Научные эксперименты

Сколько раз мы слышали по новостям, что космонавты удачно выполнили ряд экспериментов. Даже космические туристы хотят оказаться полезными для науки и тоже над чем-нибудь экспериментируют в космосе. А что такое эксперимент? Почему без этого слова не может обойтись космическая деятельность? Эксперимент — это проверка какого-либо предположения на практике при одних и тех же условиях. Но если один раз эксперимент удался, не значит, что он успешен. Нужно провести его многократно. И если результаты окажутся близкими, тогда можно с уверенностью говорить об успехе эксперимента.

Очень продуктивной была научная работа на орбитальном комплексе «Мир». За 15 лет его полета, несмотря на нештатные ситуации, выполнено более 31 200 сеансов экспериментов по ряду направлений научных исследований — техническим, медицинским, астрофизическим, а также осуществлены эксперименты в области материаловедения и биотехнологий. За этот период получены новые результаты, внесшие большой вклад как в фундаментальную отечественную науку, так и имеющие существенную практическую значимость с точки зрения их внедрения в различные отрасли народного хозяйства, образования, здравоохранения, развития и совершенствования космических средств. Суммарная масса возвращенных грузов с результатами экспериментов превысила 4700 килограммов.

В технической области отработана технология сборки ферменных и пленочных крупногабаритных конструкций, методы и средства проведения ремонтно-восстановительных работ для продления ресурса станции.

Главным итогом медицинских экспериментов является то, что мы научились сохранять здоровье и работоспособность экипажей в условиях космического полета, создана система медицинского обеспечения полетов продолжительностью до полутора лет, позволяющая уже в наше время осуществить межпланетные путешествия. Результаты исследований и аппаратурные средства внедрены в общемедицинскую практику и используются в МЧС. Сюда входят методы диагностики и лечения, профилактики и реабилитации. Примером больших достижений служит, в частности, телемедицина. Фактически вся диагностика в условиях космического полета, когда врач и пациент находятся на значительном расстоянии — до 420 километров, строится именно на этой технологии. Она уже была использована при катастрофах, когда необходимо было срочно передавать медицинские данные в лечебные центры страны.

В области биотехнологий доказана возможность проведения процессов тонкой очистки и разделения белковых биопродуктов с производительностью в сотни раз выше, чем на Земле. Наука обогатилась новыми знаниями по клеткам, белкам и вирусам, получены опытные партии новых лекарственных препаратов, а также выделены высокоактивные вещества для производства антибиотиков, применяемых в животноводстве.

В области материаловедения отработаны базовые технологии производства полупроводниковых материалов и получены образцы, по физическим характеристикам превосходящие земные аналоги, что подтвердило целесообразность организации опытно-промышленного производства полупроводниковых материалов в космосе.

Астрофизические исследования обнаружили жесткое рентгеновское излучение сверхновой 1987А, были открыты и детально исследованы рентгеновские источники, получившие название KS (Kvant Source), детально исследован центр Галактики.

В процессе эксплуатации орбитального комплекса «Мир» осуществлялась систематическая работа по исследованию земной поверхности, экологическому мониторингу и съемке различных участков земной поверхности с накоплением данных. Научная программа по дистанционному зондированию Земли была обширна, она касалась не только исследования поверхности суши, но и океана, атмосферы и решений экологических проблем. Аппаратура, которой был оснащен модуль «Природа», позволяла наблюдать состояние земной поверхности в любое время суток, независимо от погоды и освещения.

Вот лишь несколько примеров уникальных экспериментов, проведенных на орбитальном комплексе «Мир».

Эксперимент «Свет»

Эксперимент «Свет» проводился на транспортном грузовом корабле «Прогресс-30», пристыкованном к ОК «Мир» с 21 мая по 19 июля 1987 года. Его целью было получение опытных данных для подтверждения технической возможности и оценки целесообразности создания космической линии связи в оптическом диапазоне волн. На грузовом корабле был установлен комплекс целевого оборудования массой около 600 килограммов.

Было успешно проведено более тридцати сеансов связи, в ходе которых оптический сигнал принимался аппаратурой, установленной на двух кораблях, которые располагались в Тихом и Атлантическом океанах. В процессе проведения экспериментов сигнал, переданный с борта грузового корабля, впервые был зарегистрирован погружаемыми приемными устройствами на глубине около 50 метров под водой.

Эксперимент «Знамя-2»

Эксперимент «Знамя-2» должен был подтвердить идею, которая была высказана еще в 1920-х годах Ф. А. Цандером, о передаче с помощью плоских космических отражателей энергии Солнца на Землю. Для эффективного использования отражателей их площадь дол, сна быть размером до 10 тысяч квадратных метров. Поэтому разработчики эксперимента столкнулись с проблемой — как при таких площадях минимизировать массу отражателя и обеспечить успешное автоматическое его раскрытие из транспортного положения?

На тот момент развития техники этим условиям лучше всего отвечали отражатели, выполненные из полимерной металлизированной пленки, развертывание которых происходило бы за счет центробежных сил, создаваемых путем вращения отражателя вокруг оси, перпендикулярной его плоскости.

Эксперимент проводился с использованием агрегата раскрытия солнечного отражателя, установленного на транспортном грузовом корабле «Прогресс М-15», запуск которого к ОК «Мир» состоялся 27 октября 1992 года.

24 февраля 1993 года после расстыковки «Прогресса М-15» с ОК «Мир» и пересечения терминатора начался эксперимент. Корабль ориентировался с учетом направления отраженного солнечного света в подспутниковую точку при пролете над неосвещенной поверхностью Земли. Космонавты на «Мире» должны были наблюдать на земной поверхности и регистрировать пятно отраженного отражателем света. Анализ информации, которая была передана на Землю, позволил сделать выводы о правильности принятых технических решений и перспективности направления использования солнечного паруса для решения задач ретрансляции энергии, теле- и радиосвязи, освещения Земли отраженным солнечным светом, очистки космоса от осколков и для межпланетных перелетов под солнечным парусом.

Эксперимент «Оранжерея»

В процессе полета ОК «Мир» были проведены эксперименты по выращиванию и содержанию растений в условиях космического полета, что важно обеспечения длительных межпланетных полетов. Эксперимент проводился с 1988 по 1999 год.

Результаты экспериментов, полученные на станции «Мир», уникальны, так как растения с длительным циклом развития прошли полный цикл от семени до семени в условиях космического полета. Было доказано, что высокоорганизованные растения могут расти и размножаться в космосе, а микрогравитация не ограничивает их развитие. Главное отрицательное влияние на их развитие оказывают фактор замкнутого объема и содержание в среде различных загрязнений, которые безопасны для человека, но вредны для растений, что требует проведения контроля среды.

Эксперимент «Перепел»

В процессе работы ЭО-27 (В. М. Афанасьев, Жан Пьер Эньере, И. Белла) был завершен биологический эксперимент «Перепел» по выращиванию эмбрионов японского перепела.

Первый эксперимент с перепелиными яйцами проводился на ОК «Мир» в 1990 году. Именно тогда первым живым существом, родившимся в космосе, стал перепеленок, пробивший скорлупу пестренького серо-коричневого яичка 22 марта 1990 года в специальном космическом инкубаторе. Это была сенсация. Для экспериментов японские перепела были выбраны не случайно. Несмотря на то, что они значительно меньше кур по своей массе (взрослая особь весит всего-то около 100 граммов), их масса, приходящаяся на единицу корма, значительно выше куриной. Яйца же перепелиные хоть и маленькие, но очень вкусные, и по питательной ценности не уступают куриным яйцам. Помимо того, они содержат лизоцим — вещество, укрепляющее иммунную систему. Важно, перепел не болеет. Температура тела птицы около 4 ГС, а сальмонелла гибнет, как известно, при температуре 38 °C. Японским перепелам не требуется для развития много времени: птенец появляется на свет на 17–21-е сутки после закладки яйца в инкубатор. Перепела начинают нестись гораздо раньше кур, в возрасте 35–40 суток, и иные особи несут по два яйца в день.

За девять лет многие экипажи выводили перепелят. Результаты экспериментов уникальны — впервые с орбиты на Землю возвращены живые птенцы, выведенные в невесомости.

Эксперимент «Диатамея»

Давайте проследим, как космонавты проводят эксперимент, важный и для океанологов, и для рыбаков. Космонавты исследуют биологические ресурсы Мирового океана. Им предстоит найти такие районы, где в наибольшем количестве обитает планктон (водоросли, рачки, моллюски, медузы и т. д.).

После того как космонавты сообщат о своих наблюдениях за планктоном из космоса, по их данным будут составлены карты. Но здесь есть особенность. Ведь планктон может перемещаться, и составленная карта уже не будет отражать действительную картину. Поэтому этот эксперимент проводится регулярно еще с 1978 года. Именно тогда ученые разработали основные методы исследования, по которым сегодня работают космонавты. Эксперимент экономически выгоден, он не требует дорогостоящего оборудования, нужна для него всего лишь фото- и видеоаппаратура.

Космонавты смотрят, где больше пищи для рыбы, то есть планктона, и отмечают эти зоны на картах. Как космонавты могут определить, где скапливается планктон, ведь они находятся на расстоянии сотни километров от океана? Оказывается, планктон можно увидеть по его цвету и свечению. На планете известны тысячи видов животного мира, которые способны светиться, это — одноклеточные организмы, медузы, некоторые рыбы, даже акулы. Кто бывал на море, наверное, помнит, что ночью в воде мелькают какие-то огоньки. Это и есть планктон. Обычно он любит теплую воду и поэтому его местонахождение сильно не меняется. А температуру воды можно определить тоже по цвету. Одно и то же озеро бывает разных цветов, зимой — темно-синего, летом — зеленого.

Из космоса можно увидеть гораздо лучше то, что происходит в океане. Помимо свечения рыб и цвет а самой воды, водоросли бывают самых различных оттенков и видов. Все мы видели зеленые, желтые, красные водоросли. Некоторые из них могут дрейфовать (перемещаться) или иметь корни на подводных скалах. Но в основном водоросли не нуждаются в корнях, потому что питаются веществами из самой воды и могут впитывать еду всем своим «телом».

При визуально-инструментальных наблюдениях сложности вызывает даже биение сердца космонавта, что создает микротолчки, уводящие бинокль или видеокамеру от объекта наблюдения. Опытные космонавты не держат инструмент наблюдения в руках, а помещают его перед собой и регулируют его положение кончиками ресниц!

Космические эксперименты чрезвычайно дороги, поэтому готовить их нужно весьма тщательно. Главная особенность космического эксперимента — уникальное сочетание факторов космического пространства, влияющих на исследуемый процесс. Между тем опыт выполнения КЭ на орбитальном комплексе «Мир» и на МКС показал, что в них учитывается в основном фактор невесомости (микрогравитация). Ряд иных факторов, таких как корпускулярные потоки спокойного Солнца, радиовсплески на Солнце, параметры солнечного ветра, возмущения ионосферы и магнитосферы и другие, при проведении космических экспериментов обычно считаются пренебрежимо малыми или экранированными. Учет воздействия указанных факторов и возможных эффектов их нелинейного взаимодействия представляется существенно важным. Поэтому на смену методологии однофакторных экспериментов приходят комплексные исследования, учитывающие одновременное влияние совокупности различных факторов на исследуемый процесс, методы автоматизации эксперимента и методы планирования многофакторных экспериментов.

В связи с этим возрастает роль космонавта-исследователя. Современный космонавт-исследователь должен быть квалифицированным экспериментатором-универсалом. Разумеется, возможна и целесообразна некоторая специализация: эксперименты в области астрофизики существенно отличаются от медицинских экспериментов. Но современный космонавт-исследователь, выполняющий эксперименты на борту космической станции, — это в первую очередь опосредующее интеллектуальное звено, связывающее множество постановщиков экспериментов, оставшихся на Земле, со множеством приборов и экспериментальной аппаратурой на борту. Это своего рода диспетчер, несущий полную ответственность за то, чтобы его знания и навыки, а также установленное на борту научное оборудование находились в исправности и применялись максимально эффективно для проведения запланированных экспериментов.

Хорошим примером космического эксперимента, который начинался как однофакторный, а затем стал многофакторным, может служить эксперимент «Плазменный кристалл». Термином «плазменный кристалл» обозначаются упорядоченные структуры, состоящие из заряженных в плазме пылевых частиц микронного размера. Они аналогичны решетчатой структуре кристаллических материалов и характеризуются постоянной структурой решетки, составляющей, в отличие от параметра обычных кристаллов, доли миллиметра, что позволяет наблюдать их невооруженным глазом.

«Плазменный кристалл» начинался в 1998 году на станции «Мир» и непрерывно продолжается уже десять лет на борту МКС. Эксперимент проводится под руководством академика Российской академии наук Владимира Евгеньевича Фортова и профессора Грегора Морфилла (общество Макса Планка, Германия).

В космическом эксперименте «Плазменный кристалл» космонавт на борту МКС выполняет следующие операции: монтаж аппаратуры; вакуумирование магистралей и рабочей камеры экспериментального блока с помощью турбомолекулярного насоса; загрузка программного обеспечения для серии экспериментов в компьютер аппаратуры; собственно выполнение экспериментов серии; передача (по возможности) фрагментов видеоинформации по каждому эксперименту в ЦУП для проведения оперативного анализа; демонтаж аппаратуры; возврат на Землю с экипажем на ТК «Союз» видеокассет и видеокарт с результатами проведения экспериментов и передача их постановщикам экспериментов для анализа. Исходя из опыта КЭ «ПК», представляется, что кроме задач обслуживания научной аппаратуры, ремонта, установки режимов ее функционирования на экипаж могут быть также возложены задачи точного измерения уровней факторов, контроля их воздействия на ход исследуемых процессов, обнаружения непрогнозируемых эффектов в результате нелинейного взаимодействия факторов, предварительной оценки, когда это возможно, характеристик полученных материалов, отбор образцов для дальнейших исследований.