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.

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.

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.

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.

«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.

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.

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.

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.