Проблемы космических путешественников

Проблемы космических путешественников

Хотя проекты пилотируемой марсианской экспедиции находятся в разной стадии проработки, существует множество проблем, которые должны быть решены до того, когда такая экспедиция состоится. И многие из них связаны с тем, что реальная космонавтика развеяла иллюзии, сформировавшиеся на заре теоретических изысканий, – примерно так же, как снимки, пришедшие с борта «Маринера-4» и «Маринера-9», развеяли иллюзию марсианских «каналов».

Например, основоположники космонавтики оптимистично предполагали, что невесомость не окажет сколько-нибудь существенного влияния на человеческий организм. Константин Циолковский уверял, что она приятна и способствует укреплению здоровья, а более поздние авторы предлагали даже отправлять на орбиту стариков, чтобы продлить им жизнь. Первые серьезные сомнения в верности такой точки зрения появились после суточного полета второго космонавта Германа Титова, который подхватил в полете «кинетоз» («укачивание», «болезнь движения»). С ней быстро научились бороться, разработав программу тренировки вестибулярного аппарата. Но главные проблемы были впереди.

В июне 1970 года из очередного рекордного полета на корабле «Союз-9» вернулись советские космонавты Андриян Николаев и Виталий Севастьянов. Они пробыли на орбите 18 суток и успешно выполнили программу. Не возникло проблем и при спуске на Землю. Однако после этого началось странное. Вот как об этом рассказывал сам Севастьянов: «Когда приземлились, нам было очень тяжело. Встретила нас поисковая группа быстро. Андрияна вытащили на руках, а я вылез сам и сел на обрез люка, но спуститься не могу. Еле дотерпел, пока и меня сняли. Андриян сидит и утирает лицо землей, а по пыльным щекам стекают слезы. Встать мы не могли. На носилках нас занесли в вертолет. Андрияна положили на лавку, а меня на пол около керосинового бака. Летим. И вдруг врачи к Андрияну кинулись и что-то суетятся. Я на четвереньках подполз, посмотрел – а он без сознания. Еле откачали… Так нас на носилках из вертолета и вынесли…»

Обследование показало, что космонавты находились в тяжелейшем состоянии: сердце по площади уменьшилось на 12 %, а по объему – на 20 %, периметр бедра уменьшился на 7,5 см, периметр голени – на 3,5 см. Космонавты испытывали мышечные боли; к вечеру у них поднялась высокая температура и участился пульс. Период острой реадаптации продолжался больше двух суток. И целых шесть суток космонавты не могли встать и самостоятельно ходить, но благодаря усилиям врачей все-таки постепенно восстановили свое здоровье.

Дальнейшие исследования влияния невесомости на человеческий организм выявили ее коварство. Длительное нахождение в космосе вызывает серьезные изменения в организме, приводящие к снижению двигательной активности, потере мускульной массы, вымыванию кальция из костей, уменьшению объема крови, снижению работоспособности и иммунитета к инфекционным заболеваниям. Тело человека вытягивается, увеличивается его рост (в среднем на 3 см), но при этом становится дряблым и чрезвычайно уязвимым при травмах. Сами травмы заживают медленнее. В невесомости развиваются анемия (малокровие), учащенное сердцебиение, сопровождающееся аритмией. Из-за перетока крови от ног к голове ухудшается работа мозга, что может спровоцировать психические расстройства.

В ходе многолетних наблюдений и экспериментов был разработан целый комплекс профилактических средств (бегущая дорожка, велоэргометр, эспандеры, нагрузочный костюм «Пингвин», пневмовакуумный костюм «Чибис», минеральные пищевые добавки и другие средства), которыми стали оснащать все орбитальные станции. Предложенные мероприятия оказались эффективными: хотя длительность полетов экипажей впоследствии регулярно увеличивалась, космонавты по возвращении на Землю чувствовали себя вполне нормально. Ярким примером тому служит рекордный полет врача-космонавта Валерия Полякова – без ощутимых последствий для здоровья он прожил в космосе 437 суток, на практике доказав, что полет человека к другим планетам возможен и не причинит ему существенного ущерба.

На основе исследований, проведенных Поляковым в условиях, приближенных к «боевым», определили тренировочный цикл, позволяющий космонавтам оставаться в хорошей физической форме. Цикл состоит из четырех дней: первые три дня космонавты тренируются с возрастающей нагрузкой, на четвертый отдыхают. При этом ежедневно космонавты «пробегают» до 5 км на дорожке и «проезжают» до 10 км на велоэргометре. Необходимо также постоянно носить костюмы «Пингвин» (от 8 до 12 часов в сутки), которые за счет натянутых эластичных амортизаторов создают нагрузку на мышцы, достигающую 30 % земного веса космонавта. Вакуумный костюм «Чибис» предполагается применять сразу после старта, перед высадкой на другую планету и перед возвращением на Землю – своим воздействием он перераспределяет движение крови в сосудах, обеспечивая ее приток к ногам.

Казалось, проблема вредоносного воздействия невесомости решена. Однако космос тут же подбросил новые сюрпризы.

Даже тем, кто далек от космонавтики, ясно, что для осуществления длительных межпланетных перелетов необходимо создать внутри космического корабля достаточно комфортные условия. Основоположники утверждали, что когда-нибудь в таких кораблях будет создана полностью автономная биосфера («кусочек Земли»), которая снабдит экипаж продуктами питания, сможет восстанавливать кислород и воду за счет естественной переработки отходов человеческой жизнедеятельности.

Вот что Константин Циолковский писал по этому поводу в своей научно-фантастической повести «Вне Земли» (1918): «Выделения легких, кожи, почек и т. д. поглощались особыми сосудами и составляли прекрасную пищу для растений. Семена их были посажены в ящики с почвой, удобренной этими выделениями. Когда семена пустили ростки, сосуды с ними были выставлены на свет… Необыкновенная сила солнечного света, не ослабленного толстым слоем земной атмосферы, непрерывное его действие, вертикальные лучи, отсутствие вредителей, наиболее благоприятные условия влажности и атмосферы сделали чудеса: не прошло и месяца, как маленькие растения были сплошь увешаны сочными, питательными и ароматическими плодами. Цветение было роскошно, оплодотворение – искусственно. Тяжести не было, веточки свободно распространялись, и плоды их не отягчали и не гнули. <…> Клубника, земляника, разнообразные овощи и фрукты росли не по дням, а по часам. Множество плодов давало урожай через каждые десять, пятнадцать дней. Сажали карликовые яблони, груши и другие небольшие плодовые кусты и деревья. Эти без перерыва цвели и давали изумительно большие и вкусные плоды. Одни деревья зацветали, другие имели уже спелые ягоды. Особенно удавались арбузы, дыни, ананасы, вишни, сливы. Но приходилось постоянно подрезывать подрастающие кусты и деревца. Плоды всякого сорта собирались непрерывно во всякое время, так как времен года не было: был один непрерывный, неизменный климат. <…> Вот почему можно было разводить растения всех стран…»

Несмотря на явную утопичность этих идей, создатели практической космонавтики всегда признавали необходимость конструирования автономной биосферы в качестве одного из обязательных условий обеспечения космической экспансии. Первые серьезные эксперименты в данном направлении предприняли сотрудники Красноярского института биофизики Сибирского отделения АН СССР. В 1964 году в системе «БИОС-1» была осуществлена замкнутая по газообмену двухзвенная система жизнеобеспечения «человек – хлорелла». Одноклеточные водоросли очень хорошо поглощали углекислый газ и вырабатывали кислород, однако оказалось, что хлорелла малопригодна для питания человека. В 1965 году в эксперименте «БИОС-2», кроме водорослей, использовались и высшие растения – пшеница, овощи. Добровольцы пытались есть хлореллу, добавляя в нее различные пищевые добавки, жарили ее, пекли пироги с хлореллой. Однако результат был тот же – эти водоросли в принципе не усваиваются человеческим организмом, вызывая отрыжку, метеоризм, тошноту и даже острую аллергическую реакцию. Дело в том, что гемицеллюлоза, из которой построена оболочка клетки хлореллы, практически не разрушается в желудочно-кишечном тракте, поэтому водоросль не может быть использована для питания человека.

Примерно в то же время к разработкам замкнутой системы жизнеобеспечения подключился московский Институт медико-биологических проблем. Наибольшую известность получил вышеупомянутый эксперимент «Год в „Звездолете“», проведенный с ноября 1967 по ноябрь 1968 года. В составе наземного комплекса, имитирующего жилой отсек «ТМК», была и гидропонная оранжерея, которая действительно демонстрировала неплохую урожайность, обеспечивая экипаж свежей зеленью. В ходе эксперимента было отмечено, что оранжерея требует особого ухода и в то же время не может обеспечить полноценного снабжения экипажа продуктами питания. Теоретически максимальный коэффициент замкнутости веществ в таких системах составляет 90–95 %. Следовательно, даже в идеальном случае около 5–10 % компонентов должны восполняться из запасов. Кроме того, полноценная пища человека должна включать в себя белки животного происхождения – растительные белки скомпенсировать их отсутствие не могут, в них не хватает серосодержащих аминокислот. Есть и другие трудности – половина биомассы, образованной высшими растениями, несъедобна для человека, а без специальной обработки ее нельзя использовать даже в качестве удобрений.

Широкий резонанс получили исследования в большом комплексе «БИОС-3» объемом 315 м³, построенном в подвале Института биофизики. Понимая, что воспроизвести весь земной цикл невозможно, ученые поставили целью сделать минимальную биосферу – из трех звеньев: «человек – хлорелла – растения». Строительство комплекса завершилось в 1972 году. В «БИОС-3» были проведены десять экспериментов с экипажами от одного до трех человек. Самый продолжительный эксперимент проходил 180 дней (1972–1973 годы). Удалось достичь полного замыкания системы по газу и воде и до 80 % потребностей экипажа в пище. В оранжереях при искусственном освещении выращивались пшеница, соя, салат, чуфа. Растения имели укороченные стебли, что позволяло снизить количество отходов. Продукты животного происхождения поставлялись в виде консервов. Дольше всех в «БИОС-3» прожил инженер Николай Бугреев – в общей сложности тринадцать месяцев.

Если на Земле высшие растения удалось сравнительно легко включить в состав искусственной биосферы, то в космосе с этим возникли затруднения. Основоположники предполагали, что факторы космического полета окажутся скорее благоприятными для развития растений, причем прогнозировалась фантастическая урожайность. Первые исследования, проведенные на «Союзе-9», «Зонде-8», «Союзе-12» с ростками пшеницы, картофеля, гороха, подтверждали предвидения теоретиков. Освободившись от тяжести, растения и вправду росли подчас быстрее, чем на Земле. Весьма обнадеживающими поначалу выглядели и результаты, полученные на орбитальной станции «Салют-4» в миниатюрной оранжерее «Оазис-1». Горох и лук, высаженные в ней, выросли до нормальных размеров.

Однако попытки вырастить растения из семян оказались неудачными. У опытных образцов, по сравнению с контрольными, медленнее росли стебли и образовывались первые настоящие листочки; затем многие из них захирели и увяли, не дав плодов. Космонавт Валерий Рюмин, который провел 175 дней на орбитальной станции «Салют-6», показывая перед бортовой телекамерой увядшие ростки огуречной рассады, комментировал: «Второй раз сажаем семена, и опять та же история: как только кончается то, что заложено природой в семени, рост прекращается и растение погибает».

Позднее на «Салюте-6» побывала установка «Лютик» с тюльпанами – луковицы были пророщены на Земле, и им оставалось только распуститься. Но делать этого они категорически не захотели. Тогда ученые предприняли попытку обмануть суровый космос, послав на орбиту блок «Малахит-2» с уже распустившимися орхидеями. Цветы опали почти сразу же, но сами растения дали прирост, у них образовались не только новые листья, но и воздушные корни. Что примечательно, вернувшись на Землю, орхидеи обильно зацвели.

Эксперименты с растениями были продолжены на станции «Салют-7» в оранжерее «Фитон-3». 2 августа 1982 года космонавт Валентин Лебедев сообщил, что невзрачный сорняк арабидопсис (родственник горчицы и капусты) наконец-то зацвел. Прибывшей на станцию Светлане Савицкой экипаж вручил небольшой букетик из цветов арабидопсиса. Она тщательно зарисовала его. На рисунке запечатлены семь растений высотой до 10 см; при подсчетах на Земле в их стручках обнаружили 200 семян. Этот опыт опроверг крепнувшее в научном мире мнение о невозможности полноценного развития растений (от семени до семени) в условиях космического полета. Правда, арабидопсис – самоопылитель, оплодотворение у него происходит еще до раскрытия бутона.

Для орбитальной станции «Мир» была создана оранжерея нового поколения «Свет». Она проработала в составе модуля «Кристалл» с 1990 по 2000 годы. В этой оранжерее космонавтам удалось вырастить корнеплоды редиса, а также добиться полного цикла роста и вызревания в нормальные сроки жизнеспособных семян у сурепки, арабидопсиса и пшеницы.

В ноябре 1998 года на «Мире» начался эксперимент «Оранжерея-4». Космонавты пытались прорастить пшеницу сорта «Апогей». К 15 января 1999 года началось колошение пшеницы, 27 января – в колосьях появились семена. У всех растений были зерна. 22 февраля за день до спуска на Землю космонавты срезали 29 колосьев и уложили их в специальную тару. На орбите оставили 12 зерен, которые были посеяны 9 марта 1999 года и дали всходы. В ходе эксперимента было получено в общей сложности 508 зерен.

Успехом завершился и эксперимент «Оранжерея-6», в рамках которого экипаж «Мира» выращивал листовые культуры: мизуну, пекинскую капусту, брокколи рааб и красную гигантскую горчицу. 24 мая 2000 года космонавты произвели посев, и уже через неделю все растения взошли, а еще через несколько дней космонавты смогли оценить вкус нежных листочков.

Космические огороды были заведены и на Международной космической станции. В период с марта 2003 года по апрель 2005 года в оранжерее «Лада» космонавты провели пять экспериментов по культивированию генетически маркированных растений карликового гороха и получили четыре «космических» поколения этого растения. Результаты проведенной работы показали, что горох в течение полного цикла выращивания практически не отличается от контрольных образцов на Земле.

В конце концов удалось определить и главную причину проблем проращивания семян и «отказа» высших растений от цветения. Ученые Института общей физики Российской Академии наук, использовав высокочувствительный диодно-лазерный спектрометр, достоверно установили, что молодые проростки высших растений не производят, а потребляют кислород, выделяя в атмосферу окись углерода, причем наиболее активно этот процесс идет в теплое время года. На борту орбитальной станции создан «летний» температурный режим, однако при этом газовый состав искусственной атмосферы поддерживается на заданном уровне, наиболее подходящем для человека. Если же состав изменить в пользу ростков, то люди начнут задыхаться. Получается, человек и растение плохо совместимы в герметичном объеме. Решение тут только одно – изолировать отсеки с молодыми ростками от жилого объема станции, пока не пройдет начальный период вегетации.

Понятно, что эксперименты с растениями будут продолжены в дальнейшем, причем в двух направлениях: совершенствование конструкции оранжерей и селекция новых сортов растений, лучше приспособленных к условиям космического корабля. Пока же данные, которые удалось накопить ученым, заставляют сделать малоутешительные выводы. Хотя высшие растения удалось заставить жить и размножаться в условиях космического полета, они не дают каких-то особенных всходов и обильных урожаев. Исследования также показали, что в третьем поколении резко падает продуктивность орбитальных оранжерей – это обусловлено снижением в корневом модуле питательных веществ и накоплением продуктов метаболизма. Следовательно, модули придется регулярно заменять новыми. А как это сделать в условиях продолжительного космического полета? Брать с собой запас? Такой вариант возможен, однако он натыкается на серьезное препятствие: согласно расчетам, космическая оранжерея способна регенерировать всего лишь до 5 % кислорода, до 3,6 % воды и около 1 % основных элементов питания в общем балансе экспедиции. При этом она нуждается в непрерывном контроле и тщательном уходе. Позитивный эффект от присутствия растений на борту межпланетного корабля только один – психологический: космонавтам нравится работать с оранжереей и пользоваться результатами своего труда.

Еще бо?льшие проблемы возникли при первых опытах с птицами, которых предполагалось взять в полет с целью пополнения рациона космонавтов свежим мясом. Для экспериментов были выбраны японские перепела. Они мельче кур (взрослая особь весит около ста граммов), причем их масса, приходящаяся на единицу корма, значительно выше, чем у курицы. Перепелиные яйца тоже невелики, но вкусны, по питательной ценности не уступают куриным и очень полезны: в них содержится лизоцим – вещество, укрепляющее иммунную систему. Кроме того, перепел не болеет (температура тела птицы около +41 °C, а сальмонелла гибнет при температуре +38 °C). Очень важно и то, что японским перепелам не требуется много времени для развития: 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 некоторые особи дают по два яйца в сутки.

Впервые перепелиные яйца попали на орбиту в 1979 году на борту биоспутника «Космос-1129» в установке «Инкубатор-1». Ученые хотели установить, смогут ли в условиях невесомости развиваться эмбрионы птенцов. Выяснилось, что развитие эмбрионов шло не хуже, чем на Земле. Опыт учли при создании новой установки «Инкубатор-2» для экспериментов на станции «Мир». Первым живым существом, родившимся в космосе, стал перепеленок, пробивший скорлупу 22 марта 1990 года. За ним появился второй, третий. Однако перепелята не смогли адаптироваться к условиям невесомости. Они хаотично летали внутри отсека. Из-за невозможности фиксировать тело в пространстве птенцы не смогли самостоятельно кормиться и вскоре погибли.

В 1992 году на орбиту было отправлено 40 яиц и специальные мешки-фиксаторы для имитации гравитационного воздействия. Тогда вывелось шесть птенцов, которые затем были доставлены на Землю, став ценным научным материалом для биологов. В 1999 году на «Мире» продолжили эксперимент, который получил название «Перепел СК-6». На этот раз планировалось изучить поведение птенцов в первые сутки жизни в условиях искусственной «гравитации», для чего использовалась специальная центрифуга, дававшая нагрузку от 0,3 до 0,8 g. Однако центрифуга сломалась, проработав всего 15 часов. По просьбе ученых десять птенцов разместили в спускаемом аппарате и отправили на Землю. Из них выжили только трое.

Таким образом, результат этих экспериментов неоднозначен. Зародыши внутри яиц развиваются нормально, однако птенцы не могут приспособиться к невесомости и погибают без специальных фиксаторов. Очевидно, и здесь требуются продолжительные исследования, которые позволят сделать окончательные выводы о приспособляемости птиц к условиям космического полета.

Наверное, многие проблемы можно было бы решить, создав на корабле искусственную «гравитацию». Теоретики космонавтики считают, что нет никаких противопоказаний для замены силы тяжести центробежной силой. Подсчитано, что оптимальной скоростью вращения должна быть скорость 10 град/с с радиусом вращения 90 м – в этом случае искусственная сила тяжести приобретет величину, равную 0,25–0,35 g, чего вполне достаточно для устранения вредоносного воздействия невесомости на экипаж и биосферу корабля. Однако те, кто видит «панацею» в раскрутке корабля, обычно забывают о силе Кориолиса, которая проявляет себя именно в раскрученных системах. А ее проявления весьма неприятны: брошенный предмет относит в бок, вытянутая рука сама отклоняется в сторону. Что если адаптация к такой среде окажется еще труднее, чем адаптация к невесомости? Может ли система искусственной «гравитации» гарантировать, что космонавты в таких условиях будут точно и быстро выполнять все необходимые операции? Следовательно, раньше или позже придется провести соответствующий эксперимент.

Имеются и другие опасные космические факторы, влияние которых на человека, животных и растения изучены крайне слабо. На Земле и низких околоземных орбитах мы защищены от воздействия космических частиц незримым толстым «щитом» магнитных полей, задерживающих их в радиационных поясах. В межпланетном пространстве от потока частиц космонавта защищает только тонкая стенка корабля.

Чтобы разобраться, какие дозы радиации опасны, воспользуемся устаревшей, но весьма наглядной единицей измерения – биологическим эквивалентом рентгена (бэр). Один бэр соответствует такому облучению живого организма, при котором наблюдается тот же биологический эффект, что и при получении дозы гамма-излучения в один рентген. Для работников атомных электростанций, которые постоянно работают с источниками ионизирующих излучений, медицинскими нормативами установлен предел в 30 бэр в год, что на два порядка выше естественного фона у поверхности Земли. Для советских космонавтов был установлен норматив 150 бэр в год, причем однократная доза «оправданного риска», которую космонавт мог получить, например, при выходе в открытый космос в условиях солнечной вспышки, не должна превышать 50 бэр (к развитию лучевой болезни гарантировано приводит однократная доза в 100 бэр). Сегодня установлены более жесткие нормативы: для российских космонавтов – 66 бэр в год, для американских астронавтов – 50 бэр в год. В реальности космонавты, работающие на Международной космической станции, «набирают» от 0,1 до 0,8 бэр в сутки, что с учетом неравномерности получаемых доз считается приемлемым. Во время рекордной по интенсивности вспышки на Солнце, которая произошла 20 января 2005 года, экипаж МКС «поймал» по 1 бэр, что примерно соответствует облучению во время посещения рентгеновского кабинета.

Но это на орбитальной станции, которая имеет неплохую защиту и прикрыта магнитным полем Земли. Что будет с дозой и космонавтами в дальнем космосе, если произойдет сравнимая по мощности вспышка? Точно не может сказать никто. Считается, что если бы в момент этой вспышки космонавт находился на Луне, то он получил бы довольно серьезную дозу: 35 бэр внутри корабля и 400 бэр в скафандре на поверхности – последняя названная доза почти неизбежно привела бы к лучевой болезни со смертельным исходом. Но даже без вспышек экипаж межпланетного корабля будет подвергаться воздействию солнечных и галактических лучей. Исследования, проведенные аппаратом «Марс Одиссей», показали, что на орбите Марса суммарное излучение примерно в два с лишним раза больше, чем на орбите МКС, и составляет 0,22 бэр в сутки. А поскольку Марс имеет очень слабое магнитное поле (примерно в 800 раз слабее земного), то примерно такую же дозу космонавты будут получать, высадившись на поверхность. Элементарный расчет показывает, что если экспедиция продлится два года, то ее участники наберут 160 бэр, что находится за пределами современных нормативов.

Причем следует помнить, что радиация оказывает вредоносное воздействие не только на людей, но и на животных, и на растения. Скажем, биологи установили, что наиболее подходящими растениями для космической оранжереи являются картофель, фасоль, свекла и салат – но эти же растения оказались наименее устойчивы к ионизирующей радиации.

Еще меньше, чем о воздействии радиации, известно о том, как повлияет на наши организмы длительное нахождение вне геомагнитного поля (гипомагнитная среда). На Земле все организмы находятся в магнитном поле – мы появились и эволюционировали в нем. Наши жизненные ритмы напрямую связаны с его естественными колебаниями и наложенными на них переменными магнитными полями, обусловленными изменениями в ионосфере и магнитосфере. Величина магнитного поля в межпланетном пространстве и на Марсе будет соответственно в 10–4 и 10–3 раз меньше, чем на Земле. Уже имеются данные о неблагоприятном влиянии пониженного магнитного поля на жизнедеятельность человека: в частности, выявлены неблагоприятные функциональные сдвиги в нервной, сердечно-сосудистой и иммунной системах. Придется спроектировать, построить и испытать некую систему, которая создавала бы на межпланетном корабле магнитное поле, близкое по напряженности полю Земли, одновременно защищая экипаж от космического излучения. Однако эта задача с точки зрения технического воплощения будет посложнее искусственной «гравитации». Расчеты показывают, что для эффективной электромагнитной защиты корабля объемом 100 м³ понадобится соленоид диаметром 4 м и длиной 2 м, причем его потребляемая мощность составит 2000 мегаватт! Где взять такую бездну энергии? Похоже, все-таки придется обойтись классической защитой – толстыми стенками корабля, которые хоть и утяжелят его, но не будут требовать огромной энергии. Что касается биологической «зависимости» от магнитного поля, то этот вопрос еще требует изучения – на Земле и в космосе.

Все эти проблемы необходимо решить еще до того, как начнется подготовка к пилотируемой экспедиции на Марс. Нет уверенности, что мы все знаем о коварстве невесомости и научились компенсировать ее вредоносное воздействие. Нет надежной автономной биосферы, не определен ее элементарный состав. Нет проверенной в деле защиты от космических лучей и солнечных вспышек. Нет данных о влиянии природного магнитного поля. Вопросов очень много. И лететь на Марс, не получив твердый ответ на каждый из них, будет форменным самоубийством.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.