Наука космических масштабов: каковы плоды исследований на МКС

Международная космическая станция (МКС) — это один из самых дорогостоящих научных проектов в истории человечества. Она изначально создавалась для проведения экспериментов на орбите Земли и работает там вот уже более 20 лет. 29 июля к российскому сегменту МКС должна будет пристыковаться новая часть — многофункциональный лабораторный модуль "Наука", основная задача которого упростить проведение экспериментов для российских космонавтов.

А чем может похвастаться мировая и отечественная космическая наука? Какие именно эксперименты удалось провести на МКС и насколько они могут быть применимы в реальной жизни?

Время до МКС

Орбитальные станции изначально рассматривались учеными как передвижные лаборатории, перемещенные на орбиту в условия микрогравитации. На Земле просто нельзя воссоздать такие условия, поэтому работа на космической станции — это уникальный способ провести исследования в уникальной космической среде.

При этом ставить эксперименты на орбитальных станциях начали с самого начала их запуска — и на советских "Салютах", и на американских Skylab. Вершиной научной деятельности стала российская станция "Мир". Согласно данным BBC, за время ее работы было поставлено 23 тыс. экспериментов. Космонавт и член-корреспондент РАН Владимир Соловьев в своей лекции рассказал, что на станции прошло порядка 28 советских научных программ и 27 международных. В связи с этим можно сделать вывод, что к моменту создания МКС большинство самых простых и "напрашивающихся" в первую очередь исследований в космосе уже были проведены.

Международный сегмент станции сразу создавался с большими и удобными научными модулями для более серьезных экспериментов: американская лаборатория Destiny, европейская Columbus и японский модуль "Кибо" (один из самых больших на станции). А вот у России личного специального модуля для научных экспериментов не было, но это не мешало проводить некоторые исследования и без него.

Количество и качество

По состоянию на конец 2018 года в базе данных Web of Science Core Collection, куда попадают практически все научные материалы хорошего качества, насчитывалось более 5,5 тыс. статей о Международной космической станции и экспериментах, поставленных на ней. При этом список публикаций очень широкий — о технических науках, физике, изучении космического пространства, ботанике, зоологии и медицине.

Космонавты на орбите не только проводят эксперименты, но и сами являются очень важной их частью. Например, Институт медико-биологических проблем Российской академии наук (ИМБП РАН) внимательно следит за здоровьем людей на станции — основная задача понять, как космос влияет на здоровье и жизнедеятельность человека, что нужно сделать, чтобы в будущем обеспечить безопасность долгосрочных космических экспедиций.

Почти половина (2409 публикаций) научных результатов на МКС получена при участии ученых из США, за ними идут немецкие коллеги (700 публикаций), затем японцы, итальянцы и, наконец, россияне (471 публикация). В первую десятку также вошли Франция, Нидерланды, Канада, Испания и Великобритания.

Одна из наиболее цитируемых (более чем в 545 работах) и важных для научного сообщества статей — о результатах работы детектора элементарных частиц AMS. Он сконструирован, испытан и эксплуатируется международной командой, состоящей из представителей 56 институтов из 16 стран мира, при спонсорской поддержке Министерства энергетики США. AMS был запущен на космическом шаттле Endeavour 16 мая 2011 года, чтобы в условиях космоса углубить знания о Вселенной и привести к пониманию ее происхождения. Стоит отметить, что без такой площадки, как МКС, отдельный запуск AMS обошелся бы человечеству гораздо дороже, что могло бы стать краеугольным камнем на пути реализации проекта.

Согласно современным теориям, порядка четверти массы-энергии Вселенной составляет темная материя, которая не участвует в электромагнитном взаимодействии и проявляется только в гравитации. Что она представляет собой — большая загадка для ученых, возможно, такие детекторы элементарных частиц, как AMS, смогут дать ответы на этот и многие другие вопросы.

К проектам, которые крайне сложно было бы осуществить без МКС, относится и задумка российской компании 3D Bioprinting Solutions. Она осуществила серию опытов на станции по печати клеточных структур в условиях микрогравитации. Дело в том, что люди научились печатать клетки, кости и хрящи на Земле, но создать сложные, полые структуры в условиях земного тяготения пока не удается. В рамках экспериментов на Международную космическую станцию был доставлен биопринтер "Орган.Авт". Результат — успешная печать клеточных структур в условиях микрогравитации. Есть вероятность, что уже в ближайшие 10–20 лет на орбите будет работать целая фабрика, создающая органы для людей, которым требуется пересадка.

Наука в космосе уже перевернула понимание ученых, как далеко могут забраться живущие на Земле бактерии. В ходе эксперимента "Тест" были найдены "бактерии-астронавты", которых глобальная электрическая цепь земной атмосферы выносит на высоту более 400 километров, так что они оказываются даже на внешней стороне Международной космической станции. В 2021 году биологи проанализировали образцы, привезенные на Землю с МКС в рамках микробиологических исследований в 2015–2016 годах, и предложили выделить эти бактерии в отдельный вид — Methylobacterium ajmalii sp. nov.

В ожидании "Науки"

Российский многофункциональный лабораторный модуль "Наука", конечно, откроет для российских ученых дополнительные возможности для постановки экспериментов. В модуле много места, есть специальные стойки с универсальными рабочими местами — стандартными позициями для подключения будущего научного оборудования.

К примеру, космонавты смогут пользоваться теперь мощной электровакуумной печью, которая предназначена для выращивания кристаллов из расплава металлов. Согласно планам, один из первых экспериментов, проведенных с ее помощью, будет называться "Вампир" (Вращающееся магнитное поле). В ходе него из расплава металлов кадмия, цинка и теллура вырастят кристалл, который в дальнейшем станет применяться для производства датчиков инфракрасного излучения.

В условиях микрогравитации они будут получаться особой чистоты, а значит, смогут работать при комнатной температуре, в отличие от типичных германиевых полупроводников. Эти кристаллы предполагается впоследствии использовать в рамках программы "Сфера" — адаптировать к постановке на борт новых аппаратов дистанционного зондирования Земли. 

Таким образом, наука на Международной космической станции — это не только эксперименты, которые не выходят за рамки научных статей, но и реальное современное производство, которое будет использоваться прямо сейчас или в ближайшем будущем.