Как кислород борется с глобальным потеплением и почему для этого нужны водоросли и бактерии — рассказывают ученые Пермского Политеха
Фото: freepik
Кислород — самый важный элемент нашей планеты. Его широко применяют в промышленности, науке и медицине, но самое главное — кислород формирует условия для жизни на Земле. Ученые Пермского Политеха рассказали, что производит больше кислорода — леса или океан, почему избыток кислорода приводит к похолоданию, как дышать на Марсе и для кого опасна передозировка кислородом.
Кислород и зарождение жизни на Земле
— С момента формирования нашей планеты и в течение первых 2 млрд лет ее существования в атмосфере Земли практически отсутствовал кислород. Так как это химически активный газ, он сразу вступал в реакцию, образуя оксиды, — воду и горные породы. Высокое содержание кислорода в современной атмосфере обусловлено фотосинтезом с выделением кислорода (а бывает фотосинтез и без выделение кислорода) и снижением вулканической активности. Благодаря этому уменьшилось поступление в атмосферу и на поверхность Земли веществ, на окисление которых расходовался кислород, полученный фотосинтезом, — рассказывает Вадим Шарифулин, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры прикладной физики Пермского Политеха.
До распространения кислорода в воздухе биосфера была преимущественно анаэробной, то есть представлена организмами без кислородного дыхания, при этом аэробные (нуждающиеся в кислороде) организмы обитали лишь в изолированных кислородных карманах. Когда кислород стал накапливаться в атмосфере, аэробные организмы стали обитать повсеместно, в то время как анаэробные перебрались жить в бескислородные карманы. В итоге это привело к появлению сложных многоклеточных форм жизни. Появление кислорода в атмосфере сформировало озоновый слой, уменьшив поступление ультрафиолетового излучения на поверхность Земли, сделав сушу более обитаемой. Интересно, что фотосинтезирующие бактерии, распространившиеся вместе с кислородом, извлекали из атмосферы углекислый газ, что привело к снижению парникового эффекта, глобальному оледенению и массовому вымиранию.
Что производит больше кислорода — лес или океан?
Об этом рассказала Мария Комбарова, ведущий инженер и ученый секретарь кафедры охраны окружающей среды Пермского Политеха.
Леса не только вырабатывают кислород, но и поглощают его. Например, тропический дождевой лес обладает огромной и плотной зеленой биомассой, вырабатывающей большое количество кислорода. При этом своеобразный микроклимат, который создают дождевые леса, способствует активному разложению органики — опавших листьев, отмерших растений. Бактерии актиномицеты, грибы и насекомые, которые питаются этой органикой, потребляют кислород примерно в том же объеме, что и вырабатывается тропическим лесом.
Совсем другой пример — лиственные дубравы и хвойные леса средней полосы России. Они также выделяют кислород, однако в силу климата разложение органической подстилки (которой относительно немного) происходит не столь быстро. Соответственно, кислорода на разложение отмерших листьев и растений требуется меньше. Чем больше пластина листа, его фотосинтезирующая площадь, тем больше кислорода дерево выделяет. Так, тополь вырабатывает столько же кислорода, сколько 10 берез. В хвойном лесу процесс фотосинтеза продолжается больший период времени, поэтому он почти круглогодичен. Для сравнения: с гектара хвойного леса за год можно получить 11 тонн кислорода, а дубрава даст 18 тонн.
— Функция лесов состоит еще в том, что они улавливают парящую в атмосфере пыль и сажу: один гектар лиственного леса за лето «захватывает» 56 тонн загрязнений. Деревья их поглощают и отправляют дальше в круговорот веществ. Поэтому важно решать проблемы загрязнения воздушного бассейна. Выбросы крупных промышленных городов и автотранспорта, стирание дорожного полотна оказывают увеличенную нагрузку на лесопарковые зоны, способствуют ослабеванию растений, что приводит к развитию у них заболеваний, — отмечает Мария Комбарова.
Кроме кислорода, деревья выделяют фитонциды — биологически активные вещества, которые защищают нас от бактериальных и вирусных инфекций. Березовый лес за сутки вырабатывает 3 кг фитонцидов, хвойный бор — 5 кг, а можжевеловый лес — 30 кг.
Воды мирового океана населяет фитопланктон, подводные «сады» нитчатых, бурых, желто-зеленых и прочих водорослей. Фитонциды они не выделяют, однако не менее важны для кислородного баланса в атмосфере. По научным данным, водорослями вырабатывается 50-60% всего кислорода нашей планеты. Фитопланктон населяет океаны, моря, пресноводные водоёмы. Кроме выработки кислорода, он также отвечает за очищение воды от тяжелых металлов, соединений промышленных сбросов.
— Водоросли являются также основной кормовой базой для мальков почти всех видов рыб. Погибает фитопланктон — умирает и огромная масса рыбы. При загрязнении воды меняется и видовой состав водорослей. Нарушается процесс их жизнедеятельности, например, самыми уязвимыми являются диатомовые водоросли и жёлто-зелёные водоросли, в случае гибели которых меняется минеральный состав воды. На отмерших водорослях начинают обильно размножаться бактерии, которые потребляют для жизни кислород. Таким образом нарушается и кислородный баланс. Следом за этим чуткие к кислороду микроорганизмы, очищающие воду (фильтраторы, седиментаторы) погибают. После их гибели процесс самоочищения водоема нарушается или вовсе прекращается. Водоемы в подобных случаях могут даже прекратить свое существование — столь значительным бывает заиливание. Тогда вода становится непригодной для питья, рыбоводства и сельскохозяйственных нужд. Купание в таких водоемах может привести к проблемам для здоровья: инфекционным дерматозам, аллергическим высыпаниям, — объясняет ведущий инженер Пермского Политеха Мария Комбарова.
К сокращению популяции водорослей приводит и глобальное потепление. Меняется температура воды, вследствие чего происходит изменение видового состава водорослей, а также их численности: объем то сокращается, то увеличивается. При этом дисбалансе страдает и рыба: то от бескормицы, то от продуктов цветения воды. Другой важный фактор — плавающие в океане огромные острова мусора. Морская вода является агрессивной средой, которая разъедает отходы. Из них в воду поступают органика и другие вещества, обычно негативно изменяющие численность и разнообразие водорослей и бактерий.
Фото: Unsplash
Порой бывает, что в условиях неразвитой или устаревшей водоотводящей системы, сточные воды с жилых домов и предприятий попадают в водоемы. Выбросы содержат, например, азот, который выделяется из органических отходов, и фосфор как один из компонентов моющих средств. Это является прекрасной питательной средой для бактерий и водорослей, которые под воздействием этих загрязнений массово развиваются в нетипичном видовом составе. Все это также приводит к деградации и гибели водоемов. Для проверки сточных вод на производствах используют метод биоиндикации. На очистных сооружениях изучают состояние активного ила — сообщества бактерий и микроорганизмов, участвующих в очистке воды. Анализ показывает, например, в каком состоянии находятся фильтрующие микроорганизмы: активны ли они, нормально ли питаются и размножаются. Чтобы восстановить нужные микробные ассоциации, ил насыщают кислородом и питательными веществами. Биоиндикация применяется на предприятиях, где образуются и очищаются сточные воды. Еще один метод оценки качества воды — биотестирование. В испытуемую воду помещаются, например, микроскопические рачки или водоросли. Выявляются нежелательные изменения, определяется возможность получения у этих микроорганизмов здорового потомства.
— Я считаю, что эти методы должны применяться параллельно. Биоиндикация — в процессе очистки, а биотестирование — на очищенных сточных водах, — заключает Мария Комбарова.
Таким образом, если на Земле исчезнут леса, кислород продолжит поступать в атмосферу в больших объемах. Однако деревья очищают воздух от пыли и сажи, а также вырабатывают фитонциды, которые подавляют развитие болезнетворных бактерий. Это делает леса незаменимыми для человека.
Кислород на службе у человека
Доля кислорода в земной коре достигает 47%. Он входит в состав почти всех горных пород в качестве компонента оксида. Например, песок и гранит — это оксид кремния, железная руда — оксид железа. Минерал апатит используется для производства фосфорных удобрений, керамики и стекла, а из доломита делают, например, декоративную плитку, как для облицовки зданий, так и для внутренней отделки.
Вадим Шарифулин, доцент кафедры прикладной физики ПНИПУ, отмечает, что среди газов кислород обладает самыми сильными магнитными свойствами — намагничивается он примерно в 50 раз лучше, чем гелий и водород. Чем ниже температура кислорода, тем сильнее его магнитные свойства. Например, без специальных приспособлений можно увидеть, как к сильному магниту притягивается жидкий кислород (температура его при этом ниже –183°C). Выдающиеся магнитные свойства позволяют определять концентрацию кислорода в смесях газов с помощью газоанализаторов, которые применяются в научных исследованиях, медицине, различных производствах, предприятиях добычи нефти, газа, горных пород.
Ассистент кафедры химических технологий Пермского Политеха Вячеслав Пунькаев рассказывает, что в промышленности кислород получают сжижением воздуха в холодильных машинах. Азот испаряют, а полученный чистый кислород применяют во многих отраслях промышленности: для модернизации и повышения эффективности металлургических процессов, при сварке и резке металлов, при производстве серной и азотной кислот, для реактивных двигателей. В чистом кислороде горение протекает интенсивнее, чем на воздухе. Многие вещества, которые на воздухе не горят вовсе из-за азота, могут воспламениться и расплавиться в кислороде, например, железо и сталь. Это упрощает технологию обработки материалов.
— Интересно, что обычная хлопчатобумажная одежда не воспламеняется от случайного разряда статического электричества, но это происходит в атмосфере с чистым кислородом и достаточно высоким давлением. Все дело в молекулярной природе газа. Газ — это отдельные молекулы, чем выше концентрация молекул, тем выше вероятность их столкновения и того, что они вступят в химическую реакцию. Например, есть такой способ предотвращения пожаров: в помещении повышают концентрацию азота до 85%, тем самым снижая концентрацию кислорода до 15%. В таких условиях здоровый человек может дышать по-прежнему без вреда для здоровья, но та же бумага практически не горит. То есть у горючих молекул бумаги больше вероятность встретиться с химически нейтральным азотом, чем с кислородом, — добавляет Вадим Шарифулин.
При этом избыток кислорода может привести к передозировке. Например, при дыхании чистым кислородом через 10-15 минут наступает онемение и дрожание губ, которое при более длительном воздействии переходят в судороги и потерю сознания. Долгое пребывание в состоянии кислородного отравления может привести к смерти. Однако само по себе это отравление — явление специфичное и в бытовых условиях случиться не может. Подвержены ему, например, водолазы и подводники, отмечает Вячеслав Пунькаев.
Фото: Unsplash
Евгений Бурмистров, математик I-ой категории кафедры математического моделирования систем и процессов и преподаватель Политехнической школы ПНИПУ, рассказал, что за пределами земной атмосферы, на космических станциях, таких как МКС, космонавты оснащены кислородом благодаря системам жизнеобеспечения, а именно — генераторам кислорода. Они разлагают воду на водород и кислород электролизом. Кислород затем используется для дыхания экипажа. Откуда на МКС вода? Во-первых, ее поставляют с Земли грузовыми кораблями вместе с оборудованием и продовольствием. Во-вторых, вода на МКС рециркулируется и повторно используется. Использованная вода проходит через системы очистки и фильтрации, чтобы быть снова доступной для потребления. В-третьих, влагосборное оборудование собирает конденсат из атмосферы МКС, направляет его в системы очистки и хранения.
— На Марсе проблема обеспечения кислородом более сложная из-за отсутствия готовой атмосферы, богатой кислородом. Планируемые миссии на Марс должны решить эту проблему. Один из способов — использование собственных систем жизнеобеспечения, подобных тем, что используются на космических станциях, но с более эффективными технологиями для получения кислорода из доступных ресурсов. Например, миссии на Марс могут включать в себя использование электролиза для извлечения кислорода из воды, которая может быть найдена на Марсе в виде льда или подземных ресурсов, — рассказывает Евгений Бурмистров.
Рассматриваются и другие методы: например, выращивание растений или использование химических процессов для извлечения кислорода из газовых компонентов атмосферы Марса.
Кислород необходим для производства и обработки многих материалов, окружающих нас ежедневно. Кислород обеспечивает условия для жизни на Земле, при этом выработка его нарушается из-за вредных выбросов в атмосферу и водоемы. Чтобы сохранить биологический баланс, необходимо особое внимание уделять очистным установкам, а также поддерживать здоровье лесов и фотосинтезирующих микроорганизмов, населяющих Мировой океан.
Погибшие космонавты и аварии в космосе
30 июня исполняется 50 лет со дня гибели экипажа «Союз-11» — космонавтов Добровольского, Волкова и Пацаева. К сожалению, эта авария — не первая и не последняя в истории освоения космоса. Работа на переднем крае научно-технического прогресса часто сопровождается жертвами, однако именно космические катастрофы получают наибольший резонанс. Они даже способны определять политику государств на десятилетия вперёд.
Миниатюрный мемориал в честь погибших космонавтов и астронавтов, оставленный на Луне экипажем «Аполлона-15»
Первые жертвы
История космонавтики началась ещё до запуска первого искусственного спутника в 1957 году. Сегодня принято считать, что к выходу человека в космос приложили руку и античные философы, которые доказывали множественность обитаемых миров, и фантасты, что описывали путешествия к соседним планетам, и ракетчики, изучавшие перспективы реактивного движения.
Среди пионеров ракетостроения был австрийский изобретатель Макс Валье (1895–1930). С юности он увлекался астрономией, паранаучными теориями и фантастикой, даже сам написал супергеройский роман — «Спиридон Иллукст». Узнав о работах немецкого учёного Германа Оберта в области межпланетных полётов, Валье стал ярым сторонником космонавтики. В 1924 году он выпустил научно-популярную книгу «Полёт в мировое пространство как техническая возможность», в которой продвигал достижения инженеров своего времени. Валье полагал, что к космической экспансии человечество приведут самолёты с ракетными двигателями, но для начала следовало изучить действие пороховых ускорителей на разных видах транспорта. Вместе с помощниками Макс Валье оборудовал ими гоночные автомобили, дрезину и сани. О его экспериментах много и восторженно писала пресса, что сделало изобретателя одним из самых известных специалистов в области ракетостроения.
Пионер ракетостроения Макс Валье позирует за рулём экспериментального гоночного автомобиля, снабжённого пороховыми ускорителями (Bundesarchiv, Bild 102–01338 / Georg Pahl / [CC-BY-SA 3.0])
17 мая 1930 года Валье с двумя помощниками запустил на стенде двигатель, работавший на кислородно-керосиновом топливе. Произошёл взрыв. Один из осколков попал в изобретателя и рассёк ему лёгочную артерию — Валье скончался на месте. В понедельник, 19 мая, все немецкие и частью иностранные газеты рассказали о гибели австрийца и подробно описали трагедию. В некоторых заголовках значилось: «Первая жертва межпланетных сообщений».
Смерть Валье мало повлияла на дальнейшие опыты с ускорителями и ракетными двигателями. Энтузиасты космонавтики продолжали рисковать, и вскоре появились новые жертвы. Среди них был баварец Рейнхольд Тилинг, который разрабатывал пороховые ракеты с раскрывающимися крыльями и собирался предложить их почтовым службам. 10 октября 1933 года в мастерской Тилинга произошёл взрыв. Изобретатель, его помощница Анжела Будденбёмер и механик Фридрих Кур получили сильные ожоги; на следующий день все они скончались. Вероятно, порох перегрелся при прессовании — чугунный пресс разорвало на куски.
Благодаря учёным и изобретателям немецкое ракетостроение вырвалось вперёд, и во время войны Германия продемонстрировала миру баллистические ракеты дальнего действия А-4, более известные как «Фау-2». Ничего похожего в странах антигитлеровской коалиции не было, поэтому после разгрома Третьего рейха образцы передовой техники, доставшиеся победителям в качестве трофеев, очень внимательно изучили специалисты. Они быстро пришли к выводу, что А-4 можно использовать для зондирования атмосферы на границе космоса (то есть на высоте от 100 километров). Кроме того, на их основе можно построить более совершенные ракеты — они поднимут на орбиту сначала спутники, а затем и пилотируемые корабли.
Фотография Земли, сделанная во время тестового запуска «Фау-2» с ракетного полигона «Белые пески» (США) 24 октября 1946 года
Среди энтузиастов космической экспансии нового поколения вскоре выделился американский фантаст Роберт Хайнлайн, который с большим интересом следил за тем, как в США осваивается опыт немецких ракетчиков. В марте 1946 года он написал свой первый «роман для юношества», опубликованный позднее под названием «Ракетный корабль „Галилей“», — в нём, среди прочего, рассказывалось о секретной базе нацистов на Луне.
Копия ракеты «Фау-2» в музее Пенемюнде (Германия) (AElfwine / [CC-BY-SA 3.0])
Сам того не желая, Хайнлайн породил миф, который вскоре оброс множеством невероятных подробностей: якобы незадолго до окончания войны гитлеровские инженеры построили межконтинентальную баллистическую ракету А-9/А-10, а 24 января 1945 года запустили её с пилотом Рудольфом Шрёдером на борту. Целью якобы был удар по Нью-Йорку. На десятой секунде полёта Шрёдеру показалось, что ракета загорелась, и он раскусил ампулу с цианистым калием. Невзирая на потерю управления, ракета вышла в околоземное космическое пространство, но потом сбилась с курса и упала где-то в Атлантике.
Сторонники мифа утверждают, что Шрёдера надо считать первым астронавтом. Но никаких подтверждений его миссии и даже существования А-9/А-10 историки не обнаружили.
Вероятнее всего, мифотворцы вдохновились полётом одноразового пилотируемого ракетоплана-перехватчика «Гадюка» (Ba 349 Natter). Его создал немецкий конструктор Эрих Бахем для борьбы с вражескими бомбардировщиками. 1 марта 1945 года на перехватчике рискнул подняться в небо Лотар Зибер, однако после старта кабина «Гадюки» разрушилась, и отважный пилот погиб. Хотя это был и впрямь первый в истории вертикальный полёт ракетного аппарата с человеком на борту, он не имел никакого отношения к космонавтике и в принципе не мог подняться выше шести километров.
Ещё до людей в космосе погибали животные. В 1940-е — 1960-е годы в США запускали в космос обезьян, при этом погибла половина подопытных животных. На фото — Альберт II, в 1949 году первым поднявшийся выше линии Кармана, но не переживший приземления. В советской программе погибали собаки: Лайка — первое животное, побывавшее на орбите, и ещё около десятка других собак при испытаниях.
Трагедии «Союза»
К сожалению, Роберт Хайнлайн поддержал, на этот раз вполне осознанно, ещё один миф — о советских пилотах-смертниках, которые летали в космос до Юрия Гагарина и погибли там в результате неких аварий.
15 мая 1960 года с полигона Тюратам, сегодня известного как космодром Байконур, стартовал «простейший» прототип 1КП пилотируемого корабля «Восток», получивший официальное название «Первый космический корабль-спутник». Его не оборудовали системой жизнеобеспечения и теплозащитой, поэтому аппарат с самого начала был обречён на гибель. Конструкторы хотели в естественных условиях проверить системы ориентации и двигатель торможения, чтобы убедиться, что корабль способен по команде с Земли уйти на траекторию снижения. Однако ориентация подвела: 1КП поднялся на более высокую орбиту и остался там на долгие годы.
Хотя советские официальные лица признали аварийную ситуацию, некоторые не поверили, что корабль был беспилотным. В западной прессе появились «сенсационные» статьи, в которых утверждалось, что на орбите находится пилот Геннадий Заводовский. Такой человек действительно существовал, но в тот момент работал испытателем авиационных систем и в отряде космонавтов не состоял.
Во время запуска 1КП Роберт Хайнлайн с женой совершали туристический тур по СССР. Вернувшись, фантаст заявил, что о пилоте на борту корабля ему сообщили сами советские граждане. Позднее он написал на ту же тему эссе «Pravda значит „правда“».
Западные журналисты ещё не раз будоражили публику рассказами о том, как на очередном советском космическом аппарате погибает пилот, но эти зловещие слухи не подтвердились. Сегодня известно, что был лишь один лётчик, состоявший в отряде космонавтов и погибший до исторического полёта Юрия Гагарина.
Харьковчанин Валентин Бондаренко так и не побывал в космосе
Его звали Валентин Бондаренко. Он проходил испытание в сурдобарокамере — в атмосфере, насыщенной кислородом при пониженном давлении. 23 марта 1961 года после очередного эксперимента он снял с себя медицинские датчики, протёр кожу ватным тампоном, смоченным в спирте, и бросил его в корзину для мусора, однако тот упал на включённую электроплитку, и начался пожар. Бондаренко получил страшные ожоги и через несколько часов скончался. К сожалению, его имя четверть века сохраняли в тайне, что способствовало появлению мрачных легенд.
Лётчики-космонавты СССР, включая Владимира Комарова (первый ряд, слева) в Звёздном городке, 1 июля 1965 года. Кстати, дублёром Комарова был Юрий Гагарин
Реальные жертвы космоса появились позже, когда советские специалисты приступили к испытаниям кораблей «Союз», которые должны были прийти на смену «Востокам» и «Восходам». Хотя два запуска беспилотного варианта нового корабля оказались проблемными, руководители программы решили рискнуть и отправить на орбиту сразу два «Союза» с космонавтами. Вероятно, сыграло роль желание отметить очередным блистательным достижением приближающийся праздник — 50-летие Октябрьской революции.
23 апреля 1967 года стартовал «Союз-1» с опытным космонавтом Владимиром Комаровым на борту. На следующий день должен был состояться запуск «Союза-2» с тремя космонавтами и стыковка кораблей. Однако на орбите сразу начались проблемы: не раскрылась левая панель солнечных батарей, не заработала система ориентации, разрядились аккумуляторы. Государственная комиссия решила отменить запуск второго корабля и посадить «Союз-1»
досрочно. После того как отсеки разделились и скорость аппарата в верхних слоях атмосферы начала уменьшаться, отскочила крышка контейнера с основным парашютом. Тормозной парашют раскрылся, но вытянуть из контейнера основной не смог. Не сработал и запасной парашют: он попал в аэродинамическую «тень». Спускаемый аппарат на огромной скорости врезался в землю, разбился и загорелся.
От космонавта Комарова не осталось почти ничего
На модернизацию корабля потребовалось много времени, но конструкторы так и не решили проблему безопасности экипажей. Чтобы разместить трёх космонавтов в небольшом спускаемом аппарате, пришлось даже отказаться от аварийных скафандров — пилоты отправлялись на орбиту и возвращались в обычных тренировочных костюмах.
29 июня 1971 года, после работ на орбитальной станции «Салют», космонавты Георгий Добровольский, Владислав Волков и Виктор Пацаев заняли свои места в корабле «Союз-11». Перед расстыковкой произошёл сбой: никак не получалось загерметизировать люк корабля. Космонавты начали нервничать. Вскоре проблему решили, и спускаемый аппарат вошёл в атмосферу. Он совершил мягкую посадку в расчётном районе, однако на вызовы поисково-спасательной группы экипаж не отвечал. Когда спасатели вскрыли люк, то увидели, что космонавты мертвы.
Причину трагедии установили быстро: после разделения отсеков корабля, на высоте 150 километров, внезапно открылся вентиляционный клапан, предназначенный для выравнивания давления перед посадкой. В течение двух минут давление в спускаемом аппарате упало почти до нуля — космонавты ничего не успели сделать и погибли от удушья.
Добровольский, Волков, Пацаев. Первые и по сей день единственные, кто погиб непосредственно в космосе, выше линии Кармана
Сегодня «Союз», несмотря на редкие аварии, считается самым безопасным пилотируемым кораблём из когда-либо построенных. Автоматическая система эвакуации трижды спасала экипажи в чрезвычайных ситуациях: 5 апреля 1975 года, 26 сентября 1983 года и 11 октября 2018 года.
На пути к Луне
Соединённые Штаты уступили Советскому Союзу множество приоритетов на начальном этапе космической экспансии и намеревались затмить их все первой высадкой человека на Луну. Программа «Сатурн-Аполлон» была дорогостоящей и громоздкой, но её хотели реализовать за десять лет. Неизбежная спешка при испытаниях на реальных кораблях с участием астронавтов привела к одной из самых мрачных трагедий в истории космонавтики.
27 января 1967 года астронавты Вирджил Гриссом, Эдвард Уайт-второй и Роджер Чаффи разместились в кабине корабля «Аполлон-1» в стартовом комплексе мыса Канаверал, чтобы отработать в режиме имитации запуск и первые три часа орбитального полёта. Они были в скафандрах, поскольку внутри поддерживалась кислородная атмосфера при высоком давлении. Внезапно кислород вспыхнул, и кабина нагрелась, так что у спасателей не получилось быстро открыть люк. Дым в мгновение ока заполнил вспомогательные помещения комплекса, двое членов стартовой команды получили сильное отравление угарным газом. Через пять минут корабль всё же удалось вскрыть, и глазам спасателей предстало ужасающее зрелище: почерневшая от копоти кабина и погибшие астронавты — скафандры не защитили их от пламени. Точная причина возгорания не установлена по сей день, но, скорее всего, его вызвало короткое замыкание в электропроводке. Специалистам пришлось существенно доработать «Аполлон» и скафандры, чтобы сделать их более безопасными.
Всё, что осталось от скафандров «Аполлона-1»
Небольшие сбои и аварии случались и позднее, однако американские инженеры научились с ними справляться. Не обещал серьёзных проблем и полёт «Аполлона-13» — это была пятая пилотируемая экспедиция к Луне и третья попытка высадиться на её поверхности. Корабль стартовал 11 апреля 1970 года и должен был прилуниться к северу от кратера Фра Мауро. На борту находились астронавты Джеймс Ловелл, Фред Хейс и Джон Свайгерт.
В ночь с 13 на 14 апреля, когда «Аполлон-13» был на пути к Луне, Центр управления полётами распорядился провести стандартную процедуру дестратификации — перемешивания содержимого баков с компонентами топлива. Через 16 секунд после её начала раздался глухой удар, и корабль явственно качнуло. Свайгерт, остававшийся на связи с ЦУПом, произнёс фразу, которая стала знаменитой: «Хьюстон, у нас проблема!»
Запуск ракеты-носителя «Сатурн-5» с космическим кораблём «Аполлон-13» 11 апреля 1970 года (NASA / Scan by Kipp Teague)
Позднее выяснилось, что из-за возгорания внутри кислородного бака произошёл взрыв в служебном модуле. Ситуация выглядела катастрофической: в иллюминаторе корабля космонавты видели, как вокруг хаотически крутились металлические обломки, плыл «туман». Стало ясно, что высадка не состоится, а ресурсы лунного модуля придётся использовать для возвращения на Землю. В ЦУПе разработали траекторию, действующую по «эффекту пращи», — разворот и движение к планете за счёт притяжения Луны. Астронавтам пришлось четырежды корректировать её, причём по визуальным ориентирам — «на глазок». Но Ловелл и Хейс справились с задачей, и командный модуль удалось ввести в земную атмосферу.
17 апреля астронавты успешно приводнились, проведя в аварийном состоянии 87 часов. Позднее Ловелл исследовал вопрос, как могла бы развиваться ситуация при других обстоятельствах; оказалось, что если бы взрыв бака произошёл раньше — например, 12 апреля, — то у астронавтов не осталось бы шансов на спасение.
Приводнение «Аполлона-13» 17 апреля 1970 года
Аварийный полёт завершился благополучно, но негативно повлиял на всю программу изучения Луны. Миссию «Аполлона-14» сдвинули на пять месяцев, а три из намеченных вообще отменили, постановив, что последней будет миссия «Аполлон-17». Встал вопрос обеспечения безопасности при рейсах «Аполлонов» к орбитальной станции «Скайлэб». Поскольку в то время только Советский Союз располагал альтернативными транспортными средствами для доставки людей на орбиту, возникла идея организовать совместный экспериментальный полёт кораблей «Аполлон» и «Союз» (ЭПАС). Он состоялся в июле 1975 года.
Рукопожатие в Космосе "Союз - Аполлон", 1975
Современные фантасты любят порассуждать, как изменилась бы мировая история, если бы программа «Аполлон» потерпела крах в результате какой-нибудь жуткой катастрофы или США снова уступили бы лидерство Советскому Союзу. Например, Кристин Раш в повести «Возвращение „Аполлона-8“» (2007) полагает, что исчезновение первой экспедиции к Луне стимулировало бы поиски по всей Солнечной системе, и это привело бы к быстрой космической экспансии. Создатели телесериала «Ради всего человечества» (2019) уверены: если бы Алексей Леонов высадился на Луну раньше экипажа «Аполлона-11», это помогло бы развитию американской астронавтики. Увы, реальность демонстрирует обратное — любые более или менее значительные проблемы надолго замедляют экспансию.
Мемориал, посвящённый погибшим американским астронавтам
Катастрофы шаттлов
Полёт ЭПАС стал последним в программе «Аполлон». На смену маленьким тесным кораблям пришли многоразовые крылатые громадины — «Спейс шаттлы». Их создавали как коммерческий транспорт, который помогает и выводить тяжёлые спутники, и ремонтировать дорогостоящие орбитальные аппараты, и проводить эксперименты в космосе. Корабли даже хотели приспособить для туристических полётов.
К сожалению, ради экономической эффективности пришлось отчасти пожертвовать безопасностью. Изначально шаттлы планировали снабдить отделяемыми кабинами, в которых астронавты могли бы эвакуироваться на любом участке траектории. Такая кабина требовала размещения громоздких систем катапультирования и введения парашютов, что усложняло конструкцию и отбирало массу у полезной нагрузки. Поэтому было решено в случае аварии целиком отделять крылатый корабль от внешнего топливного бака и направлять его как самолёт на специальные аэродромы в Европе или Африке. Кроме того, планёры шаттлов изготавливали из алюминиевого сплава вместо жаропрочного титана, а в качестве тепловой защиты использовали наклеиваемую кварцевую плитку, которая требовала особого ухода. Все эти решения сыграли роковую роль в истории шаттлов.
Запуск шаттла «Челленджер» 28 января 1986 года…
Эксплуатация крылатых кораблей началась в апреле 1981 года и поначалу шла ровно. Однако программа оставалась убыточной и для развития требовала значительных финансовых вливаний. Чтобы поддержать интерес налогоплательщиков, в августе 1984 года президент Рональд Рейган объявил, что простые граждане США получат возможность путешествовать в космос на шаттле и что первым туда отправится учитель. В национальном конкурсе победила Криста Маколифф — 37-летняя преподавательница английского языка и истории из провинциального городка Конкорд. Вслед за этим планировался полёт журналиста, позднее — представителя деловых кругов. Вместе с другими шестью членами экипажа Маколифф должна была отправиться в космос на корабле «Челленджер». Это был двадцать пятый полёт в истории программы «Спейс шаттл».
28 января 1986 года «Челленджер» стартовал с мыса Канаверал. На 59-й секунде полёта из правого ускорителя начало бить пламя, огонь прожёг топливный бак. На высоте 14 километров бак взорвался. Кабина шаттла поднялась выше, но затем рухнула в океан.
…и его гибель
Причину установили почти сразу. Оказалось, что инженеры, которые создавали и обслуживали многоразовые твердотопливные ускорители, предупреждали о возможных проблемах. Незадолго до старта через Флориду проходил холодный фронт, ударили морозы, а ускорители были рассчитаны на запуск при температуре не ниже +11 °С. Руководство решило, что риск допустим. Но природа не терпит произвола — секции ускорителей оказались слегка деформированы, что и привело к трагедии. Результатом ошибки стала гибель семерых человек: командира Фрэнсиса Скоби, пилота Майкла Смита, специалистов полёта Эллисона Онидзуки, Джудит Резник и Роналда Макнейра, специалиста по полезной нагрузке Грегори Джарвиса и учительницы Кристы Маколифф.
Гибель «Челленджера» дорого обошлась космонавтике. В первую очередь она похоронила мечту о «корабле для всех» — стало ясно, что астронавтов-любителей в ближайшее время не будет. Два с половиной года ушло на то, чтобы модернизировать ускорители шаттлов и всю систему, с дополнительным контролем качества и безопасности. Вместо «Челленджера» построили новый шаттл «Индевор», но уже тогда многоразовые крылатые корабли перестали считаться главным направлением развития американской астронавтики.
Последний экипаж «Колумбии»
16 января 2003 года на борту старейшего шаттла «Колумбия» в полёт отправились семеро астронавтов: командир Рик Хазбанд, пилот Уильям Маккул, специалисты полёта Дэвид Браун, Калпана Чаула, Майкл Андерсон и Лорел Кларк, специалист по полезной нагрузке Илан Рамон. Последний был ещё и первым израильским астронавтом, поэтому миссия «Колумбии» вызвала огромный интерес у его сограждан.
На 81-й секунде полёта от топливного бака оторвался кусок пеноизоляции, который ударил по левому крылу корабля, неподалёку от передней кромки. Наземные службы контроля заметили это, но не придали инциденту большого значения. Подобное происходило и раньше, а шаттлы спокойно возвращались на Землю. Специалисты заключили, что кусок пеноизоляции не мог сильно повредить теплозащиту, поэтому ситуацию нельзя считать аварийной.
1 февраля ЦУП в Хьюстоне выдал разрешение на спуск с орбиты. Через девять минут после того, как «Колумбия» вошла в атмосферу, на высоте около 61 километра, левое крыло прогорело и разрушилось. Система управления не справилась с увеличившимся аэродинамическим сопротивлением, шаттл развернуло, и он разломился. Инверсионный след в небе над Техасом стал ветвиться, появились вспышки. Экипаж погиб вместе с кораблём.
Обломки шаттла «Колумбия», по которым удалось выяснить причину катастрофы
Расследование показало, что удары по кораблю кусков пеноизоляции не столь безобидны, как считалось на протяжении двух десятков лет. То, что до 2003 года при возвращении на Землю не пострадал ни один корабль, можно считать исключительным везением. Систему усовершенствовали, что обошлось в миллиард долларов, — но после этого случай повторился. В июле 2005 года на орбиту отправился «Дискавери», и при запуске кусок пеноизоляции снова оторвало от бака. И хотя он не ударил по борту, а ушёл в сторону из-за потоков воздуха, даже защитники программы шаттлов признали, что её нужно закрыть.
Имена отважных землян, погибших по дороге в космос, увековечены в названиях географических и астрономических объектов. Их трагическую историю нельзя забывать, потому что внеземная экспансия только начинается, и чем больше ошибок мы учтём, тем быстрее доберёмся до звёзд.
Как подготовить машину к долгой поездке
Взять с собой побольше вкусняшек, запасное колесо и знак аварийной остановки. А что сделать еще — посмотрите в нашем чек-листе. Бонусом — маршруты для отдыха, которые можно проехать даже в плохую погоду.
Вид на остров Сардиния с Международной космической станции
МКС (ISS)
3700 х 5600 (обработал фото с реддит с ИИ ) (оригинал фото , 2011.г., ниже на https://eol.jsc.nasa.gov)
-
-
(Сардиния в фотках здесь https://geo.io/pt/Sardenha )
Музей космонавтики в Ростове-на-Дону | Научпоп
Друзья! Поздравляем вас с днём космонавтики! В этот день в 1961 году советский космонавт Юрий Алексеевич Гагарин на космическом корабле «Восток-1» стартовал с космодрома «Байконур» и впервые в мире совершил орбитальный облёт планеты Земля. 🚀
Сегодня хотим напомнить о музее космонавтики, ещё недавно существовавшем в Ростове-на-Дону при ОАО «Научно-производственное предприятие космического приборостроения «Квант».
А вы знаете, что в Ростове-на-Дону есть музей космонавтики? Когда и кем он был создан? Какие образцы космической техники, личные вещи, скафандры и костюмы космонавтов, макеты спутников связи, приборы ориентации космических кораблей и другие элементы экспозиции имеются в его выставочном зале? Что интересного можно узнать во время экскурсии по Ростовскому музею космонавтики? Рассказывает Наталья Владимировна Попович, методист музея космонавтики в Ростове-на-Дону.
Виталий Егоров (Зелёный кот) о популяризации космонавтики, Orbital Express и романтике космоса
Зачем осваивать космос?! 🚀 Для чего нужно заниматься популяризацией космонавтики и как стать хорошим лектором? «Просветительские поправки» и принцип «Всё, что важно для освоения космоса». Об этом и многом другом рассказывает Виталий Егоров (Зелёный кот/Zelenyikot), популяризатор космонавтики, энтузиаст космических исследований, журналист и научно-популярный писатель, основатель паблика «Открытый космос».
0:00 - Как начал заниматься популяризацией космонавтики?
1:47 - Как устроен паблик Открытый космос? Как проверить новость?
5:22 - «Всё, что важно для освоения космоса».
8:12 - Информационный шум, мусор и мракобесие в сети.
9:50 - Цели, задачи, миссия научного просвещения?
12:43 - Ощущается обратная связь от твоей аудитории?
14:19 - Блогер рассказывает о космонавтике?!
18:37 - Обратная связь! 😎
20:22 - Orbital Express и первые шаги к самостоятельной космической деятельности.
23:12 - Как стал лектором?
25:51 - Как стать хорошим лектором?
28:55 - Зачем осваивать космос?! 🚀
35:21 - Наше будущее в космосе? Мы — космический вид?
39:34 - Ты сам хотел бы полететь в космос, осознавая все риски?
42:26 - Зачем сейчас нужны люди в космосе, если эти деньги можно направить на новые обсерватории, зонды к космическим объектам и т. д.?
49:23 - Кто должен в большей степени заниматься просвещением? Государство или сами люди?
54:41 - «Просветительские поправки».
58:41 - Люди сейчас читают книги?
1:03:01 - Не было желания писать научную фантастику?
1:04:29 - Роль научной фантастики в просвещении?
1:10:51 - Любимые научно-фантастические книги и фильмы.
1:13:58 - Интерстеллар. 😉
1:19:09 - От чтения лекций до создания частной космической компании.
Начинается космическая эпоха ISRU
Страшновато выглядящая аббревиатура ISRU (In-Situ Resource Utilization) переводится как “использование местных ресурсов”. Может быть, в русском языке станет привычной аббревиатура ИМР, а может, и нет. Она означает добычу и производство нужных ресурсов, топлива, строительных материалов, воды и кислорода для людей, из местных - лунных, марсианских или астероидных материалов, вместо того, чтобы везти все с Земли. В 2021 году первый демонстратор технологии успешно начал работать на Марсе, запланированы новые миссии, и на Земле испытываются разнообразные прототипы.
Строительство на Луне с использованием ровера-экскаватора-самосвала RASSOR в представлении художника NASA
В реальных условиях
По правому борту марсохода Perseverance установлен технологический демонстратор производства кислорода из углекислоты марсианской атмосферы MOXIE. Название собрано из букв описания назначения агрегата, а еще это черта характера - дерзость, решительность, инициатива.
MOXIE в разрезе, анимация NASA
Установка работает, засасывая через HEPA-фильтр марсианскую атмосферу, сжимает ее примерно в 100 раз спиральным компрессором, нагревает до 800° C и подает на распечатанный на 3D-принтере блок твердооксидного электролиза. В нем молекула углекислого газа на пористом катоде теряет атом кислорода, уходящий через твердотельный электролит (Стабилизированный оксидом иттрия диоксид циркония YSZ) на анод. В целом из двух молекул углекислого газа CO2 получается две молекулы угарного газа CO и молекула кислорода O2.
Блок твердооксидного электролиза, изображение M. Hecht, J. Hoffman et al.
Необходимо отметить, что MOXIE пришлось адаптировать к возможностям марсохода. Например, спиральный компрессор был вынужденной мерой, чтобы уложиться в ограничения размера, веса и энергопотребления. И если простым увеличением ячеек можно линейно наращивать производительность блока электролиза, то компрессор масштабируется только в 10 раз, а дальше уже придется искать другие варианты. Несмотря на старания инженеров, MOXIE потребляет в три раза больше электричества, чем производит радиоизотопный термоэлектрический генератор Perseverance, поэтому в течение марсианского года его собираются включать всего десять раз (с возможным, а, точнее, ожидаемым, продолжением миссии). На первом этапе будут изучаться в реальных условиях характеристики конструкции, на втором ее проверят в разных погодных условиях, а на третьем инженеры собираются поэкспериментировать, например, сравнивая работу при разных температурах. Ожидается, что MOXIE будет способен производить до 10 грамм кислорода в час.
20 апреля агрегат включили в первый раз. Он получила примерно 5 грамм кислорода, человеку этого хватило бы примерно на десять минут, а уж про ракетные двигатели и говорить не приходится. Но, как говорится, лиха беда начало - MOXIE даст опыт применения установки в реальных марсианских условиях. И знания о том, как изменятся характеристики HEPA-фильтра, когда он забьется или в каком виде проявит себя деградация электролизных ячеек, пригодятся годы спустя при проектировании уже “серьезных” установок.
Скоро на Луне
Изображение Space Applications Services
Европейское космическое агентство собирается в 2025 году отправить на Луну автоматическую межпланетную станцию с технологическим демонстратором использования местных ресурсов. 12 мая оно объявило, что заключило контракт с бельгийским стартапом Space Applications Services на создание трех экспериментальных установок для производства кислорода из лунного реголита.
Известно, что лунный реголит содержит до 45% кислорода, при этом остальное тоже ценно: кремний, железо, кальций, алюминий, титан. Space Applications Services должны будут реализовать две технологии добычи кислорода: FFC Кембриджский процесс и водородное восстановление ильменита.
FFC Кембриджский процесс (FFC - по первым буквам фамилий изобретателей) был придуман в конце 90-х и представляет собой электролиз в присутствии расплавленных солей кальция. Лунный реголит загрузят в ванну с расплавом хлорида кальция CaCl2. Оксиды металлов восстановятся (изначально процесс предлагался для производства титана в земных условиях) на катоде, а на аноде будет получаться чистый кислород.
Слева исходный реголит, справа после обработки. Металлический блеск означает восстановление оксидов металлов. Фото ЕКА
Водородное восстановление ильменита является еще одной перспективной технологией. Если в Кембриджский процесс можно загружать реголит прямо с поверхности, то здесь требуется отделить ильменит (титанистый железняк) от оливина, анортита и пироксена. Затем ильменит FeTiO3 помещается в закрытый сосуд с водородом и нагревается. Получается железо, диоксид титана и вода. Воду затем разлагают электролизом на водород и кислород. Водород идет на восстановление новой порции ильменита, а кислород можно использовать для своих целей.
Ожидается, что Space Applications Services продемонстрируют на Луне полный и масштабируемый технологический процесс, пригодный для будущих миссий.
Космический экскаватор
Прототип, первая и вторая версии RASSOR, фото NASA
Помимо непосредственно производящих кислород и другие полезные ресурсы заводов, нужна и служебная техника, которая бы занималась добычей и транспортировкой. И в NASA уже много лет разрабатывают концепт одновременно ровера с высокой проходимостью, бульдозера и погрузчика. Называется он RASSOR (Regolith Advanced Surface Systems Operations Robot). В первой версии, упоминания о которой относятся к 2013, он был гусеничным, а вторая версия стала колесной. Интересно, что барабаны по краям служат одновременно ковшом экскаватора, кузовом самосвала и даже колесами. На испытаниях ровер перемещался по крайне пересеченной местности, копал траншеи и возил грунт. Сложно сказать, как будут выглядеть космические экскаваторы и самосвалы через век, но уже испытанные конструктивные решения RASSOR имеют высокие шансы на реализацию.
Прочие проекты
В 2021 году NASA выделило $45 миллионов по программам SBIR/STTR 289 компаниям малого бизнеса и 47 научным учреждениям. Примерно 11% связаны с 3D-печатью, и некоторые относятся к ISRU - проекты производства блоков для посадочных площадок, разработка связывающего агента для производства строительных материалов на Луне, добыча кислорода и прочих ресурсов из реголита и др. Напомню, что недавно я рассказывал про испытания распечатанной на 3D-принтере посадочной площадки и то, что компания ICON занялась созданием лунной строительной техники.
Европейское космическое агентство экспериментировало со спеканием реголита концентрированным солнечным светом.
SpaceX, которой для проекта Starship критично создание инфраструктуры по производству топлива на Марсе (без дозаправки корабль не может вернуться), пока что занимается более приоритетными делами. В ноябре 2020 Маск рассказал, что работа над технологиями использования местных ресурсов могут начаться уже в конце 2021 года, в зависимости от того, насколько успешно пойдут испытания прототипа Starship. Учитывая несколько красивых взрывов последнего в первой половине 2021 логично предположить, что сроки уже сдвинулись на 2022. Наиболее вероятным вариантом является реакция Сабатье - углекислый газ реагирует с водородом в присутствии катализатора и на выходе получается метан и вода. Водород можно получать электролизом воды из продуктов реакции и доступного в изобилии на Марсе водяного льда.
Если задуматься, в глобальном смысле современная космонавтика похожа на пикник или туризм - взяли с собой все необходимое, сходили в космос и вернулись назад. Именно технологии ISRU вместе с замкнутыми системами жизнеобеспечения превратят человечество из туриста в полноценного жителя космоса.
Автор: Филипп Терехов
Cold Atom Laboratory: эксперименты на МКС
В этом видео от ScienceAtNASA рассказывается о том, для чего исследователи собираются достичь на Международной космической станции более низких температур, чем в космическом вакууме.