О спутниках: земных и космических
Рис.1. Мозаика снимков, полученных камерой WAC на обратную сторону Луны. Видно, что поверхность покрыта многочисленными ударными кратерами диаметром в десятки и сотни километров. Большая их часть была образована примерно 4 млрд лет назад, когда на Луне, Земле и в целом в Солнечной системе была интенсивная метеоритная бомбардировка.
12 апреля 1961 года — знаковый день в истории освоения космоса. Именно тогда в 9:07 по московскому времени с космодрома Байконур стартовал космический корабль «Восток». Первым в мире человеком, совершившим полет в космос, стал советский пилот Юрий Гагарин.
Сегодня этот день отмечают во всем мире как день успеха науки и всех, кто посвятил свою жизнь космической отрасли.
В нашем материале рассказываем о том, какие сегодня исследования в сфере космоса проводятся в подведомственных Минобрнауки России организациях, и поразмышляем, сможет ли человек когда-нибудь жить в космосе.
Спутники в космосе
Главные «вредные» факторы длительного космического полета — радиация, невесомость, изоляция. Что такое невесомость для организма? Практически полное отсутствие нагрузки. Во время космического полета организм человека пытается адаптироваться к новым условиям. В процессе такой адаптации уменьшается мышечная масса, ослабевают мышцы, участвующие в поддержании позы, уменьшается плотность костной ткани (т. е. кости становятся более хрупкими), уменьшается количество эритроцитов и т. д. Из-за отсутствия привычной силы тяжести также нарушается работа вестибулярного аппарата.
Помогать адаптироваться к космическому полету не нужно. Наоборот, нужно все время мешать организму это делать! Для этого с 1970-х годов начались разработки особых космических тренажеров и других средств профилактики (вроде специальных костюмов и систем для миостимуляции).
Одна из новых разработок Института медико-биологических проблем (ИМБП) РАН в этом направлении — так называемая центрифуга короткого радиуса. Если расположить этот тренажер на борту орбитальной станции (или космического корабля), то он может стать универсальным средством профилактики отрицательного влияния невесомости на организм человека. Тренажер не только воспроизводит эффекты искусственной силы тяжести на мышцы и кости, но и создает в том числе гидростатическое давление крови, полноценно получить которое другими методами в настоящее время невозможно. Как отмечают в ИМБП РАН, этот тренажер также позволит космонавтам быстрее «приходить в себя» после возвращения из космоса. Сейчас в научном институте идут исследования для поиска оптимальных режимов тренировки космонавтов.
Еще одним проектом, в котором принимают участие специалисты ИМБП РАН, стало международное исследование на уникальном наземном комплексе SIRIUS (Scientific International Research In Unique terrestrial Station). Проект направлен на изучение медико-психологических рисков, возникающих как при длительных космических полетах смешанных экипажей, так и при эксплуатации орбитальных и напланетных баз.
Проводится серия изоляционных экспериментов различной продолжительности. Уже завершены три из четырех запланированных этапов (I этап — 17 суток, II этап — 120 суток, III этап — 240 суток). IV этап проекта, SIRIUS-23, начнется в ноябре 2023 года и продлится 365 суток. В рамках сценария будут моделироваться основные неблагоприятные факторы космического полета — частичное или полное лишение органов чувств внешнего воздействия, ограничение социальных контактов, искусственная среда обитания и т. д. Также будут воспроизведены элементы профессиональной деятельности космического экипажа и различные нештатные ситуации, включая аварии, нарушения связи и недостаток или полное отсутствие сна.
Рис. 2. Центральная часть ТВ панорамы, полученной Венерой 13. Видны выходы тонкослоистых пород, частично перекрытых рыхлым тонкозернистым грунтом. От посадочного кольца аппарата отходит механическая «рука», на конце которой прибор для определения прочности материала поверхности. Деталь на поверхности перед посадочным кольцом – крышка иллюминатора телекамеры. Первичное изображение было дополнительно обработано американским ученым Доном Митчеллом.
Поразмышляем на тему:
Может ли человек все время жить в космосе? Что должно случиться с человеческим организмом, чтобы он смог жить, например, на Луне? Размышляют специалисты ИМБП РАН.
Космос — среда агрессивная и практически непригодная для жизни. Поэтому даже для кратковременного пребывания человек создает специальные помещения (корабли или станции) с искусственной средой обитания, пригодной для жизни.
Но давайте предположим, что мы уже построили такие «дома» на Луне, в которых есть атмосфера, вода и пища. Однако гравитация на Луне всего 17 % от земной. Также там (из-за отсутствия магнитного поля и атмосферы) повышенная радиация. Для временного посещения эти факторы не окажут значимого влияния. Но если предположить, что человечество построит там целые города, где люди будут жить постоянно, то со временем (через несколько поколений!) появится новая разновидность человека — «человек лунный», который будет приспособлен к низкой гравитации и повышенной радиации. Например, у него будут более тонкие кости и более слабые мышцы и сердце, возможно, его кожа станет более грубой, а иммунная система — более сильной, чтобы активнее сопротивляться постоянному радиационному «давлению».
Спутники из космоса
Луна — единственный естественный спутник нашей планеты.
«Изучая Луну, Венеру, Марс и далее, мы, ученые, узнаем полезную или предупреждающую нас информацию. Уже на ранних этапах изучения Луны мы узнали, что на ней, а значит, и на близко расположенной к ней Земле, была интенсивная метеоритная бомбардировка. А это затрагивает проблему происхождения и существования жизни на Земле. Изучая Венеру, мы узнали, что на этой планете жуткая жара и очень плотная атмосфера. И это сигнал нам, чтобы не «скатились» в необратимое потепление. Изучая Марс, мы узнали, что миллиарды лет назад на нем была более плотная атмосфера, жидкая вода на поверхности и, может быть, даже примитивная жизнь. И это тоже предупреждение: надо понять, почему на этой планете все так изменилось в худшую (с нашей точки зрения) сторону, чтобы чего-то плохого не произошло с нашей планетой», — рассказывает доктор геолого-минералогических наук, главный научный сотрудник лаборатории сравнительной планетологии Института геохимии и аналитической химии имени В. И. Вернадского (ГЕОХИ) РАН Александр Базилевский.
Сегодня в ГЕОХИ РАН три главных научных направления по теме космоса:
1) Изучение минерального, химического и изотопного составов внеземного вещества — образцов, доставленных на Землю советскими автоматическими лунными станциями «Луна-16», «Луна-20» и «Луна-24», американскими Аполлонами и китайским Чанъэ-5 (исследования только начинаются), а также метеоритов, среди которых есть образцы, прилетевшие с Луны и Марса. Ученые планируют узнать, как образовались изучаемые образцы: магматические процессы, метеоритные удары, разнообразные виды выветривания.
2) Изучение морфологии, геологии и состава поверхности твердых тел Солнечной системы по результатам дистанционных измерений (фотографии, спектры излучения-поглощения). Здесь ученые планируют выяснить, какие геологические процессы происходят и происходили на изучаемом теле. И примыкающее направление — выбор и характеристика мест посадки космических аппаратов на Луне и Венере.
3) Разработка термодинамических и иных моделей процессов в атмосфере и в коре планет и спутников. Это направление поддерживает разработки первых двух направлений.
Рис.3. Ныне сухая эрозионная Долина Нанеди на поверхности Марса свидетель того, что когда-то на поверхности Марса была жидкая вода. Изображение (72 х 106 км) получено камерой HRSC на КА Mars Express Европейского космического агентства.
Поразмышляем на тему:
Возможно ли по тем метеоритам, которые долетают до Земли, или по образцам лунных пород, или каким-то другим материалам определить, существует ли жизнь вне Земли? Размышляют ученые ГЕОХИ РАН.
На Луне лунная жизнь не существует и не существовала. На Марсе в ранний период его истории — могла существовать, а потом или полностью прекратиться, или сохраняться под поверхностью там, где есть жидкая вода, например в вулканических районах.
Какие могут быть признаки жизни в марсианском веществе? Морфологические — что-то похожее на наши споры и бактерии. Но не исключено, что марсианские существа выглядели совсем по-другому и потому неузнаваемы или трудно узнаваемы. И химические признаки — какие-то сложные органические (в химическом смысле) соединения. Но здесь тоже трудно ожидать однозначного ответа. Можно ожидать появления примитивной жизни под поверхностью там, где есть жидкая вода, на некоторых спутниках планет-гигантов, например спутнике Юпитера Европе или спутнике Сатурна Энцеладе.
О жизни на планетных системах около других звезд можно догадываться, но получить доказательства ее существования пока вряд ли возможно.
Спутники для космоса
Гиперспектрометр — устройство для дистанционного зондирования — можно использовать как на Земле, так и в космосе. Как легкая оптическая насадка «земные» гиперспектрометры могут работать на видео- или фотокамерах, смартфонах — для распознавания объектов, определения химического состава продуктов и стадии зрелости растений.
Космические гиперспектрометры устанавливаются на спутниках дистанционного зондирования Земли. Они решают задачи в сфере, например, точечного земледелия: устройство передает на Землю изображения, с помощью которых можно оперативно определить состояние почв, их химический состав и решить, где и какие удобрения нужно внести на поля.
Ученые Самарского университета имени Королева разрабатывают отечественные гиперспектрометры для миниатюрных космических аппаратов в формате CubeSat (кубсат). Они расширят возможности наноспутников: смогут более эффективно решать задачи экологического мониторинга и умного земледелия, выявлять выбросы парниковых газов и проводить геологоразведку труднодоступных территорий, обнаруживая расположение потенциальных месторождений различных минералов, нефти и газа. С их помощью можно отследить и выбросы метана. Подобные выбросы в Арктике могут указывать на районы таяния и истончения вечной мерзлоты.
Сейчас ученые разработали два гиперспектрометра на основе схемы Оффнера. Один будет снимать в коротковолновом инфракрасном диапазоне, так называемом SWIR-диапазоне от 900 до 1700 нм. Второй — из разработанных самарскими учеными гиперспектрометров — предназначен для работы в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне (так называемом VNIR-диапазоне, от 400 до 1000 нм). Это усовершенствованная версия первого отечественного гиперспектрометра для кубсатов, созданного ранее в Самарском университете и запущенного в космос в августе 2022 года.
Как отмечают создатели, ранее в России приборы с подобными характеристиками для кубсатов не создавались, в других странах было создано и запущено в космос буквально несколько экземпляров.
Проекты гиперспектрометров готовы, их сборка должна завершиться примерно к середине лета, а уже в декабре 2023 года их планируется вывести на орбиту.
Рис. 4. Гейзеры водяного пара, извергающиеся из разломов на спутнике Сатурна Энцеладе. Недра этого ледяного спутника разогреваются приливными возмущениями со стороны Сатурна. Там существует жидкая вода и, в принципе, может быть примитивная жизнь. Мозаика снимков, поученных КА Cassini, NASA.
Поразмышляем на тему:
Чем российские гиперспектрометры отличаются от зарубежных? В чем их уникальность? Отвечает профессор кафедры технической кибернетики Самарского университета имени Королева, доктор физико-математических наук Роман Скиданов.
«В целом возможности российских гиперспектрометров для кубсатов находятся на мировом уровне. Уникальность, прежде всего, в том, что до 2022 года отечественных гиперспектрометров для наноспутников в России не было, первый был создан у нас, в Самарском университете имени Королева, и запущен в космос в августе 2022 года.
Сейчас ведется сборка второго и третьего отечественного прибора и каждый из них уникален по своим характеристикам, по своим возможностям. Отечественная компонентная база для создания гиперспектрометров — подходит, мы стараемся использовать отечественные материалы и комплектующие. Например, объективы на двух гиперспектрометрах, планируемых к запуску в этом году, произведены на Лыткаринском заводе оптического стекла.
Мы планируем и дальше развивать направление гиперспектрометров. Будем создавать компактные гиперспектрометры, работающие в других диапазонах, улучшать разрешение съемки, работать над дальнейшим уменьшением габаритов приборов. Думаю, будем также создавать еще более миниатюрные гиперспектрометры на основе дифракционных линз, заранее рассчитанных по специальному алгоритму под мониторинг конкретно одного или максимум двух показателей, например какого-то определенного вегетационного индекса в целях умного земледелия или для поиска месторождения какого-то конкретного минерала.
Это не только упростит обработку гиперспектральных данных, получаемых с такого прибора (нужно будет анализировать гораздо меньше данных), но также удешевит и ускорит создание компактных гиперспектрометров. А это значит, будет проще создавать специализированные орбитальные группировки космических аппаратов для гиперспектрального мониторинга Земли».
