Scientific American (США): спасут ли планету космические полеты? - «Наука и техника»

Добавлено 15-сен-2019, 00:21 От Злата

Планета нагревается, океаны окисляются, леса Амазонии полыхают, а Арктику вместо снега засыпало микропластиком. Вред от человечества, считают эксперты, столь велик, что экологическая катастрофа глобального масштаба уже началась. Даже оптимистам тяжело отрицать, что наш экологический след больше смахивает на отпечатки тяжелых башмаков, которыми мы топчем лицо планеты. На этом мрачном фоне назревает резонный вопрос: а не безрассудно ли выкидывать огромные деньги на отправку людей в дальний космос, в другие миры? А, может, наоборот, это циничное решение насущных проблем планеты, падающей в штопор?
Тем не менее космические полеты вполне могут дать человечеству гораздо больше, чем просто спасительную соломинку эксцентричным миллиардерам. Будь то современные космические аппараты на околоземной орбите или будущие форпосты на Луне или Марсе, но воспроизвести жизненный цикл за пределами нашей планеты нам так или иначе придется. И для нынешних и будущих полетов в космос нужны технологии замкнутого цикла и всеобщей переработки, — они обеспечат неиссякаемый приток воды, воздуха и пищи.
С другой стороны, мы уже знаем, как мы подвергаем опасности планету, и что с этим нужно делать. «Все инструменты, необходимые для устойчивой жизнедеятельности, имеются уже здесь и сейчас, — считает Кейт Марвел (Kate Marvel), климатолог Колумбийского университета и сотрудник НАСА. — Да, проблему изменения климата мы все никак не решим, но вовсе не потому, что нас влечет космос». Одними космическими полетами Землю не спасти, а тем более — наивными мечтами покинуть родную планету.
Консервная банка сельского хозяйства
Без технологических инноваций в космосе не выжить, однако прошлые решения носили сугубо временный характер. Вспомните хотя бы серию пилотируемых полетов НАСА на космических кораблях «Апполон», — их предельная длительность достигала 12 дней. Но перемены уже на пороге: администрация Трампа обещает высадиться на Луну к 2024 году. Люк Робертсон (Luke Robertson), старший научный сотрудник по летным испытаниям Космического центра Кеннеди НАСА говорит, что агентство намерено возвести на лунной поверхности устойчивую инфраструктуру уже к 2028 году, а это потребует создания долгосрочных и пополняемых хранилищ пищи, воздуха и воды.
Некоторые из этих технологий выйдут за пределы космонавтики. В конце концов, немало изобретений, разработанных космическими агентствами, перекочевали в коммерческий сектор. Взять, хотя бы, ряд проектов, ориентированных на экологию, — включая экоустойчивое производство масла и использование светодиодного освещения для культивации сельскохозяйственных культур.
Собирать урожаи в космосе — задача нетривиальная. Поэтому ключевая роль на борту Международной космической станции (МКС), где для производства продовольствия внедрены такие энергоэффективные методы как система Вегги, отводится технологиям вроде специализированного освещения и современных датчиков, объясняет растениевод НАСА Джойя Масса (Gioia Massa). Светодиоды для роста растений впервые применены в 1980-х годах в рамках экспериментов НАСА. В наши дни, отмечает Масса, в тепличном растениеводстве эта технология экономит огромное количество энергии.
Еще НАСА сотрудничало с «Флорикан» (Florikan). Эта компания разрабатывает удобрения с полимерным покрытием, благодаря которому питательные вещества высвобождаются медленно и постепенно. Эти помогает снизить стоки удобрений в окружающую среду и снизить экологический ущерб. Удобрения, говорит Масса, успешно применяются в космосе и хорошо себя зарекомендовали на МКС. Пусть они и предназначены для дальнейшего использования в космосе, однако успешно применяются и в коммерческом сельском хозяйстве.
Некоторые экологические новшества появились на свет только потому, что НАСА работает над ответственным природопользованием, говорит Даниэл Локни (Daniel Lockney), глава отдела по передаче технологий. Строительство космического оборудования на Земле — дело грязное. Топливо, краски, растворители и другие ядовитые материалы могут попасть в окружающую среду. Вот почему НАСА разработало эмульгированное железо с нулевой валентностью (EZVI) — этот материал «прилипает» к хлорированным растворителям в подземных водах. Поначалу он использовался для очистки стартовых площадок, однако постепенно стал применяться на химических заводах и сильно загрязненных участках в рамках государственной программы «Суперфонд» (Superfund).
Космонавтам и землянам одинаково необходим запас питьевой воды. Отравленная вода каждый год убивает миллионы людей, и чтобы предотвратить эту трагедию хороши все средства.
Наглядный пример, как эту проблему может решить НАСА, — это микробиологический обратный клапан. Изначально система была разработана для американских космических кораблей, но ее усовершенствованная версия установлена на борту МКС, пассивно предотвращая попадание вредных микробов в резервуары с питьевой водой. Другие модификации работают на Земле, обеспечивая чистоту воды в загрязненных областях без доступа к электричеству — а еще в зубоврачебных кабинетах. (Помните жидкость, которой вы полощите рот после осмотра врача? Так вот, эта вода прошла ту же очистку, чтобы свести к минимуму риск инфекций полости рта).
Роберсон и Мелани Пикетт (Melanie Pickett), научный сотрудник НАСА с ученой степенью, работают над системами очистки воды для космических полетов, в том числе на МКС. Сейчас сточные воды очищают при помощи химических веществ. «Но эти химикаты нельзя считать экоустойчивыми», — говорит Роберсон. Система требует постоянного пополнения запасов с Земли. Они с Пикетт как раз разрабатывают новые системы, где для переработки отходов применяются растения и микробы. В конечном счете это окажется новым словом и в работе туалетов и септиков на Земле.
Как и с водой, сделать пригодный для дыхания воздух безграничным ресурсом в космосе отнюдь не просто. На МКС кислород традиционно добывается из воды — ее приходится постоянно завозить с Земли, а это дорого и расточительно. С 2018 года Европейское космическое агентство (ЕКА) пытается изменить положение при помощи новой усовершенствованной системы с замкнутым контуром, которая очищает атмосферу на космической станции от углекислого газа, выдает кислород для пополнения запасов пригодного для дыхания воздуха и при этом экономит воду.
Пусть и в несоизмеримо большем масштабе и с иными эксплуатационными требованиями, системы улавливания углерода очень пригодятся и на Земле — как часть комплексного решения климатических проблем. Технология, разработанная для космоса, вполне может заработать и на Земле.
Случайные дополнительные эффекты
Один из главных принципов всех этих новшеств, — чтобы ничего не пропадало зря. В космосе, отмечает Масса, даже отходы считаются ценным ресурсом, избавляться от них безрассудно. На этом и строятся системы замкнутого цикла: в идеале перерабатываются все без исключения компоненты, и отходов не создается совсем. Представьте себе герметичный террариум, где миниатюрные растительные экосистемы живут и процветают десятилетиями без малейшего вмешательства извне.
Проект «Альтернатива микроэкологической системы жизнеобеспечения» или «Мелисса» (MELiSSA) строго следует этому принципу. С помощью постоянно совершенствуемой пилотной установки в Барселоне этот проект под эгидой Европейского космического агентства (ЕКА) работает над созданием замкнутой биологической системы жизнеобеспечения.
Пилотную установку, где для переработки отходов, очистки воздуха, снабжения кислородом и производства пищи используется фотосинтез, населяют не космонавты, а крысы. За время ее работы сменилось уже несколько поколений животных, и доселе среди них не было жертв. Ряд связанных с «Мелиссой» экспериментов — например, «Артемисс» (Artemiss), по производству пищевой биомассы и кислорода на основе фотосинтеза — успешно внедряются на МКС.
Проект был запущен в 1989 году, чтобы к середине 2020-х годов создать систему жизнеобеспечения экипажа в длительном межпланетном путешествии. Его результаты оказались многообещающи, говорит глава «Мелиссы» в ЕКА Крисоф Лассёр (Christophe Lasseur). Например, та же технология очистки мочи может применяться в удаленных районах и местах стихийных бедствий — что поможет сэкономить на дорогостоящей доставке питьевой воды издалека.
Высокие идеалы — это одно, но критерий всякой истины — практика. Далеко не все новшества воплощаются в жизнь, да к тому же точно не в одночасье. Как объясняет Робертсон, его собственные изобретения выходят на коммерческий уровень в среднем за семь-десять лет. «Мелисса» же рассчитана на 50 лет.
Приходится запасаться терпением. «Вообще, это весьма дальновидно, — считает Локни. — Мы же не сомневаемся, что вода мокрая. Вот и вложения в новые эксперименты рано или поздно дадут нам изобретения, которые принесут пользу всему человечеству».
Новшества лишь подчеркивают, сколь необходимо вкладываться в проектно-конструкторскую работу. «Самое любопытное в науке — это что вы никогда не знаете, что получится в конечном счете», — говорит Марвел. В конце концов, никто не и не гадал, что из одного и того же начинания получатся интернет и Большой адронный коллайдер.
Если не брать в расчет длительные сроки и элемент непредсказуемости, космонавтика уже помогла создать целый ряд эффективных (если не революционных) потребительских технологий. Почему же они по-прежнему мало известны широкой общественности? Чед Андерсон (Chad Anderson), генеральный директор венчурной группы «Спейс эйнджелс» (Space Angels), считает, что отчасти это можно списать на дурной маркетинг.
Андерсон считает, что передача технологий из космонавтики привела к значительным подвижкам в области экоустойчивого производства, а также и в более будничных сферах: в транспорте, здравоохранении и коммуникациях. Проблема в том, что космическим агентствам не удается эффективно прорекламировать свои истории успеха среди широкой общественности. «Космические компании печально знамениты слабой саморекламой», — говорит Андерсон.
По иронии судьбы, говорит Андерсон, борьба со сложившейся ситуацией, отражает проблему еще более масштабную. Возьмем, к примеру, корпоративное издание НАСА журнал «Спинофф» (Spinoff), который с 1976 года освещает технологические новинки. Несмотря на свою солидную родословную, журнал остается изданием узкоспециальным и малодоступным, — его почти не читают, а многие про него и вовсе не слышали. Чтобы заинтересовать публику и выйти на массового читателя, Андерсон рекомендует четче акцентировать взаимосвязь между космонавтикой и повседневностью.
Милая, я уменьшил планету
Как бы то ни было, экологические инновации лишь приветствуются, но полагаться на одни технологические решения мы не можем. Земля вполне пригодна для жизни, считает Марвел, и нечего стремиться переселиться в консервные банки. К счастью, некоторые проекты не только позволяют выжить в космосе, но помогают нам лучше узнать нашу собственную планету.
Возьмем хотя бы знаменитую «Биосферу-2» в Аризоне. В 1990-х здесь прошел передовой эксперимент: тщательно отобранных мужчин и женщин поместили в некую изолированную среду обитания на два года, чтобы понаблюдать за развитием их взаимоотношений и экосистемы (Подразумевается, что «Биосфера-1» — это Земля).
Хотя большинству «Биосфера-2» запомнилась эпизодом, когда уровень кислорода упал настолько, что жизнь обитателей оказалась под угрозой и потребовалось вмешательства извне, эксперимент оказался успешнее, чем может показаться. Ученые многое поняли о системах жизнеобеспечения Земли, а разные научные работы посыпались как из рога изобилия. Такова, собственно, и была задумка: разобраться в различных системах Земли, чтобы лучше хозяйничать на планете, объясняет Джон Адамс, нынешний заместитель директора сооружения, которое впоследствии перешло к Университету Аризоны.
Сегодня на объекте воспроизводится нескольких модельных экосистем — от натуралистичных дождевых лесов до океанической толщи. Управляя различными элементами этих экосистем вместе и поодиночке, ученые пытаются понять, как работают (и ломаются) их прообразы из реального мира.
На том же самом месте, но уже не в рамках первоначального эксперимента «Биосфера-2», функционирует Обсерватория эволюции ландшафта. Она состоит из трех массивных структур, построенных на склоне вулканического базальта, который во многих отношениях напоминает местность Марса. Питер Трох (Peter Troch), научный директор «Биосферы-2», объясняет, что обсерватория помогает понять, как превратить безжизненный пейзаж в нечто экоустойчивое. «Как правило, физический и биологический миры крепко спаяны воедино, и разъединить их, чтобы разобраться в динамике их взаимоотношений и соединить их заново, непросто», — говорит Адамс. Обсерватория эволюции ландшафта для этого «экологического вскрытия» и предназначена.
Хотя нацелена эта работа главным образом на космическую среду, отмечает Трох, полученные знания могут помочь восстановить экосистемы Земли, подвергшиеся самой серьезной деградации. «Будь то в космосе и на Земле, мы решаем одни и те же проблемы», — говорит Даниэле Лаурини (Daniele Laurini), глава исследовательских систем ЕКА.
Первостепенное значение здесь имеет понимание Земли. «Если мы так и не разберемся, как работают земные системы, благодаря которым мы живем и от которых зависим, — то с чего мы вообразили, что сможем их воссоздать?» — спрашивает Адамс.
Космические технологии, безусловно, играют ключевую роль — и не только в системах жизнеобеспечения. В конце концов, благодаря тем же спутникам мы уже несколько десятилетий наблюдаем за планетой с невиданным уровнем детализации. Для климатологов и экологов это был переломный момент, отмечает Марвел.
Но если мы сохраним Землю пригодной для жизни, — а решить этот кризис нам уже вполне по силам, — то какой смысл стремиться к звездам? Можно производить кислород на Марсе, чтобы было чем дышать, или выращивать салат на Луне, чтобы было что есть, но Земля нам уже все это дала, говорит Масса. Возможно, размышляет она, проблемы выживания в космосе заставят людей больше ценить всё то, что мы считаем само собой разумеющимся у себя дома.
Робин Джордж Эндрюс — вулканолог и популяризатор науки, живет в Лондоне

•••

YouTube покоряет малобюджетная версия фильма о Гарри Поттере

Планета нагревается, океаны окисляются, леса Амазонии полыхают, а Арктику вместо снега засыпало микропластиком. Вред от человечества, считают эксперты, столь велик, что экологическая катастрофа глобального масштаба уже началась. Даже оптимистам тяжело отрицать, что наш экологический след больше смахивает на отпечатки тяжелых башмаков, которыми мы топчем лицо планеты. На этом мрачном фоне назревает резонный вопрос: а не безрассудно ли выкидывать огромные деньги на отправку людей в дальний космос, в другие миры? А, может, наоборот, это циничное решение насущных проблем планеты, падающей в штопор? Тем не менее космические полеты вполне могут дать человечеству гораздо больше, чем просто спасительную соломинку эксцентричным миллиардерам. Будь то современные космические аппараты на околоземной орбите или будущие форпосты на Луне или Марсе, но воспроизвести жизненный цикл за пределами нашей планеты нам так или иначе придется. И для нынешних и будущих полетов в космос нужны технологии замкнутого цикла и всеобщей переработки, — они обеспечат неиссякаемый приток воды, воздуха и пищи. С другой стороны, мы уже знаем, как мы подвергаем опасности планету, и что с этим нужно делать. «Все инструменты, необходимые для устойчивой жизнедеятельности, имеются уже здесь и сейчас, — считает Кейт Марвел (Kate Marvel), климатолог Колумбийского университета и сотрудник НАСА. — Да, проблему изменения климата мы все никак не решим, но вовсе не потому, что нас влечет космос». Одними космическими полетами Землю не спасти, а тем более — наивными мечтами покинуть родную планету. Консервная банка сельского хозяйства Без технологических инноваций в космосе не выжить, однако прошлые решения носили сугубо временный характер. Вспомните хотя бы серию пилотируемых полетов НАСА на космических кораблях «Апполон», — их предельная длительность достигала 12 дней. Но перемены уже на пороге: администрация Трампа обещает высадиться на Луну к 2024 году. Люк Робертсон (Luke Robertson), старший научный сотрудник по летным испытаниям Космического центра Кеннеди НАСА говорит, что агентство намерено возвести на лунной поверхности устойчивую инфраструктуру уже к 2028 году, а это потребует создания долгосрочных и пополняемых хранилищ пищи, воздуха и воды. Некоторые из этих технологий выйдут за пределы космонавтики. В конце концов, немало изобретений, разработанных космическими агентствами, перекочевали в коммерческий сектор. Взять, хотя бы, ряд проектов, ориентированных на экологию, — включая экоустойчивое производство масла и использование светодиодного освещения для культивации сельскохозяйственных культур. Собирать урожаи в космосе — задача нетривиальная. Поэтому ключевая роль на борту Международной космической станции (МКС), где для производства продовольствия внедрены такие энергоэффективные методы как система Вегги, отводится технологиям вроде специализированного освещения и современных датчиков, объясняет растениевод НАСА Джойя Масса (Gioia Massa). Светодиоды для роста растений впервые применены в 1980-х годах в рамках экспериментов НАСА. В наши дни, отмечает Масса, в тепличном растениеводстве эта технология экономит огромное количество энергии. Еще НАСА сотрудничало с «Флорикан» (Florikan). Эта компания разрабатывает удобрения с полимерным покрытием, благодаря которому питательные вещества высвобождаются медленно и постепенно. Эти помогает снизить стоки удобрений в окружающую среду и снизить экологический ущерб. Удобрения, говорит Масса, успешно применяются в космосе и хорошо себя зарекомендовали на МКС. Пусть они и предназначены для дальнейшего использования в космосе, однако успешно применяются и в коммерческом сельском хозяйстве. Некоторые экологические новшества появились на свет только потому, что НАСА работает над ответственным природопользованием, говорит Даниэл Локни (Daniel Lockney), глава отдела по передаче технологий. Строительство космического оборудования на Земле — дело грязное. Топливо, краски, растворители и другие ядовитые материалы могут попасть в окружающую среду. Вот почему НАСА разработало эмульгированное железо с нулевой валентностью (EZVI) — этот материал «прилипает» к хлорированным растворителям в подземных водах. Поначалу он использовался для очистки стартовых площадок, однако постепенно стал применяться на химических заводах и сильно загрязненных участках в рамках государственной программы «Суперфонд» (Superfund). Космонавтам и землянам одинаково необходим запас питьевой воды. Отравленная вода каждый год убивает миллионы людей, и чтобы предотвратить эту трагедию хороши все средства. Наглядный пример, как эту проблему может решить НАСА, — это микробиологический обратный клапан. Изначально система была разработана для американских космических кораблей, но ее усовершенствованная версия установлена на борту МКС, пассивно предотвращая попадание вредных микробов в резервуары с питьевой водой. Другие модификации работают на Земле, обеспечивая чистоту воды в загрязненных областях без доступа к электричеству — а еще в зубоврачебных кабинетах. (Помните жидкость, которой вы полощите рот после осмотра врача? Так вот, эта вода прошла ту же очистку, чтобы свести к минимуму риск инфекций полости рта). Роберсон и Мелани Пикетт (Melanie Pickett), научный сотрудник НАСА с ученой степенью, работают над системами очистки воды для космических полетов, в том числе на МКС. Сейчас сточные воды очищают при помощи химических веществ. «Но эти химикаты нельзя считать экоустойчивыми», — говорит Роберсон. Система требует постоянного пополнения запасов с Земли. Они с Пикетт как раз разрабатывают новые системы, где для переработки отходов применяются растения и микробы. В конечном счете это окажется новым словом и в работе туалетов и септиков на Земле. Как и с водой, сделать пригодный для дыхания воздух безграничным ресурсом в космосе отнюдь не просто. На МКС кислород традиционно добывается из воды — ее приходится постоянно завозить с Земли, а это дорого и расточительно. С 2018 года Европейское космическое агентство (ЕКА) пытается изменить положение при помощи новой усовершенствованной системы с замкнутым контуром, которая очищает атмосферу на космической станции от углекислого газа, выдает кислород для пополнения запасов пригодного для дыхания воздуха и при этом экономит воду. Пусть и в несоизмеримо большем масштабе и с иными эксплуатационными требованиями, системы улавливания углерода очень пригодятся и на Земле — как часть комплексного решения климатических проблем. Технология, разработанная для космоса, вполне может заработать и на Земле. Случайные дополнительные эффекты Один из главных принципов всех этих новшеств, — чтобы ничего не пропадало зря. В космосе, отмечает Масса, даже отходы считаются ценным ресурсом, избавляться от них безрассудно. На этом и строятся системы замкнутого цикла: в идеале перерабатываются все без исключения компоненты, и отходов не создается совсем. Представьте себе герметичный террариум, где миниатюрные растительные экосистемы живут и процветают десятилетиями без малейшего вмешательства извне. Проект «Альтернатива микроэкологической системы жизнеобеспечения» или «Мелисса» (MELiSSA) строго следует этому принципу. С помощью постоянно совершенствуемой пилотной установки в Барселоне этот проект под эгидой Европейского космического агентства (ЕКА) работает над созданием замкнутой биологической системы жизнеобеспечения. Пилотную установку, где для переработки отходов, очистки воздуха, снабжения кислородом и производства пищи используется фотосинтез, населяют не космонавты, а крысы. За время ее работы сменилось уже несколько поколений животных, и доселе среди них не было жертв. Ряд связанных с «Мелиссой» экспериментов — например, «Артемисс» (Artemiss), по производству пищевой биомассы и кислорода на основе фотосинтеза — успешно внедряются на МКС. Проект был запущен в 1989 году, чтобы к середине 2020-х годов создать систему жизнеобеспечения экипажа в длительном межпланетном путешествии. Его результаты оказались многообещающи, говорит глава «Мелиссы» в ЕКА Крисоф Лассёр (Christophe Lasseur). Например, та же технология очистки мочи может применяться в удаленных районах и местах стихийных бедствий — что поможет сэкономить на дорогостоящей доставке питьевой воды издалека. Высокие идеалы — это одно, но критерий всякой истины — практика. Далеко не все новшества воплощаются в жизнь, да к тому же точно не в одночасье. Как объясняет Робертсон, его собственные изобретения выходят на коммерческий уровень в среднем за семь-десять лет. «Мелисса» же рассчитана на 50 лет. Приходится запасаться терпением. «Вообще, это весьма дальновидно, — считает Локни. — Мы же не сомневаемся, что вода мокрая. Вот и вложения в новые эксперименты рано или поздно дадут нам изобретения, которые принесут пользу всему человечеству». Новшества лишь подчеркивают, сколь необходимо вкладываться в проектно-конструкторскую работу. «Самое любопытное в науке — это что вы никогда не знаете, что получится в конечном счете», — говорит Марвел. В конце концов, никто не и не гадал, что из одного и того же начинания получатся интернет и Большой адронный коллайдер. Если не брать в расчет длительные сроки и элемент непредсказуемости, космонавтика уже помогла создать целый ряд эффективных (если не революционных) потребительских технологий. Почему же они по-прежнему мало известны широкой общественности? Чед Андерсон (Chad Anderson), генеральный директор венчурной группы «Спейс эйнджелс» (Space Angels), считает, что отчасти это можно списать на дурной маркетинг. Андерсон считает, что передача технологий из космонавтики привела к значительным подвижкам в области экоустойчивого производства, а также и в более будничных сферах: в транспорте, здравоохранении и коммуникациях. Проблема в том, что космическим агентствам не удается эффективно прорекламировать свои истории успеха среди широкой общественности. «Космические компании печально знамениты слабой саморекламой», — говорит Андерсон. По иронии судьбы, говорит Андерсон, борьба со сложившейся ситуацией, отражает проблему еще более масштабную.