МКС: аварийный выход

Россия уйдет с Международной космической станции после 2024 года. Такое решение принято из-за участившихся поломок на МКС и планов Роскосмоса создать собственную орбитальную станцию. В этом материале мы подводим итоги уникального проекта, вспоминаем о вкладе МКС в научный и технический прогресс.

Модули, составившие станцию, были доставлены на орбиту за 42 полета: 37 из них совершили американские «шатлы», остальные пять — российские «Протоны» и «Союзы»

Фото: Роскосмос

Срок эксплуатации МКС, согласованный странами-участницами, завершается в 2024 году. Новый глава Роскосмоса Юрий Борисов заявил, что Россия не намерена продлевать свое участие в проекте. Это было ожидаемо: о нецелесообразности дальнейшей эксплуатации стареющей станции Борисов заявлял и годом ранее, еще в должности вице-премьера. Между тем NASA под занавес 2021 года объявило о желании использовать станцию до 2030 года в сотрудничестве с коллегами из России, Европы, Японии и Канады. Возможно, выход Роскосмоса из проекта заставит американцев изменить свое мнение.

Международная космическая станция — самый крупный и дорогой международный научный проект в истории. В ее создании участвовали 14 стран: Россия, США, Канада, Япония, Германия, Франция, Испания, Италия, Дания, Бельгия, Нидерланды, Норвегия, Швеция и Швейцария.

Основной вклад внесли, конечно же, Россия и США. МКС делится на российский и американский сегменты (семь и десять модулей, соответственно). Все отправляющиеся к МКС пилотируемые корабли и львиная доля грузовых тоже приходятся на две главные космические державы.

История станции началась в ноябре 1998 года запуском российского модуля «Заря». Менее чем через месяц к нему присоединился американский «Юнити». В июле 2000 года настал черед жилого модуля «Звезда», и с ноября 2000-го станция стала постоянно обитаемой. В последующее десятилетие МКС достраивали почти каждый год. Устанавливали новые модули, фермы, манипуляторы и другие элементы. Период активного роста закончился в 2011 году. В следующие девять лет крупное «прибавление в семействе» случилось лишь раз, когда в 2016 году к МКС пристыковался надувной модуль BEAM. Прибытие российских «Науки» и «Причала» в 2021 году стало лебединой песней нашего сегмента МКС, а может быть, и всей станции.

За двадцать с лишним лет на МКС было проведено более 3 тыс. научных и образовательных экспериментов. По подсчетам журнала Nature, больше всего (более 1,2 тыс.) исследований было посвящено биологии и биотехнологии. Еще более чем в 300 экспериментах изучалось влияние космической среды на человеческий организм. Кроме того, было проведено около 300 физических экспериментов, и почти в 600 проектах отрабатывались перспективные технологии. Около 200 исследований было посвящено астрономии и изучению Земли из космоса. Наконец, более 300 проектов было посвящено образованию студентов и школьников.

Расскажем о самых интересных исследованиях, проведенных в орбитальной лаборатории.

Наука о жизни

Жилой отсек станции больше, чем средний американский дом с шестью спальнями

Фото: Роскосмос

Невесомость — экстремальная среда для живых организмов. Эволюция их в буквальном смысле к такому не готовила. Тем интереснее посмотреть, как жизнь справляется с этим вызовом.

В XVII веке Роберт Бойль откачивал из сосуда воздух, чтобы убедиться, что он жизненно необходим животным и растениям. Нынешние ученые «откачивают» силу тяжести, дабы выяснить, какие шестеренки машины под названием живой организм без нее не вертятся, а какие вертятся только лучше.

Самый амбициозный из подобных экспериментов носит название «Перепел». Биологи планируют инкубировать на борту МКС яйца японского перепела, причем как в условиях невесомости, так и при искусственной силе тяжести. Будут ли птенцы здоровыми или с врожденными пороками? Как необычные условия повлияют на их рост, развитие, размножение? На все эти вопросы должен ответить эксперимент, который начнется уже в этом году.

Птицы не единственные подопытные создания на МКС. Через орбитальную станцию прошло немалое количество грызунов. Так, в 2019 году японские ученые выяснили, что 35 дней невесомости не мешают самцам мышей производить здоровое потомство.

Множество опытов проводилось и над растениями. Космонавты и астронавты выращивали на МКС зелень, кабачки и другие культуры. Помимо биологического интереса тут есть и гастрономический: астронавтам весьма понравился свежий салат. Что ж, раз уж человечество мечтает о длительных экспедициях к другим планетам, методы космической агрономии нужно разрабатывать уже сейчас.

А еще астронавты производили «перепись» микробного населения МКС и расшифровывали геном микроорганизмов прямо в космосе. Эта технология тоже важна для будущих покорителей Солнечной системы.

Некоторые микробы выживают даже за бортом МКС. Несмотря на практически полный вакуум, ужасающие температуры и космическую радиацию, бактерии-экстремофилы проводили в открытом космосе несколько лет. Потом их возвращали на Землю и выясняли, как им удалось выжить.

Космос (конечно, не открытый) — это в некоторых отношениях почти курорт. Без влияния силы тяжести лучше растут живые клетки и белковые кристаллы (а еще они не контактируют со стенками сосуда, что тоже важно). Пользуясь этим обстоятельством, в экспериментах на МКС искали средства против болезней Альцгеймера и Паркинсона, рака, сердечно-сосудистых заболеваний, астмы, вакцину от ВИЧ. Самый впечатляющий успех был достигнут в борьбе с мышечной дистрофией Дюшенна. Это генетическое заболевание, поражающее одного из 3,6 тыс. мальчиков, ныне считается неизлечимым. Но средство, найденное благодаря орбитальным исследованиям, уже проходит клинические испытания.

Человек в невесомости

Международный экипаж станции живет и работает на скорости 8 км/с

Фото: Роскосмос

И все-таки главные подопытные на космической станции — это члены экипажа. Ученые хотят знать все о влиянии космического полета на человеческий организм. Во-первых, это просто интересно. Во-вторых, необходимо для здоровья самих же покорителей космоса, особенно в будущих длительных экспедициях.

Самые заметные изменения, конечно, касаются опорно-двигательного аппарата. Но затрагивают они и мозг. Дело в том, что в невесомости увеличивается внутричерепное давление. В отсутствие силы тяжести к голове приливает больше жидкости, чем обычно. В результате у космонавтов ухудшается зрение. Это называется ассоциированным с космическим полетом нейроглазным синдромом (spaceflight-associated neuro-ocular syndrome). А еще увеличивается объем белого вещества, деформируется гипофиз и так далее — все это показало МРТ мозга астронавтов.

Самый дерзкий эксперимент в космической медицине помогли поставить астронавты Марк и Скотт Келли. Это однояйцевые близнецы, другими словами, природные клоны друг друга. У них абсолютно одинаковая ДНК и, значит, очень похожие организмы. А еще они прошли одинаковую подготовку к полету. Вот только Марк остался на Земле, а Скотт провел 340 дней на орбите. После возвращения ученые подвергли братьев самому тщательному сравнению. Отличия нашлись на всех уровнях, от функционирования генов до работы пищеварительного тракта. Даже позвоночник Скотта вытянулся в невесомости, прибавив ему 4 см роста (на Земле он быстро вернулся к прежним параметрам).

Между прочим, как ни удивительно, невесомость — хорошая модель старости. В отсутствие силы тяжести ослабевают мышцы, из костей вымывается кальций, сгущается кровь. Все эти изменения поразительно похожи на возрастные. Только происходят они не за годы, а за недели и месяцы, так что их куда проще изучать.

Вынужденная неподвижность и некоторые болезни тоже наносят удар по костям и мышцам. Так что решения, разработанные для космонавтов, могут помочь множеству людей и на Земле.

Орбитальная физика

На станции уложено 12,5 км кабелей

Фото: Роскосмос

Невесомость делает МКС уникальной физической лабораторией. Например, горение в условиях, когда горячий газ не легче холодного,— это очень своеобразный процесс.

А еще на борту станции исследуется конденсат Бозе—Эйнштейна (КБЭ), который иногда называют пятым состоянием вещества наряду с твердым, жидким, газообразным и плазменным. В этом состоянии проявляются глубочайшие законы, управляющие материей,— законы квантовой механики. За получение КБЭ была присуждена Нобелевская премия по физике 2001 года.

Конденсат Бозе—Эйнштейна разрушается, если касается стенок или дна сосуда. На Земле его приходится подвешивать в магнитных или лазерных ловушках, а они искажают свойства КБЭ. Поэтому невесомость — просто рай для исследования этого экзотического состояния материи.

Невесомость позволяет глубже проникнуть и в свойства жидкостей. Убирая силу тяжести, она выводит на первый план притяжение молекул друг к другу и к стенкам сосуда.

Еще один объект интереса физиков — коллоиды. Коллоид состоит из жидкости и взвешенных в ней микрочастиц, капель или пузырьков другого вещества. Природный коллоид — это, например, молоко, где частицы белка и жира взвешены в воде. Многие лекарства, гигиенические средства и так далее представляют собой коллоиды. На Земле на взвешенные в жидкости частицы действует сила тяжести и противостоящая ей архимедова сила. Невесомость, «отключающая» эти силы, позволяет изучить самые тонкие свойства коллоидов.

Фундаментальные исследования на орбите плавно перетекают в прикладные. Например, компания Procter & Gamble уже использовала в своих продуктах «космические» наработки. Также по итогам экспериментов на МКС разрабатываются медицинские приборы для микроинъекций и многое другое.

Техника на грани фантастики

МКС делает один оборот вокруг Земли за 90 минут

Фото: Роскосмос

МКС много дала не только физикам, но и материаловедам Невесомость открывает интересные перспективы в производстве полупроводников (ему посвящены российские эксперименты «Мираж» и «Вампир»). Еще один эксперимент, «Фуллерен», посвящен производству одноименной модификации углерода.

С 2014 года на станции работает 3D-принтер. Астронавты изготовили на нем десятки предметов, чтобы изучить, как невесомость влияет на процесс 3D-печати. Технологии, опробованные на МКС, в будущем можно будет воплотить на автоматических орбитальных заводах.

Не всегда внедрения наработок приходится ждать так долго. С 2006 года в Ираке применяется система восстановления воды, созданная для МКС. Она возвращает в оборот 93% использованной влаги.

Вообще, коммерческие исследования на орбите фактически поставлены на поток. Компании Nanoracks и TechShot имеют на станции собственные исследовательские центры. Любой желающий, будь то университет или фирма, может заказать исследование на оборудовании компании или отправить на МКС собственный прибор. С 2009 года через отведенные компании Nanoracks уголки МКС прошло более 1,3 тыс. клиентских устройств. С 2016 года их можно размещать не только внутри, но и снаружи станции. Конечно, прибор должен удовлетворять весьма жестким ограничениям на массу и габариты. Создание такого оборудования — отдельный бизнес, в который вовлечено около 40 компаний.

А еще с МКС часто запускаются наноспутники (так называются аппараты массой 1–10 кг). Одних только кубсатов со станции запущено более 250 штук. Эти спутники обычно используются для отработки передовых технологий. Например, в открытом космосе вблизи МКС тестировались методы уборки космического мусора, проблема которого становится все острее. А на внешней поверхности станции робот RRM3 отрабатывает автоматическую заправку космических аппаратов топливом и другими жидкостями. Если на орбите появятся заправщики, срок жизни спутников стоимостью в сотни миллионов долларов можно будет существенно продлить. Сейчас операторы вынуждены выводить аппараты из эксплуатации, как только у них заканчивается топливо для коррекции орбиты.

Всевидящее око

Наконец, МКС — прекрасная площадка для наблюдения за космосом и нашей планетой. Станция ближе к Земле, чем спутники-наблюдатели (400 км против 550–700 км), поэтому с нее можно получить более детальное изображение. Установленные на МКС приборы изучают атмосферу, океан, растительность, фиксируют масштабы стихийных бедствий.

И, разумеется, находясь в космосе, самое время изучать космос. На станции установлены приборы (например, российский «БТН-Нейтрон-2» и американский AMS-02), измеряющие потоки заряженных и нейтральных частиц сквозь космическое пространство. Такие исследования преследуют сразу множество целей, от изучения солнечной активности до поисков загадочной темной материи.

Отдельного упоминания заслуживают два работающих на МКС рентгеновских телескопа: американский NICER и японский MAXI. Рентгеновские лучи не проходят сквозь атмосферу Земли, поэтому такие приборы можно установить только в космосе. Телескоп MAXI обозревает все небо. Ежедневно в его поле зрения попадает около тысячи источников рентгеновских лучей, будь то далекие скопления галактик или близкие черные дыры. Обнаружив рентгеновскую вспышку, он моментально оповещает о ней астрономов всего мира, чтобы те могли навести свои инструменты в нужную область неба. NICER же предназначен для изучения нейтронных звезд — самых плотных объектов во Вселенной, кубический сантиметр вещества которых весит сотни миллионов тонн. Земные лаборатории не в силах воспроизвести столь экстремальное состояние материи. Помимо фундаментального интереса тут есть и практический: нейтронные звезды — превосходные ориентиры, своего рода естественные маяки для космической навигации. Попадают в поле зрения NICER и черные дыры, эти, возможно, самые экзотические объекты во Вселенной.

Время собирать камни

Размер солнечной батареи больше, чем самый большой самолет в мире, Airbus 380

Фото: NASA via AP

Почему же Россия выходит из столь большого и полезного проекта, как МКС? Потому что станция почти выработала свой ресурс. Сегодня в составе МКС 17 модулей, пять из которых были запущены в 1998–2001 годах и еще девять — с 2007 по 2010 год. Сравнительно молоды только три блока: американский BEAM (2016 год) и российские «Причал» и «Наука» (2021 год). Первый — экспериментальная надувная конструкция, а второй — всего лишь стыковочный узел для приема космических кораблей. Только «Наука» сравнительно автономна. У нее есть собственные солнечные батареи, система производства кислорода и солидный объем: одна каюта для космонавта и 14 специально оборудованных рабочих мест.

Однако и «Наука» скорее ветеран, чем новичок. Ее начали строить еще в 1995 году в качестве дублера первого модуля МКС — функционально-грузового блока «Заря». В 1998 году «Заря» успешно вышла на орбиту, и ее дублер остался в недостроенном состоянии. В 2004-м в Федеральном космическом агентстве решили превратить недострой в новый модуль МКС за три года. Но работы затягивались. «Науку» преследовали все новые проблемы: засорение топливной системы, утерянная документация, пришедший в негодность от времени металл баков… Так и случилось, что фактического ровесника первого модуля МКС довели до летной готовности только к 2021 году.

В последние годы на стареющей станции регулярно что-нибудь ломалось. Так, в 2019 году началась утечка воздуха. Годом позже в модуле «Звезда», где размещаются каюты космонавтов, вышли из строя туалет и система получения кислорода, а также по каким-то причинам повысилась температура воздуха. В 2021 году космонавты заделали две трещины в стенке «Звезды». Утечка воздуха уменьшилась, но не прекратилась, так что станцию приходится регулярно «поддувать» привезенным с Земли воздухом. В том же году в корпусе «Зари» — старейшего модуля МКС — тоже были обнаружены трещины, правда пока не сквозные.

В 2020 году Владимир Соловьев, ныне генеральный конструктор РКК «Энергия», спрогнозировал лавинообразный рост поломок на МКС после 2025 года. При этом многие системы станции не поддаются замене. В такой ситуации продлять эксплуатацию МКС до 2030 года, как того хочет NASA, может быть попросту опасно для экипажа.

Критическая поломка на станции создаст угрозу не только для космонавтов. Остатки атмосферы постепенно тормозят станцию, из-за чего ее орбиту приходится регулярно поднимать. Если этого не делать, более чем 400-тонная махина просто рухнет на Землю.

В случае разгерметизации экипаж покинет МКС на пилотируемых кораблях. Управление перейдет к авионике российских модулей. Но она рассчитана только на 180 суток в работы в режиме разгерметизации, и это если сама автоматика не выйдет из строя. Потом движение МКС станет неуправляемым.

Экстренно свести станцию с орбиты не получится. Даже для затопления куда менее массивной станции «Мир» понадобился грузовой корабль «Прогресс» специальной модификации. Такой грузовик нужно строить заранее, на скорую руку его не соорудишь.

Конечно, даже неуправляемый сход МКС с орбиты, скорее всего, обойдется без жертв. Большая часть траектории станции пролегает над океаном, да и суша, мягко говоря, не сплошь покрыта населенными пунктами. Но это не тот вопрос, в котором стоит полагаться на авось.

Следующая станция — РОСС

Останутся ли у человечества орбитальные форпосты после завершения работы МКС? О да. И один из них уже действует. Речь о китайской орбитальной станции «Тяньгун» (Tiangong), что можно перевести как «Небесный дворец». Ее базовый модуль был запущен в апреле 2021 года, а с июня станция обитаема. В июле 2022 года к ней пристыковали второй модуль, а на осень намечен запуск третьего. Между прочим, Поднебесная в свое время проявляла интерес к проекту МКС. Но США отказались от сотрудничества под тем предлогом, что китайская космическая отрасль слишком тесно связана с оборонной.

Россия тоже выходит из проекта МКС не просто так. «Роскосмос» планирует создание Национальной орбитальной космической станции, она же Российская орбитальная служебная станция (РОСС). Ожидается, что на первом этапе станция будет включать четыре модуля: научно-энергетический, узловой, базовый и шлюзовой. Такая конфигурация рассчитана на двух космонавтов. Затем к станции пристыкуют еще три модуля, что увеличит ее герметичный объем до 667 кубических метров (у МКС 932 кубометра). Около 7% этого объема будет отведено под научную аппаратуру. В таком виде РОСС может принять и четырех космонавтов. Впрочем, пока не готов даже эскизный проект орбитального комплекса, так что его облик в итоге может быть совсем иным. А научно-энергетический модуль уже строится. Ранее его планировали включить в состав МКС в 2024 году.

Самая спорная инициатива, связанная с российской станцией,— идея вывести ее на орбиту, пролегающую над полюсами Земли. Это удобно по нескольким причинам. Во-первых, траектория РОСС, в отличие от МКС, будет пролегать в том числе над территорией России. Во-вторых, такая орбита идеальна для запусков с космодрома Плесецк. Наконец, по полярным орбитам никогда еще не обращались обитаемые станции, так что в определенном смысле это новаторская идея.

Проблема в том, что на такой орбите РОСС будет регулярно выходить из-под защиты геомагнитного поля. Космонавты могут пострадать от радиации. Впрочем, по некоторым подсчетам, при спокойном Солнце фон на станции будет лишь в полтора раза выше, чем на МКС. Правда, активность нашей звезды может заставить экипаж укрыться в отсеке повышенной радиационной защиты. Наконец, не исключено, что РОСС будет посещаемой станцией, а не постоянно обитаемой. Впрочем, окончательные решения по всем этим вопросам еще не приняты.

В США же надеются эксплуатировать МКС до 2030 года, попутно создав и собственную орбитальную станцию, но уже окололунную. Ее название Gateway можно перевести как «вход» или «шлюз». Ввести ее в строй планируется не ранее 2024 года. Россия и Китай тоже ведут переговоры о совместной окололунной станции, правда, пока лишь самые предварительные.

Так что не стоит сокрушаться о выходе России из программы МКС. Каждый проект в свое время должен завершиться, и для МКС этот час, похоже, настал. Но на смену ей уже приходят новые станции, так что космос будет становиться только многолюднее.