран и работе молочной железы. Однако он связан с процессом метастазирования рака груди. На орбите проводятся попытки вырастить большой кристалл протеина, чтобы изучить его свойства и найти лекарства, уменьшающие скорость распространения болезни.

Кристаллы алкогольдегидрогеназы 1998 из термофильной археи Thermococcus sibiricus впервые были получены в невесомости. Этот белок прекрасно выдерживает высокие температуры и служит питательной средой. Так он нашел применение в технологическом производстве биоактивных добавок.

Белок цитохром известен благодаря использованию в производстве удобрений. На орбите впервые удалось получить кристаллы вещества без дефекта дупликации. При росте несколько молекул могут срастись вместе неправильным образом, что очень часто и происходит при наземном синтезе, так как гравитация прижимает атомы друг к другу, а электрические силы между ними доделывают работу по слиянию. В невесомости такое происходит значительно реже.

У фосфопантетеинаденилтрансферазы, карбоксипептидаз Т и В, тимидинфосфорилазы тоже удалось устранить дупликацию и улучшить избирательность к субстратам. С помощью этих космических белков ускоряется и облегчается производство инсулина. Производство этого гормона вообще стало излюбленной темой целого ряда космических экспериментов.

Иногда для исследований нужно не вырастить новое вещество, а отделить его. Поэтому одним из важных методов в биохимии является электрофорез. Если в жидкости есть взвешенные частички, то на границе между ними появляется так называемый двойной слой. Заряды одного знака в твердом веществе смещаются к разделу. Заряды в жидкости также разворачиваются, но противоположным знаком. Таким образом система стремится понизить свою поверхностную энергию. При электрофорезе органические соединения, растворенные в вязкой жидкости, подвергаются воздействию электрического поля. Заряды на границе раздела начинают притягиваться к одному из контактов прибора – аноду или катоду. Однако движению мешает сопротивление вязкой жидкости. Обычно для повышения эффективности процесса используются гели известной плотности. В зависимости от величины заряда растворенные вещества притягиваются с разной силой. Одни вещества могут преодолевать сопротивление геля и смещаться, а другие – нет. Так можно разделить составляющие раствора. Крупные макромолекулы под действием поля разворачиваются в определенную сторону и распрямляются, если они были скручены.

Ученые предположили, что в невесомости, без воздействия силы тяжести, то есть еще одного фактора сопротивления, процесс будет эффективнее. Космонавты Леонид Попов, Александр Серебров, Светлана Савицкая на станции «Салют‐7» провели эксперимент «Таврия», доказав верность гипотезы. В условиях невесомости увеличивается скорость разделения веществ, а степень очистки многократно повышается. В первый раз разделялась смесь альбумина, гемоглобина и клеток костного мозга крыс.

С помощью метода голографии изучалась и динамика движения частиц в растворе. Позже эти данные вылились в исследования микророботов, которые могли бы направленно двигаться под действием электрического поля в жидкостях.

Российские эксперименты по электрофорезу продолжились на станции «Мир», где ценные препараты очищались в универсальном электрофоретическом комплексе «Айнур».

На самом деле чуть раньше был проведен эксперимент на трассе Земля – Луна в рамках американского пилотируемого полета «Аполлон‐16». Однако результаты ученых не удовлетворили. Затем в США в рамках полетов шаттлов STS‐4, —6, —7 и –8 работы по исследованию установок и процесса электрофореза продолжились. В двух последних миссиях изучался капиллярный метод – на Земле его чаще используют для разделения веществ по заряду, а другие методы электрофореза могут помочь в отделении еще и по массе. Действительно, более тяжелым соединениям будет сложнее перемещаться в геле. Силы поверхностного натяжения в капилляре частично компенсируют этот эффект. Оказалось, что в невесомости компенсировать ничего не надо, а исследуемый гемоглобин размазывается по установке. Зато проявились эффекты зависимости эффективности процесса не только от содержания частиц во взвеси, но и от количества и качества геля. Силы поверхностного натяжения изменяли свойства и заряд двойного слоя на границе с твердыми частичками. Новые данные помогли улучшить технологию на Земле. Она оказалась очень важна, особенно в контексте секвенирования ДНК, помогая изучать важнейшую молекулу в организме человека, определять ее структуру, искать способы устранения аномалий, приводящих к наследственным болезням.

Один из самых необычных и интересных экспериментов, который периодически проводят космонавты с 1998 года, получил название «Плазменный кристалл». Первыми его выполнили Анатолий Соловьев и Павел Виноградов. В нем изучается поведение пылинок, которые летают в газе электрически заряженных частиц – плазме. В невесомости частички такой смеси могут взаимодействовать самым разным образом. Пылинки достаточно тяжелые, чтобы притягиваться друг к другу за счет гравитации, на них оседает заряд, так что они притягиваются или отталкиваются электромагнитными силами. Причем чем больше пылинка, тем больший заряд она может иметь. Его величина будет превышать заряд электрона в сотни и даже в сотни тысяч раз. При этом пылинки могут двигаться как газ по законам статистической термодинамики за счет поглощаемого тепла.

В земных условиях частички оседают и испытывают большое количество деформаций и искажений. В невесомости поведение пылевой плазмы может быть очень разным. Смесь даже называют сильно неидеальной системой.

Первый раз на станции «Мир» в эксперименте использовались частицы бронзы с цезиевым покрытием. В темноте они слипались, а под действием света отталкивались друг от друга. Это было интересно в контексте фундаментальных исследований колец Сатурна или протозвездных облаков. Собственно, появились теории, объясняющие, почему частицы рядом с шестой планетой Солнечной системы не слипаются, а в плотных молекулярных облаках появляются неустойчивости, приводящие к сжатию в звезды. Уже в первых экспериментах оказалось, что пылинки могут образовывать определенные структуры, получившие название «Кулоновский кристалл», и они были самыми разнообразными. Например, однажды получилась двойная спираль, похожая на ДНК. Это сразу вызвало массу публикаций о раскрытии тайны появления жизни. Это, конечно, не так. Молекула ДНК в разы меньше.

Также важным было взаимодействие со стенками корпуса. Когда пылинка сталкивалась с оболочкой, происходило перераспределение заряда и изменение конфигурации.

Тем не менее возникли идеи о моделировании взаимодействия элементов кристаллов через пылинки. Все-таки частички можно наблюдать визуально, а атомы не видны. Уже на МКС провели эксперимент с меламинформальдегидом – пылинки из него становились очень сильно заряженными. В невесомости между ними преобладали электрические взаимодействия, и космонавты наблюдали образование структур, напоминающих кристаллическую решетку. Теперь можно было изучать фундаментальные свойства материалов. Если же использовать лазер, внешнее поле или электрический разряд, то возникают течения и волны плотности. В одной части камеры зарядов становится больше, в другой – меньше.

Следующий вариант эксперимента предполагал использование сразу нескольких типов пылинок, например больших и маленьких. В его ходе образовывались «цепочки» из крупных микрочастиц в облаке мелких.

С учетом большого разнообразия вариантов эксперимента исследование «Плазменный кристалл» стало одним из самых длинных в истории космонавтики. Полученные знания пока относятся к категории фундаментальной науки, но в будущем могут применяться практически. Уже есть проекты осаждения взвешенных в плазме частиц для создания покрытий с особыми свойствами, или удаления нежелательных частиц пыли при производстве микросхем, или для создания электрических ядерных батарей.

Кстати, проект был международным и стал примером сотрудничества разных стран. Он имеет двойное название «Коспас-Sarsat». Оборудование для метода не очень громоздкое, и как побочную нагрузку его устанавливают на множество спутников навигации, связи и метеорологических аппаратов. Сейчас в год «Коспас-Sarsat» регистрирует порядка 800–1200 сигналов бедствия и спасает две-три тысячи жизней.

Большого прорыва удалось достигнуть в 1993–1994 годах. Тогда космонавты активно изучали катастрофы природного и техногенного характера и даже научились предсказывать ход последующих событий.

Скоро потребовалось локализовать очаги сильных пожаров в южной Калифорнии. Дым от них был настолько сильным, что астронавты не могли разглядеть детали поверхности.

В 1994–1995 годах наблюдения были расширены. Изучались: пожар танкеров в Босфоре, пожары в районе Читы, чуть выше реки Витим, пожары в Британской Колумбии, разлив Миссури, половодье в Германии, наводнения в Колумбии, тропический циклон «Одиль» в Тихом океане, тропический шторм «Дебби», два вулканических извержения в Новой Гвинее, извержение Ключевской сопки, вулкан Пинатубо на Филиппинах, землетрясение в районе острова Хоккайдо и Курильских островов, а чуть позже – землетрясения в Японии.

Тогда, например, космонавты первыми обнаружили пожар недалеко от Целинограда из-за взрыва газопровода.

А авария на нефтепромыслах в Аргентине позволила провести экологический эксперимент по оценке влияния выбросов углекислого газа на загрязнение атмосферы.

Слежение за лесными пожарами на самом деле зародилось гораздо раньше.

Космонавт Валерий Рюмин как выпускник лесотехнического института сам взялся провести исследования леса. В частности, в 1979 году он провел съемку пожаров и дымовых шлейфов от них. Причем тут тоже, как оказалось, есть нюансы. Например, деревья в Африке почти не дымят, а от тайги идет длинный и хорошо заметный темный шлейф.

Экипаж шаттла Discovery STS‐29 не смог провести основной эксперимент по отработке новой системы охлаждения и решил потратить время на съемку Земли. Астронавты получали кадры пожаров во Флориде и извержения вулкана Пакайя в Гватемале.

Из космоса легко можно определять произошедшие извержения вулканов или крупные пожары. Из-за выброса пепла в атмосферу снижается качество любых фотографий. Это было замечено в нескольких полетах, в том числе на шаттле Atlantis STS‐43.

В 1992 году Александр Калери с борта станции «Мир» поразился количеству мест возгораний и обратился с просьбой организовать систему постоянного мониторинга вместо разового проведения периодических экспериментов.

Астронавт Ричард Сиэрфосс в 1993 году во время миссии STS‐58 обратил внимание ученых на проблемы с распространением неконтролируемых пожаров в южной Калифорнии. Его озабоченность была связана с тем фактом, что там жила его семья. Астронавт снял процесс на инфракрасную камеру. Она не фиксирует дым, но чувствительна к изменению температуры. Можно сказать, что этот прибор – бесконтактный термометр. С его помощью можно отделить открытые очаги пламени от коптящего тления.

С тех пор направление начало активно развиваться. Ситуация с пожарами оказалась очень сложной. Несмотря на то что их стали искать далеко не одним космическим аппаратом, отследить все очаги крупных возгораний не удается. Например, однажды на шаттле Endeavour STS‐64 закончилась инфракрасная пленка. Даже современные цифровые системы ограничены скоростью передачи данных на Землю.

Сейчас эту задачу выполняют искусственные спутники дистанционного зондирования Земли «Канопус». Они не только фиксируют пожары и вулканическую активность, но и помогают локализовать их и предсказать возможные последствия.

Одним из самых известных катастрофических случаев последних лет стало извержение вулкана Эйяфьятлайёкудль в Исландии. Тогда было вовремя объявлено о запрете полетов в Европе из-за обилия в атмосфере пепла, который мог вывести из строя двигатели самолетов. Это помогло избежать большого числа аварий.

Но чаще всего чрезвычайные ситуации возникают из-за погодных явлений. Изучение метеорологической ситуации было одной из первых задач космонавтики. Уже второй космонавт планеты Герман Титов снял облака и сделал небольшой прогноз грозовой активности – помимо прочего, он видел вспышки молний.

С орбиты невооруженным глазом легко заметны ураганы и штормы. Они представляют собой закручивающиеся спирали. Теплый влажный воздух поднимается с моря, а холодный опускается и приводит к конденсации влаги в пар. Все это подвержено воздействию вращения Земли. На разных широтах линейная скорость воздушных масс разная. Высокие широты имеют меньший радиус малого круга с центром на оси вращения, и объекты там за сутки перемещаются на меньшее расстояние, чем на экваторе, где радиус самый большой.

В физике для описания подобных процессов используется понятие силы Кориолиса.

Циклоны, как и другие воздушные и водные массы, в северном полушарии из-за этого закручиваются по часовой стрелке, а в южном – в противоположном направлении.

Однако кадры позволяли получить только краткосрочный прогноз, а для доставки пленки и ее последующей проявки требовалось время. Для обнаружения циклонов фотокамеры высокой точности не требовалось, и ученые начали разрабатывать видиконы. Они за счет фотоэффекта регистрировали свет. Излучение порождало заряд, который накапливался на полупроводнике. Его можно было считать, передать по радиоканалу на Землю, а потом сбросить для новой регистрации. Так начали появляться первые цифровые фотоаппараты и видеокамеры. Технология развилась и стала популярной в быту. С появлением же видиконов появились и первые метеорологические спутники. В СССР для экспериментального апробирования технологии запускались аппараты «Космос‐14», «Космос‐44», «Космос‐122». Затем появились оперативные спутники серии «Метеор» и их модификации. Впоследствии в число метеорологических аппаратов на разных орбитах вошли «Океан-О» и «Электро-Л». В США экспериментальные и оперативные спутники назвались Tiros, а им на замену пришли Nimbus, ITOS, ESSA, NOAA и т. д.

Данные аппараты сразу имели на борту инфракрасные камеры или датчики. Дело в том, что главным фактором погоды является температура, которую как раз данные приборы и фиксируют. Дождь идет, когда теплый влажный воздух встречается с холодным; облака возникают, когда вода нагревается на поверхности и охлаждается на высоте, где температура ниже; перепад давления возникает из-за того, что горячий воздух менее плотный и легкий, чем холодный. Он давит с меньшей силой. Ветер дует из области с высоким давлением в область низкого. Яркий пример – бриз. Днем Земля нагревается быстрее, чем вода. Над почвой давление уменьшается, и ветер дует с моря. Вечером и ночью земля быстро остывает, а вода продолжает держать тепло. Направление ветра тут же меняется от суши в сторону воды. Это было известно и до космических полетов, а данные с орбиты могли бы показать глобальные процессы и детали локальных.

Например, есть так называемые ячейки Хэдли и более слабые ячейки Феррелла. Это явления циркуляции воздуха поперек широты. Полярные регионы освещены меньше тропических. Холодный воздух от полюсов стремится перетечь ближе к экватору и вытесняет теплый воздух. Затем он нагревается, и ситуация повторяется. В итоге происходит зональная циркуляция. Ячейки Хэдли образуются преимущественно в тропиках, а Феррелла – в средних широтах. Данные структуры ответственны за появления пассатов – тропических ветров.

Космические данные показали, что ячейки Хэдли в последнее время увеличиваются, видимо, в связи с глобальным потеплением, а ячейки Феррелла вносят все меньший вклад в климат.

Температурные градиенты показали наличие тепловых волн, известных как волны Россби. Об их существовании было объявлено еще в 1939 году, но благодаря спутникам и глобальному мониторингу стали появляться данные о влиянии волн Россби на погоду и формирование циклонов и антициклонов. Волны Россби возникают из-за силы Кориолиса и температурного градиента, при этом вращение Земли стремится закрутить этот поток. Волны Россби похожи на ячейки Хэдли по принципу появления, но в них поток не циркулирует, а двигается вокруг Земли, совершая колебания. Волны наблюдаются в основном в верхних слоях атмосферы. На потоки воздушных масс ниже влияет еще и рельеф.

В полузамкнутом Карибском море возникает целая куча эффектов. Например, спутник TOPEX/Poseidon обнаружил 120‐дневные колебания уровня воды и температуры. Они происходят из-за взаимодействия и теплообмена потоков воздуха от Гольфстрима, волн Россби и сложной циркуляции открытого океана и Карибского бассейна.

Горы тоже оказывают влияние, задерживают воздушные потоки, а хребты их перенаправляют. Часто из-за этого образуются характерные розы ветров. Их тоже изучают с орбиты с помощью эффекта Доплера по изменению радиосигнала. Многие ветровые аномалии в гористой или холмистой местности даже получили свои имена. Самый известный теплый ветер, идущий с гор, называется фен (в дальнейшем он дал название электроприбору).

Рельеф влияет и на морские течения, которые переносят теплые и холодные массы воды. Самый яркий пример – закручивающийся восьмеркой вдоль границ Америки и Европы уже упомянутый Гольфстрим.

Еще влияние на погоду оказывают перепады давления. Толща воздуха притягивается к Земле, и чем она тяжелее, тем давление выше. Во-первых, оно зависит от плотности газа. Поскольку атмосфера в среднем однородна по составу, концентрация частиц зависит от температуры. Давление изменяется с высотой – чем дальше от Земли, тем меньше гравитация и больше объем, что приводит к уменьшению концентрации частиц. Это главный фактор снижения температуры с высотой. На давление могут влиять локальные изменения состава газов, чаще всего – из-за увеличения количества газообразной воды вследствие испарения. Немаловажный фактор – приливное взаимодействие Луны. Она своим притяжением создает горб не только на морской поверхности, но и сплющивает и вытягивает в свою сторону воздушную оболочку Земли. Соответственно, там, где прилив, давление больше, а там, где отлив, – меньше. Солнце тоже сильно притягивает к себе и создает горб, но, в отличие от ситуации с Луной, здесь есть дополнительный фактор. Излучение заставляет атомы отлетать в сторону от источника. Солнечный ветер «сдувает» атмосферу от освещенной стороны к ночной. Движения атмосферы, вызванные гравитационными силами, исследовались в эксперименте «Ракурс». Гравитация работает одинаково для всех слоев атмосферы, поэтому используются камеры, которые фотографируют верхние слои атмосферы – ионосферу. Фильтры на них реагируют на свечения атомарного кислорода на длине волны 557 нанометров. Гравитация вызывает колебания атмосферы, и где-то газов становится больше, а где-то меньше. Области сжатия, так как концентрация кислорода в них выше, будут светиться сильнее, чем области расширения. При этом еще измеряется высота атмосферы – насколько далеко от Земли можно зарегистрировать свет от кислорода.

Наконец, просто потоки встречных, однонаправленных или расходящихся ветров могут изменить давление в области. Яркий пример – глаз бури. Вихревой поток влажного и холодного воздуха играет роль стены. Он не дает уравновесить давление. Так, в области высокого давления может находиться регион с низким давлением. В такой ситуации могут возникнуть эффекты, ухудшающие ситуацию и приводящие к появлению опасных ураганов и торнадо. Теплый воздух из-за низкого давления опускается, а не поднимается. Он подпитывает испарение воды из океана. Пар поднимается вверх уже в области высокого давления, отдает энергию на усиление скорости и раскручивание потоков ветра.

В эксперименте «Ветер» отрабатывается новая технология определения скорости воздушных масс. Нагретая вода имеет собственное радиотепловое излучение со свойством поляризации, то есть электромагнитная волна имеет определенную ориентацию и колеблется в определенной плоскости. По изменению поляризации можно судить о структуре поверхности воды, например, о появлении ветровых волн. Если поверхность воды имеет наклон, то на МКС придет и наклоненное поляризованное излучение. На движение электромагнитной волны влияет наличие влаги в атмосфере, так что можно определить и толщину облаков. У метода высокая точность – до нескольких сантиметров, – но есть много ограничений в зависимости от положения станции на орбите. Можно получить много информации, но в ней легко запутаться. Со временем и накоплением экспериментальных данных удастся отработать технологию и лучше определять облачность и скорость ветра.

Когда первые спутники «Метеор» стали фиксировать все параметры, на Земле ученые не смогли их все обработать – настолько их было много. Да даже сейчас мощные компьютеры пасуют перед такой задачей, хотя на три дня могут с хорошей точностью рассчитать все взаимодействия ветра, тепла и давления.

Однако результат был, и он оказался просто колоссальным. Точность прогноза возросла в разы. До XIX века предсказывали погоду только шаманы с бубном, а вероятность того, что прогноз на следующий день сбудется, составляла в лучшем случае менее 10 %. Правда, тогда никто не говорил о температуре и давлении в конкретных цифрах, так что и указывать конкретный процент не совсем правильно. Шаманы говорили, что либо пойдет дождь, либо нет. Вероятность соответствовала случайному попаданию. В 1835 году появились первые метеостанции, которые с помощью телеграфа обменивались данными. Ветер дует на север, значит, та погода, что у нас сейчас, будет в населенном пункте на севере через несколько минут. Тогда точность возросла до 20 %, да и то только в тех местах, где метеостанции были расположены близко друг к другу. В 1954 году появились первые прогнозы, которые передавались по телевидению. Уже тогда в составлении участвовали высотные ракеты. В то время в 54 % случаев удавалось предсказать температуру, давление, ветер и осадки правильно. Это уже было большим прорывом. С появлением спутников точность выросла до 80 % и с каждым годом и новым исследованием увеличивается. Стоит отметить, что немалую роль в этом сыграл рост производительности компьютеров, но без спутников им было бы просто нечего считать.

Сейчас температуру воздуха прогнозировать проще всего. Точность на три дня составляет 95–96 %, а на неделю – 70 %. С ветром и давлением чуть больше проблем. На завтра метеорологи ошибаются в двух случаях из ста, но на каждый последующий день точность снижается на 5 %. Сложнее всего предсказать осадки. На два-три дня точность прогноза 87–90 %, а на неделю вперед смотреть уже бессмысленно. До недавнего времени проблемой была оперативность информирования. По телевизору показывали прогноз через два-три дня после его составления, да и то сразу для больших регионов. При этом даже в крупном городе в одном районе может идти дождь, а в другом нет. Тем не менее оперативный прогноз получали авиа- и корабельные диспетчеры, сотрудники чрезвычайных служб, а также организации, для которых предсказание погоды жизненно важно. Несколько лет назад благодаря интернету и увеличению числа метеоспутников стали появляться сервисы, где данные выкладываются уже через два часа после регистрации космическим аппаратом. Причем прогнозы наносятся на карты с масштабом всего в несколько километров, даже для труднодоступных регионов, где нет наземных метеостанций. МЧС использует SMS-информирование в случае прогноза опасных метеоявлений в ближайшие сутки. Тенденция к повышению точности остается, так что в будущем есть надежда дойти и до точности 99 % и надежно предсказывать погоду на неделю вперед.

Сейчас для этого на МКС проходит эксперимент «Ураган». Это одно из самых длительных исследований, проводимых на орбитальных станциях. Оборудование для него появилось на орбите в 1999 году, оно постоянно модернизируется, как и методы использования получаемых данных. Так, во время пандемии COVID‐19 был проведен анализ распространения инфекции воздушно-капельным путем и сопоставлен с метеоданными о потоках воздуха и влажности.

Еще один эксперимент, «Конвергенция», был призван расширить знания о процессах в атмосфере для составления более точных и простых моделей для расчета. Прибор одновременно определял влажность, температуру и скорость движения облаков на области 810 километров за секунду, да еще и параллельно позволял регистрировать грозовые разряды и электрические атмосферные явления. Обычные грозы обнаружить несложно – электрический разряд создает электромагнитные колебания, которые даже на старом телевизоре или радиоприемнике выглядят как помеха в сигнале. Вспышка тоже бывает хорошо видна. Еще Павел Попович – четвертый космонавт СССР – вне запланированных экспериментов наблюдал грозу. Тогда он сильно напугал медиков, ведь на Земле они договорились, что «Гроза» будет кодовым словом для обозначения расстройства вестибулярного аппарата.

Наблюдать молнии несложно, но важно, ведь они являются маркерами атмосферного явления, а также сами по себе опасны. Предупреждения о возможных грозах помогают уменьшить число чрезвычайных происшествий. Однако оказалось, что далеко не все так просто. В 1989 году благодаря экспериментам по отработке новой камеры для высокоточных снимков случайно удалось открыть новый вид молнии, которая бьет вверх. Она получила имя «Спрайт». Новый тип сразу заинтересовал исследователей. Оказалось, что на более старых снимках с орбиты спрайты тоже есть, но их принимали за помеху. Молнии этого типа могли приниматься и за НЛО. В том же году со снимков с шаттла Atlantis STS‐34 был обнаружен еще один вид молний – голубые джеты. Чуть позже были открыты эльфы и несколько разновидностей джетов. Специально для исследования был организован эксперимент на МКС. В нем участвовали Виктор Афанасьев, Константин Козеев и Клоди Эньере. Спрайты и другие молнии бьют вверх, так как высокий слой атмосферы – ионосфера – имеет заряд, и в облаке есть избыток электронов, которые возникают из-за трения потоков. Из двух слоев получается аналог конденсатора, а когда на них скапливается слишком много электричества, возникает пробой. Хотя детали еще предстоит узнать, космонавты отчетливо видят, что высотные молнии активно влияют на состояние атмосферы, ионосферы и магнитосферы.

Подтвердить или опровергнуть гипотезу происхождения спрайтов и эльфов, а также оценить опасность явления для авиации был призван эксперимент «Молния-гамма» на МКС. Оборудование регистрировало вспышку от разряда и количество электронов и гамма-излучения, которое приходит после этого. В исследовании Thor-Davis высокоскоростная камера со 100 000 кадров в секунду помогает увидеть развитие молнии, движение зарядов и оценить их вертикальный профиль. Наконец, в рамках эксперимента «Молния-СМ» космонавты изучали связь появлений спрайтов и эльфов с погодными, геофизическими, сейсмическими, космическими и другими явлениями. Возможно, в скором времени удастся не только предугадывать молнии и таким образом обезопасить полеты воздушного транспорта, но и даже частично управлять грозовыми разрядами.

Пока же космонавты изучают главные источники дождей и гроз – облака. Еще Валентина Терешкова провела исследование облаков в 1963 году. Она смотрела на слой атмосферы на краю диска планеты – лимбе, чтобы было видно, как далеко от Земли они летают. А годом позднее Константин Феоктистов регистрировал яркость, размер, контрастность и прозрачность облаков. Чуть позже Алексей Леонов благодаря своему художественному таланту даже зарисовал карандашами восходящее Солнце, которое осветило атмосферу. В воздухе свет рассеивается тем больше, чем больше толща, через которую лучу нужно пробиться. Плотность уменьшается с высотой от поверхности. При этом рассеивается сначала излучение коротких длин волн – фиолетовый свет, а уже потом красный свет. Собственно, это видно во время закатов и рассветов. Когда Солнце располагается над головой, небо голубого цвета. Вечером и утром свет проходит большую толщу воздуха, и до наблюдателя доходят только красные лучи, которые окрашивают небо в оранжевый и розовый. На орбите видна вся атмосфера, а на просвет она наблюдается всеми цветами радуги. При этом оттенки служат маркерами высоты.

Существуют так называемые подковообразные облака. Свое название они получили потому, что доходят до самой границы стратосферы, но выше подняться не могут, поэтому «растекаются» и становятся похожими на подкову. Температура в стратосфере начинает расти с высотой, и пар холоднее и тяжелее более верхних слоев. Облаку приходится растекаться по границе стратосферы, приобретать очертания подковы. Чаще всего это первый признак накопления большого количества влаги и зарождения грозы. Перистые облака, наоборот, очень разреженные. Из них никогда не идет дождь, но они часто образуются в областях высокого давления перед тропическим циклоном, и это может подсказать, что уже сформировавшийся шторм поблизости. Из-за того, что перистые облака образуются на больших высотах тропосферы, где холодно, они состоят не из капелек, а из кристаллов воды. Благодаря этому появляются различные оптические эффекты, например гало, ложные солнца, огненная радуга, которые часто сбивают приборы. Также особый интерес вызывают загадочные серебристые облака. С Земли наблюдать их можно только летом в средних широтах – в ясную погоду и ночью. Эти облака располагаются в мезосфере и очень разрежены. Только когда наступает ночь и солнце заходит за горизонт, но часть лучей проходит сквозь атмосферу и подсвечивает редкие кристаллики снизу, можно увидеть их слабое свечение. При этом другие, более низкие и плотные облака, мешают наблюдениям. В космосе таких проблем нет. Серебристые облака можно наблюдать повсеместно. Первыми проводили их съемку и анализ космонавты Пётр Климук и Виталий Севастьянов на станции «Салют‐4».

Сейчас проводится исследование «Терминатор». Космонавты направляют камеры на линию раздела света и тени, дня и ночи на поверхности Земли. Такая линия и называется терминатором. Рядом с этой границей, но в темной области, наблюдается отраженный от слоев облаков свет. Солнце прячется за горизонт и не освещает поверхность планеты, но лучи по касательной еще проходят. Чем выше облако, тем дольше оно будет на свету, пока солнце не опустится слишком низко. Из космоса это прекрасно видно, а терминатор в поле зрения космонавта находится почти всегда, в отличие от Земли, когда день и ночь сменяются лишь дважды за сутки. Таким методом легко определить структуру и высоту облаков, причем при достаточной точности не только серебристых, но и других. Для изучения более низких кучевых и слоистых облаков используется фотографирование и лазерный радар – лидар, а с помощью микроволнового радара и спектрометра регистрируется содержание воды и плотность облаков. Лазерный луч отражается от непрозрачного покрова и возвращается на станцию. По времени задержки можно рассчитать пройденное расстояние. Так определяется верхняя граница облака. Нижняя определяется так же, но с Земли. Микроволновый спектрометр фиксирует яркость поглощенного и излученного молекулами H₂0 света на характерной для вещества длине волны.

Эти сведения помогают предсказывать погодные явления и отделять простой туман или облачность от явлений выпадения дождя и снега.

Космические аппараты полезны не только тем, что наблюдают за всей планетой, но и тем, что могут проводить долговременные систематические и статистически более точные исследования.

Так, длительные наблюдения помогают определять климатические изменения.

В 1970‐х годах мировое сообщество было обеспокоено новой проблемой озоновых дыр. Озон – это газ, молекулярная структура которого представляет собой три атома кислорода. Он образуется под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца. Однако в ночное время озон, будучи тяжелее воздуха, опускается от верхних слоев атмосферы, вступает в химические реакции с другими газами и пылью и таким образом поглощается. Этот процесс проходит медленно, и обычно никаких проблем появиться не успевает. Особое дело – полюса. В Арктике и Антарктике ночь может длиться по полгода. В этих регионах стали наблюдаться области снижения концентрации озона. При этом резко повышается уровень проходящего излучения из космоса. Озоновый слой – своего рода щит, без него живые существа (особенно обитатели океана) подвергаются негативному воздействию. Над Антарктикой в полярную ночь с конца 1970‐х годов стала наблюдаться большая озоновая дыра, по размерам покрывающая весь континент. В Арктике снижение плотности происходит локально. На станции «Салют‐4» имелся ультрафиолетовый спектрометр, регистрирующий излучение с длиной волны около 0,26 микрометра. Как раз в этом диапазоне происходит поглощение озоном. Георгий Гречко и Алексей Губарев активно изучали концентрацию озона. Правда, есть проблема – изучать озоновые дыры нужно ночью, а Солнца – главного источника излучения – тогда нет. К счастью, есть другие звезды. На станции «Салют‐6» имелся ультрафиолетовый телескоп БСТ‐1, который космонавты направляли на какую-нибудь яркую звезду, находившуюся на тот момент на горизонте у края атмосферы, и смотрели, как сильно поглотился ультрафиолет. Впервые подобный эксперимент провели Владимир Ковалёнок и Александр Иванченков. Впоследствии космонавты стали изучать озоновый слой на постоянной основе. Так удалось выявить негативную тенденцию роста размера дыры над Антарктикой из года в год. Ученые стали бить тревогу, особенно когда экипаж станции «Мир» в 1992 году проводил съемку территории Новой Зеландии и обнаружил, что озоновая дыра из Антарктики сместилась туда. В 1990‐е годы постоянных орбитальных станций в США не было, поэтому запускалось много шаттлов с приборами для исследований. Так, на шаттле Atlantis STS‐43 астронавты проводили эксперимент по калибровке, чтобы потом использовать автоматические спутники для слежения. Как результат в рамках миссии шаттла Discovery STS‐48 был запущен специализированный спутник UARS. Через два года на том же космическом аппарате, но уже во время миссии STS‐56, астронавты исследовали скорости возобновления озонового слоя после окончания полярной ночи. Теория предполагала, что причиной появления озоновой дыры является большое количество выбросов фреонов в ходе производственных процессов. Спутники и космонавты эту теорию уточнили. На концентрацию влияет содержание в атмосфере хлор- и фторсодержащих веществ, галогенов, оксидов азота и воды. Причем вода влияет сильнее всего. Хотя природные процессы испарения вносят самый большой вклад, увеличение выбросов человеком оказалось важным фактором. На Земле стали проводиться всевозможные акции по защите озонового слоя. И это помогло. В последние годы дыра в Антарктике даже немного уменьшилась. Ученые задались вопросом, не вредят ли сами пуски ракет-носителей озоновому слою. Например, шаттлы используют топливную пару кислород + водород, а при их горении получается вода. И действительно, в рамках эксперимента «Фиалка» такая зависимость была обнаружена, но вклад космонавтики небольшой. Даже в годы полетов шаттлов он составлял не более 3 %. Сейчас космонавты на МКС отслеживают содержание молекул в рамках эксперимента «Климат». Точно так же, на просвет, но с использованием других длин волн, исследуется содержание самых разных газов, в первую очередь для оценки содержания вредных выбросов в атмосфере. Уже первым космонавтам, например Андрияну Николаеву, Валерию Быковскому, Валентине Терешковой ставилась задача оценивать и фотографировать слои атмосферы. Методика была проста и связана с эффектом рассеивания. Свет проходит сквозь прозрачные среды, но при этом может натыкаться на атомы и отражаться от них в разные стороны. Эффект зависит от плотности газа и концентрации аэрозолей и пылинок. Методика оказалась не самой удачной, так как не позволяла разделить загрязнители на составляющие, но могла показать места, где есть проблема.

С появлением более точных приборов космонавты стали изучать преломление звезд. Свет в среде имеет более низкую скорость, чем в вакууме, причем разную в разных газах. При прохождении через границу раздела между веществами излучение меняет угол направления движения, как будто натыкаясь на преграду. По углу смещения несложно рассчитать коэффициент преломления, а по нему определить примерный состав атмосферы. Правда, есть несколько трудностей – преломление зависит от температуры. Более теплый и разреженный воздух искажает луч меньше, чем холодный. Тем не менее космонавты много изучали принцип и развивали методику. Ими даже был обнаружен эффект линзы. При наблюдении через воздух другой плотности объекты на Земле выглядят больше. Собственно, это происходит из-за преломления в более плотной среде, которая изменяет ход движения света так же, как это делает линза из стекла. Такое часто происходит над городами, где из-за автомашин и заводов значительно больше выбросов углекислого газа.

Над некоторыми населенными пунктами, например над Лос-Анджелесом, Пекином и некоторыми другими городами, отчетливо видны целые облачные образования на обычных фотографиях, полученных из космоса.

Главным интересующим людей на Земле явлением, вызванным содержанием в атмосфере углекислого газа СО₂ и метана СН₄, является парниковый эффект и, как следствие, глобальное потепление. Для видимого света эти вещества прозрачны, но они полностью поглощают тепловое инфракрасное излучение. То есть в виде света энергия от Солнца нагревает поверхность планеты. Та в процессе остывания излучает инфракрасный свет. Но углекислый газ и метан не выпускают эту энергию и сохраняют ее в атмосфере. Они, как шуба, не дают Земле остыть. Однако когда жарко, мы стремимся снять с себя теплые зимние вещи. Вот только планета парниковые газы сбросить не может. В итоге средняя температура повышается, и это оказывает влияние на климат. Однако неправильно думать, что погода становится более теплой. Иногда одна область прогревается, вода там активно испаряется и забирает тепло, поднимается в виде облаков и закрывает собой Солнце. Холодный воздух, например, остывший за ночь, вытесняет поднявшийся теплый. В итоге температура заметно снижается. Глобальное потепление приводит к резкому перепаду температур и возрастанию числа крупных климатических аномалий.

Чтобы выделить источники загрязнений, проводятся различные исследования. К сожалению, углекислый газ быстро рассеивается, и потому выявлять точные источники выбросов не так просто.

Одним из самых эффективных оказался эксперимент MAST. Он был посвящен оценке влияния выбросов морских судов на свойства облаков в ближайшей к морской трассе окрестности. Визуально эффект наблюдается в виде яркой линии в облаках, соответствующей пути судна. Углекислый газ приводит к конденсации влаги и образованию пара.

Другое исследование – «Русалка» – использовало метод спектрального анализа по отраженным и поглощенным длинам волн. В нем регистрируется и разделяется на линии свет в диапазоне от 0,76 до 1,7 микрометра. Прибор направляют строго на блик от Солнца, а калибровку и сравнения проводят наблюдением за Солнцем. Чем больше поглощение в регистрируемом диапазоне на определенных длинах волн, тем выше концентрация СО₂ и СН₄. Точность вычисления распределения углекислого газа и метана составляет три километра.

Выяснилось, что количество углекислого газа в атмосфере меньше, чем выбрасывается предприятиями. Соответственно, существуют механизмы поглощения, например растворение в воде. Однако это не повод расслабиться. При повышении температуры углекислый газ будет выделяться обратно. Тогда с ростом температуры из-за глобального потепления концентрация будет расти в геометрической прогрессии.

Другая проблема – глобальное потемнение. Атмосфера наполняется большим количеством пыли и аэрозолей. Эти частички отражают солнечный свет. Меньше энергии идет на нагрев планеты и на развитие растений. Эффект отлично чувствуют жители Азии. Правда, другие регионы планеты ощущают это в меньшей степени. Глобальное потепление оказывает более сильный эффект на климат, а глобальное потемнение частично компенсирует его по температуре. Для растений света пока хватает. Тем не менее космические данные отчетливо говорят о повышении отражательной способности планеты. За пятьдесят лет исследований количество света уменьшилось на 5 %. Некоторые чувствительные к свету водоросли уже реагируют и уменьшают свою биомассу.

Также по данным с космических аппаратов удалось связать потемнение с конкретными климатическими изменениями. Так, в 1984 году значительно уменьшилось количество муссонов, что привело к засухе и голоду в Африке. Без солнечного света уменьшилось испарение влаги и, соответственно, количество осадков. В тот год было зарегистрировано максимальное увеличение количества аэрозолей – мелких твердых частиц в атмосфере – за десятилетие. В дальнейшем оно снижалось до 1991 года. Тогда, кстати, значительно выросло глобальное потепление, так как его ничего не маскировало. В дальнейшем произошло несколько крупных извержений вулканов, после которых стало ясно, что они являются основными природными источниками аэрозольного слоя. Газ, выделяемый ими в стратосферу, превращается в капельки серной кислоты, отражающие тепло и блокирующие солнечное излучение. Немалую роль играют промышленные выбросы, особенно серных соединений и сажи от несгоревших углеводородов. С началом XXI века был взят курс на снижение атмосферного загрязнения предприятиями, и с тех пор значительных изменений в глобальном потемнении не наблюдалось.

Сначала исследования аэрозолей проходили во время заходов и восходов Солнца. На станции «Салют‐6» космонавты Гречко и Романенко обнаружили значительные скачкообразные изменения показателя преломления света в виде «ступенек». На лунном диске также видны потемнения в определенных местах. Звезды при наблюдении сквозь атмосферу «мигают». Это видно и на Земле. Лучи от точечных источников приходят в глаз разными путями в разные моменты времени. Иногда свет блокируется пылинками. На Земле это прекрасно видно ночью, но с поверхности сложно сделать выводы о содержании аэрозолей. С орбиты мерцание видно только тогда, когда на пути света есть неоднородности атмосферы Земли. Легко сравнить потемнения звезд на разных углах к горизонту и оценить концентрацию загрязнителей. Сейчас чаще используются лидары. Луч от лазера отражается от аэрозолей, и чем их больше, тем лучше отражение.

На шаттле Discovery STS‐64 астронавты использовали этот точный прибор. Аэрозольный лидар «Алиса» чуть позже появился на станции «Мир». В 1995 году ООН запросило проведение исследований загрязнения планеты. Тогда еще один похожий инструмент под названием «Балкан» появился на орбитальном комплексе после стыковки с ним модуля «Спектр».

Он позволял определить не только положение взвешенных частиц, но также высоту распространения и концентрацию. На МКС есть мощный лидар CATS. Также существует отдельный спутник CALIPSO. Это оборудование может не только проверить уровень пыли, но и способно определять рельеф.

С накоплением данных по отражающей особенности разных участков поверхности стали возможны и прямые наблюдения. Например, сейчас проводится эксперимент «Фон».

Стоит отметить, что иногда разные, не связанные с изучением атмосферы Земли исследования помогали открыть что-то новое. Яркий пример – неожиданные результаты эксперимента «Тест». Он начался в 2010 году с целью изучить процессы, которые проходят между корпусом Международной космической станции и ее теплозащитным покрытием. Это область МКС, которая защищена от перепада температур. Если бы на Земле в этот слой могло бы попасть загрязнение, например бактерии, то они стали бы там размножаться и оказывать влияние на корпус. Для сравнения космонавты взяли пробы не только из интересующего слоя, но и с внешней части теплозащитного покрытия, то есть со стороны открытого космоса. И там нашли живые организмы. В условиях отсутствия воздуха, перепада температур от –180 °C до +150 °C, сильного потока радиации жили бактерии, споры грибов, рачки и тихоходки. В данном случае ученых интересовало, как эти организмы попали на МКС. Это не инопланетяне, а очень даже земные организмы. Тихоходки вполне могли прилететь верхом на станции или на ракете-носителе. Они живут везде на планете, в том числе на космодромах. Однако исследования некоторых организмов показали, что изначальный ареал обитания одних располагается в Баренцевом море, а других – в почве Мадагаскара. Случайно они никак не могли попасть в космос. Некоторую подсказку дал химический анализ загрязнителей. Дело в том, что МКС пачкается со временем, что отлично видно. Согласно изначальным предположениям ученых грязь образуется из-за отходов двигателя или системы жизнеобеспечения. Для исследования этого вопроса тоже было проведено взятие проб. В них нашли, помимо перечисленного, рений. Этот химический элемент не используется нигде на космической станции, да и сам он очень редкий на Земле. Много рения обнаруживается при извержении вулканов. Этот факт породил теорию, что при извержениях из недр земли рений и другие вещества, в том числе и живые организмы-экстремофилы, самостоятельно набирают необходимую скорость, преодолевают притяжение планеты и выходят на орбиту, а там уже и встречаются с МКС. Есть и другое мнение: возможно, химический элемент прикрепился к ракете, ведь как раз рядом с космодромом в медных песчаниках один раз удалось найти минерал, содержащий рений. Его назвали джезказганит – по названию населенного пункта неподалеку от места обнаружения. Однако в связи с отсутствием таких находок на протяжении последующих шестидесяти лет ученые высказывают большие сомнения, что этот минерал действительно новый и содержит рений.

Пока есть только гипотезы насчет попадания загрязнителей в космос, но исследования будут иметь принципиальное значения. Во-первых, станут лучше понятны атмосферные, экологические и геофизические процессы, а во‐вторых, такой способ перемещения живых организмов через космическое пространство может пролить свет на происхождение жизни на Земле. Еще один «неожиданный» химический элемент на МКС – гольмий. На Земле он крайне редок, а шанс попасть хоть самым мизерным его долям на орбиту чудовищно мал. Нет гипотез, как такое могло произойти, разве что он прилетел из другой звездной системы. Дело в том, что астрономам известна звезда Пшибыльского в созвездии Центавра. Самое необычное ее свойство – содержание огромного числа крайне редких элементов. Некоторые исследователи говорят, что в этой звезде гольмия больше, чем во всей остальной наблюдаемой Вселенной. Шанс, что редкое вещество прилетело с расстояния 480 световых лет и осело на МКС, исчезающе мал, но вариантов лучше пока нет. Возможно, дальнейшие космические исследования приоткроют завесу тайны.

Неожиданным применением космических исследований стали поиски археологических объектов.

Так, над Персидским заливом был заснят район древнего города-крепости Убар, известного как «Атлантида песков». Пять тысяч лет назад Убар был центром торговли благовониями. Этот город упоминается в Коране, но немногие ученые верили в его существование. В 1984 году были проведены радарные исследования. На полученных снимках среди пустыни была замечена паутина тончайших линий, сходящихся в одной точке. Это оказались стены утерянной исторической крепости.

За два года до этого, в 1982‐м, произошла забавная история. Голливудский режиссер Николас Клэпп позвонил в американское космическое агентство NASA и попросил предоставить фотографии со спутников для поиска мифического города Ирама. Это легендарное место, согласно многим древним источникам, было богатейшим в Аравии в III тысячелетии до нашей эры. В Коране указано, что Ирам был уничтожен, так как его жители прогневили Аллаха.

Естественно, в NASA не поверили в эту затею сразу, приняв ее за розыгрыш, но все же отсмотрели данные радара шаттла Challenger. Радиоволны смогли проникнуть сквозь песок и показать наличие под ним притоптанных многочисленными караванами дорог, которые сходились в одну точку. При этом место соединения, которое располагалось недалеко от оманской деревни Шиср, имело следы, напоминающие провал после сильного землетрясения. Археологи направились в указанную точку и там под 100‐метровой дюной нашли руины небольшого древнего поселения. Споры, является ли это место тем городом Ирамом или это совсем другой регион, еще идут, но точно известно, что космические данные помогли обнаружить находку, а также дали режиссеру материалы для создания произведения искусства. В 1994 году состоялось большое исследование геоглифов недалеко от древнего перуанского города Наска. На небольшой территории есть множество узоров, вытоптанных в земле древней цивилизацией. Первые такие изображения удалось найти в 1939 году, но из космоса их было обнаружено порядка 130. Некоторые из них напоминают животных, но есть и нечто, что в прессе именовали «инопланетным космодромом». Хотя это маловероятно, но действительно геометрия многих линий соответствует положению звезд на небе. Возможно, это древняя обсерватория.

Как оказалось, не только в Америке есть геоглифы. В 2007 году казахстанец Дмитрий Дей искал в степи пирамиды, а обнаружил на спутниковых снимках древний рисунок, названный Уштогайским квадратом. Открытие послужило поводом для большого исследования исторических узоров в степи. Они очень большие – 400 метров в поперечнике – и видны только из космоса. Они представляют собой выкопанные траншеи с установленными в некоторых местах камнями. Возраст сооружений оценивается 8000 годом до нашей эры. Это всегда простые геометрические фигуры. Возможно, они являлись некими сооружениями древних жителей.

Спутниковые данные с аппаратов КН‐7 и КН‐8 помогли обнаружить логистические пути в древней Месопотамии. Ландшафт в районе древнего города Хамукара пересечен неглубокими линейными впадинами. Когда четыре тысячи лет назад люди и их животные шли по этим тропам от своих поселений к полям и пастбищам, они заставляли землю уплотняться и погружаться в окружающий грунт. Сегодня эти особенности видны как небольшие углубления или как скопления сорняков. В углубления попадает вода, которая стимулирует бурный рост. Эти особенности почти не видно на Земле, но на космических снимках заметить их можно. К тому же важно, что удалось отследить наличие этих линий на кадрах, сделанных в разные годы. Следы 4000‐летней давности должны быть на всех снимках. Это позволило исключить текущую хозяйственную деятельность человека. Тем же способом удалось обнаружить несколько гончарных заводов, мегалитических гробниц и археологических памятников на севере Сирии. Рядом с древней крепостью Джебель-Халид проходило пересечение культур кочевников и оседлых скотоводов, оставивших своей тысячелетней деятельностью следы, которые и удалось обнаружить на старых спутниковых кадрах.