ЭТО ИНТЕРЕСНО!
17:25 / 15 апреля 2024
161

Какие эксперименты проводят в космосе, и почему они важны для Земли

Международная космическая станция (МКС) — это не только жилище для космонавтов, но и лаборатория с уникальными условиями для специалистов разных профилей — от биологов до производителей газировок.

МКС находится на высоте 400 км над уровнем моря, а скорость ее движения составляет 36 тыс. км в час. Этого хватает, чтобы совершать оборот вокруг Земли каждые 90 мин. Получается, что члены экипажа (в 2024 году на станции находятся семь человек) наблюдают 16 восходов и закатов в день.

Первый модуль МКС вышел на орбиту с космодрома Байконур (Казахстан) в ноябре 1998 года. За время существования международной станции ученые провели на ней более трех тысяч экспериментов.

Большинство космических испытаний спонсируют Национальные лаборатории МКС. А результаты таких исследований приносят пользу людям по всему миру. Некоторые из них послужили основой для перспективных методов лечения рака, улучшили понимание процесса старения и позволили получить уникальные материалы. Хотя порой на МКС ставятся и шуточные эксперименты. Астронавты выяснили, например, какую траекторию в условиях микрогравитации может пролететь игрушка Angry Birds в погоне за надувной свинкой, укравшей ее яйца.Мы собрали несколько важных исследований последних лет, результаты которых уже влияют или будут влиять в недалеком будущем на различные сферы нашей жизни — от разработок лекарств до предотвращения катастроф

Эксперимент в космосе: за и против

Главный недостаток экспериментов, проводимых за пределами Земли, — их космическая стоимость. Цены опытов на МКС могут сильно разниться. По данным на 2020 год, затраты на один эксперимент с учетом отправки материалов на станцию и обратно составляют примерно $7,5 млн. Из-за высокой стоимости экспериментов у исследователей часто есть лишь одна попытка получить результат. Кроме того, внеземная среда очень агрессивна для человека: без защиты озонового слоя радиация становится опасной не только для людей, но и для всего оборудования — от электроники до космического корабля. Астронавты, находящиеся на МКС и в открытом космосе шесть месяцев, подвергаются облучению, эквивалентному примерно 1 тыс. рентгенограмм (снимков) грудной клетки.

Несмотря на эти сложности, доступ к устойчивой микрогравитации, или несущественной гравитации, — это уникальная возможность для ученых. Агрессивные условия позволяют изучать явления, создание которых на Земле стало бы трудной или даже невыполнимой задачей. В таких условиях исследователи могут разрабатывать новые технологии и материалы, которые затем можно перенести в земные условиях.

Все аспекты нашей жизни подвержены влиянию гравитации: от нее зависит плотность наших костей и работа мышц. Сила притяжения подсказывает растениям, в каком направлении они должны расти. Устранение гравитации дает биологам уникальные знания о реакции всех форм жизни на новые стрессы.

Многие физико-химические процессы, такие как кипение, плавление, смешивание жидкостей и газов или кристаллизация белков, также протекают иначе без влияния гравитации. Например, в условиях незначительной гравитации горячий воздух не поднимается вверх, из-за чего пламя сворачивается в сферу. Микрогравитация влияет на экспрессию генов всех живых организмов — от человека до бактерии. Исследования в такой среде используются в регенеративной медицине, тканевой инженерии и многих других областях. Регенеративная медицина позволяет восстанавливать пораженные ткани с помощью активации стволовых клеток или пересадки клеток донора. А тканевая инженерия использует имплантаты разного типа для замещения вышедших из строя тканей или органов. Перспективные направления для развития производства в космосе, по мнению многих экспертов, — это 3D-печать, создание высокочистых кристаллов и лекарств.

Хотя симуляцию микрогравитации можно воссоздать и в наземных условиях, она длится недолго и не воспроизводит все условия космической среды. Это хороший полигон для исследований, которые впоследствии перенесут на борт Международной космической станции. В орбитальной лаборатории микрогравитация всегда устойчивая: МКС непрерывно падает вокруг Земли по почти идеальному кругу.

1. Лекарство от рака

Космическая среда широко используется специалистами для тестирования новых методов лечения рака. Например, биофармацевтическая компания Merck Sharp & Dohme Corp. использовала орбитальную лабораторию, чтобы проверить воздействие микрогравитации на кристаллизацию противоопухолевого лекарства пембролизумаб (торговое название — Keytruda).

Используя условия микрогравитации, ученые получили кристаллические суспензии более высокого качества, с лучшим распределением лекарства. Суспензии получились более гомогенными и менее вязкими с распределением частиц одинакового размера 39 мкм. А в результате наземных экспериментов ученые получили кристаллическую суспензию с неоднородным распределением частиц разного размера — от 13 до 102 мкм.


Верхняя панель — образец из наземного эксперимента. Нижняя панель — изображение суспензии, полученной на МКС
Верхняя панель — образец из наземного эксперимента. Нижняя панель — изображение суспензии, полученной на МКС (Фото: журнал Nature)

Результаты испытаний на МКС показали, что эффективность препарата можно повысить, используя вращающиеся смесители для более однородного и равномерного распределения активного вещества в препарате.

2. Хрящи и железо прямо из космоса

Эксперименты с 3D-печатью проводятся на МКС давно: 17 ноября 2014 года астронавт NASA Барри Уилмор провел здесь тестовую 3D-печать. С тех пор 3D-принтер использовался на станции для печати инструментов, запчастей, медицинских приборов и человеческих тканей.

Большие ожидания компаний, занимающихся 3D-печатью органических тканей, связаны с микрогравитацией. В условиях земной гравитации изделия растекаются, и печатать клетки удается только с помощью добавления специальных веществ. А эти вещества, в свою очередь, снижают качество и жизнеспособность отпечатанных тканей.

Учитывая это, американская компания Redwire в 2023 году организовала 3D-печать тканей человеческого организма в космосе. В июле того же года прибор произвел мениск колена (хрящевая прокладка) из человеческих клеток, который доставил на Землю 4 сентября экипаж миссии Crew-6. После изучения напечатанного органа специалисты объявили, что мениск анатомически правильной формы. В ноябре 2024 года компания планирует напечатать на МКС ткани сердечной мышцы.


3D-принтер от Redwire и напечатанная часть мениска
3D-принтер от Redwire и напечатанная часть мениска (Фото: Redwire)

А в январе 2024 года на корабле Cygnus NG-20 на орбиту был отправлен новый 3D-принтер Европейского космического агентства (ЕКА) для производства металлических изделий.

Технический директор ЕКА Роб Постема отметил, что интерес к производству в космосе постоянно растет: «3D-принтеры на основе полимеров уже были запущены на МКС и использовались на борту. В них применялся пластик, который нагревался в головке принтера, а затем послойно наносился на поверхность для создания объекта. Металлическая 3D-печать устроена технически сложнее: она предполагает гораздо более высокие температуры и расплавление металла с помощью лазера. При этом необходимо обеспечить безопасность экипажа и самой станции. Возможности обслуживания же весьма ограничены. Однако в случае успеха прочность, электропроводность и жесткость металла позволят поднять потенциал космической 3D-печати на новую высоту».


Печать деталей прямиком в космосе — важный шаг на пути к длительным межпланетным экспедициям. Если эксперимент пройдет успешно, это позволит космическим агентствам печатать. что нужно, прямо на МКС, без необходимости пополнять запасы с Земли. Металлическая 3D-печать также может помочь в строительстве лунной базы с использованием переработанных материалов или преобразованного реголита (лунного грунта).

3. 4D-биопечать на МКС

В марте 2024 года российские испытатели доставили на МКС технику для 4D-биопечати от российской компании 3D Bioprinting Solutions. 4D-технология отличается от предшественника не методом печати, а материалами. Они, в отличие от «чернил» для 3D-печати, меняют свои свойства со временем под воздействием внешних факторов. В космических условиях технология 4D-биопечати позволит получать искусственные эквиваленты трубчатых органов — пищевода, мочеточников и бронхов.


Образец принтера от 3D Bioprinting Solutions
Образец принтера от 3D Bioprinting Solutions (Фото: 3D Bioprinting Solutions)

Юсеф Хесуани, управляющий партнер 3D Bioprinting Solutions:

«Эти изделия могут стать основой для конструкций в области регенеративной медицины, ортопедии, костной пластики, а также других областей науки.

Для эксперимента по 4D-биопечати, проводимого на российском сегменте МКС, мы использовали материалы на основе нитинола (сплав никель-титан). Из этого материала формировались трубчатые тканеинженерные конструкции. Исследование проводилось для того, чтобы попробовать технологии изменения формы напечатанного конструкта в условиях микрогравитации.

К началу апреля завершена бортовая часть эксперимента, контейнеры с биоматериалом упакованы для транспортировки, и мы ожидаем отправку образцов на Землю для проведения гистологических исследований полученных образцов».


После транспортировки на Землю ученые оценят характеристики тканеинженерной конструкции и их функциональное соответствие органам.

4. Главный радиотелескоп для Земли

Одним из российских проектов, удачно реализованных в космосе, считается комплекс «Радиоастрон». Его вывели на орбиту в 2011 году, а завершил он свою миссию в 2016 году. «Радиоастрон» состоял из сети наземных радиотелескопов и одного космического — «Спектр-Р». Последний похож на гигантский железный цветок с трехметровым зеркалом в центре и 27 панелями-лепестками. Телескоп доставили на орбиту сложенным, а затем все панели синхронно раскрылись. Орбитальный аппарат с антенной диаметром 10 м стал крупнейшим космическим радиотелескопом. По этому поводу его даже включили в книгу рекордов Гиннеса.


Радиотелескоп «Спектр-Р» в раскрытом и сложенном состоянии
Радиотелескоп «Спектр-Р» в раскрытом и сложенном состоянии (Фото: laspace.ru)

«Радиоастрон» проводил интерферометрические наблюдения (применяется для исследования структуры космических источников излучения. — «РБК Тренды»):

  • активных ядер галактик (центры галактик, самые долгоживущие и яркие объекты во Вселенной. Внутри этих центров происходят взрывные процессы с большим высвобождением энергии — прим. «РБК Трендов»)
  • пульсаров (космический источник импульсного электромагнитного излучения, по-другому, нейтронная звезда. — «РБК Тренды»),
  • квазаров (космическое тело сравнительно небольшого размера, один из самых сильных источников радиоизлучения. — «РБК Тренды»),
  • межзвездных газовых облаков (скопления газа, плазмы и пыли в нашей и других галактиках. — «РБК Тренды»).

Благодаря программе исследователи провели более 4 тыс. наблюдений. Радиотелескоп обнаружил квазар 3C273, яркость которого в 10–40 раз превышала теоретически возможную и составляла 10–40 трлн К (кельвинов). До этого открытия ученые предполагали, что такие космические объекты не могут светить ярче, чем в 500 млрд кельвинов. Результаты «Спектра-Р» показали необходимость переосмыслить природу квазаров.


Александр Хохлов, член Санкт-Петербургской организации Федерации космонавтики России:

«Радиоастрон» — проект российского орбитального радиотелескопа — можно назвать одним из редких успешных кейсов среди отечественных космических исследований. Он работал несколько лет с различными радиотелескопами мира, словно это был один большой радиотелескоп. Его успехи в изучении Вселенной в радиодиапазоне были бы недостижимы без участия разных стран.

Сейчас такой проект был бы невозможен. Это отчасти видно по судьбе российского орбитального телескопа с участием Германии — «Спектра-РГ». Весной 2022 года из-за санкций он был отключен. На борту аппарата работали два телескопа: ART-XC (Россия) и eROSITA (Германия). Они позволяли строить карту Вселенной в рентгеновском диапазоне — это невозможно сделать на Земле из-за непрозрачности атмосферы для рентгеновского излучения».


5. Борьба со старением иммунитета

Космические условия негативно отражаются на здоровье участников экспедиций. В некотором смысле жизнь в космосе воссоздает процесс старения в быстрой перемотке: космонавты часто сталкиваются с потерей мышечной и костной массы, ослаблением защитных функций организма. Эти симптомы очень похожи на последствия старения на Земле. Поэтому космические исследования помогают быстрее изучить последствия старения, способствуя разработке новых лекарств и схем лечения.


Астронавты Скотт и Марк Келли
Астронавты Скотт и Марк Келли (Фото: NASA)

В проекте NASA «Эксперимент близнецов» участниками стали пятидесятилетние близнецы-астронавты Скотт и Марк Келли. Благодаря генетической идентичности и схожему физическому состоянию братьев исследователи смогли оценить, как долгое пребывание в космосе сказывается на организме человека.

Скотт Келли прожил на МКС 340 дней с 2015-го по 2016 год. Все это время Марк находился на Земле. Участники эксперимента регулярно проходили диагностику, а после того как корабль Скотта Келли вернулся на Землю, астронавт прошел серию медицинских исследований. Их результаты опубликовали 12 апреля 2019 года в журнале Science. У Скотта по сравнению с Марком наблюдалось ухудшение зрения, потеря веса и повышенная частота мутаций ДНК. Ухудшение зрения часто (до 40% случаев) наблюдается у астронавтов во время полетов. Ученые связывают это с увеличением давления цереброспинальной жидкости в головном мозге. Из-за невесомости отток жидкости из мозга уменьшается, а внутричерепное давление увеличивается и может вызвать отек зрительного нерва и кровеносных сосудов, а еще — деформировать глазные яблоки. Через полгода после окончания эксперимента у Скотта наблюдалось нарушение работы 811 генов. Преимущественно, экспрессия этих генов была связана с работой иммунитета. Работа около 7% всех измененных генов Скотта так и не нормализовалась после возвращения на Землю.

Эти данные помогли понять, с какими генетическими мутациями могут столкнуться участники космических экспедиций и на что в первую очередь обращать внимание при подготовке к полету.


6. Пылевая плазма в борьбе с инфекцией

В 2001 году российский космонавт Сергей Крикалев провел серию экспериментов с комплексной (пылевой) плазмой на МКС. Результатом стало создание холодной плазмы (ионизированный нейтральный газ, применяется в медицине и косметологии) комнатной температуры, способной уничтожать болезнетворные бактерии, вирусы и споры, не влияя на собственные клетки организма.

Исследователь использовал преимущества невесомости для изучения комплексной плазмы. На Земле такие эксперименты не имели успеха, поскольку под действием гравитации кристаллы в плазме меняют форму. Открытие космонавта было настолько важным, что какое-то время после обнародования его результатов в отечественном научном сообществе и СМИ предполагали, что оно принесет Крикалеву Нобелевскую премию.


Сергей Крикалев на МКС
Сергей Крикалев на МКС (Фото: Европейское космическое агентство (ESA))

Хотя этого до сих пор не произошло, холодная плазма применяется в мире для предотвращения кожных и раневых инфекций. Открытие Крикалева помогло выпустить компании Terraplasma Medical в 2020 году портативные устройства с холодной плазмой, которые ускоряют процесс заживления и предупреждают развитие инфекции. Труднозаживающие раны дорого обходятся системам национального здравоохранения. Плазмотерапия, по версии CORDIS (программы ЕС по информационным услугам в области исследований и разработок) позволила сэкономить на лечении ран, способствуя ранней выписке из больниц, сокращению частоты перевязок и ускорению процессов заживления.

7. Космическая ферма

В 2014 году на МКС в рамках миссии SpaceX была доставлена система для выращивания овощей в космосе Veggie. С ее помощью исследователи смогли изучить процесс произрастания семян в условиях космоса. А еще система добавила в рацион экипажа свежие овощи и листовую зелень.

Сад Veggie размером примерно с небольшой чемодан обычно вмещает шесть растений, каждое из которых растет на подушке из глины и удобрений. Он помогает равномерно распределить воду, питательные вещества и воздух.


Фотография букета космических цинний на МКС, сделанная астронавтом Скоттом Келли
Фотография букета космических цинний на МКС, сделанная астронавтом Скоттом Келли (Фото: NASA)

В системе Veggie используется блок светоизлучающих диодов (LED) со спектром света, подходящим для растений.

Научный сотрудник проекта NASA Life Sciences и главный исследователь VEG-05 Джойя Масса (Gioia Massa) считает, что космическое садоводство принесет пользу для будущих космических экспедиций: «Мы изучаем общее влияние выращивания, ухода и употребления в пищу сельскохозяйственных культур на поведение членов экипажа. Все это позволит получить ценные данные для будущих космических исследований».

8. Оползни: вид из космоса

МКС позволяет ученым наблюдать за различными объектами на Земле, атмосферными явлениями и природными катастрофами с разных ракурсов и при различном освещении.

С 2022 года группа исследователей из Калифорнийского университета в Сан-Диего вместе с Национальным научным фондом США (NSF) использует эту возможность для изучения причин возникновения оползней после лесных пожаров. Чтобы проследить за движением масс грунта и понять, когда и как они превращаются в опасное природное явление, исследователи смоделировали искусственный оползень в условиях микрогравитации: они запустили на орбитальной лаборатории поток частиц песка, смешанных с воздухом и водой.

«Когда частицы воздуха и воды смешиваются в почве после лесных пожаров, она приобретает пенообразную консистенцию, на которую сильно влияет гравитация, заставляющая ее спускаться с гор, — объяснила Ингрид Томак, профессор факультета строительной инженерии Калифорнийского университета. — Устранив гравитацию, мы сможем лучше понять, какую роль она играет в возникновении оползней на Земле».

Селевые потоки возникают внезапно, их трудно предсказать, а последствия от них могут быть катастрофическими, включая гибель животных и людей, разрушение домов и повреждение городской инфраструктуры. Понимая, как гравитация влияет на возникновение оползней, ученые смогут разработать систему раннего предупреждения о надвигающемся бедствии.



Обновлено 12.04.2024
Текст
Ирада Садраева
РБК


Похожие материалы

Раздел не найден.

Погода на сегодня
Предложите новость
CAPTCHA

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку пользовательских данных (IP-адрес; версия ОС; версия веб-браузера; сведения об устройстве; разрешение экрана и количество цветов экрана; наличие программного обеспечения для блокирования рекламы; наличие Cookies; наличие JavaScript; язык ОС и Браузера; время, проведенное на сайте; действия пользователя на сайте) в целях определения посещаемости сайта с использованием интернет-сервиса Яндекс.Метрика.