«Наука в Сибири» поговорила с учеными о том, что может ждать в будущем исследователей космоса и участников пилотируемых полетов и какие исследования в этой области ведутся в сибирских институтах.

Подобная идея легла в основу лунной гонки, обусловленной прежде всего геополитическими причинами и стремлением США к достижению собственных крупных успехов в освоении космоса. Задача была крайне амбициозной и очень затратной. Инструментом достижения этой цели стала программа «Аполлон». Она была несколько преждевременной, концентрация громадных усилий в запредельно сжатые сроки выпадала из общей логики развития космонавтики. Поэтому после высадки на Луну Нила Армстронга 21 июля 1969 года интенсивность лунных миссий упала на порядок (в 1960-е аппараты стартовали к Луне раз в несколько месяцев, но начиная с середины 1970-х — раз в несколько лет). Сейчас мы прочно закрепились в околоземном пространстве — наша жизнь во многом связана с искусственными спутниками, в космосе всё время летает Международная космическая станция с регулярно обновляющимся составом космонавтов и астронавтов, исследовательские аппараты нового поколения изучают досягаемые уголки Солнечной системы и многое другое. После ухода той былинной эпохи присутствие человека в космосе стало обычной частью жизни. Однако эта сфера не стоит на месте, и сейчас, спустя много лет, вновь нарастает интерес к пилотируемому исследованию далеких небесных объектов и в первую очередь — Луны.

С момента своего возникновения космонавтика претерпела сильные изменения. После реализации проектов пилотируемых полетов потребность в дальнейших полетах уменьшилась. В начале XXI века обсуждались умеренные практичные программы: развитие спутниковых систем связи, навигации, дистанционного зондирования Земли, метеоспутников. Громко звучала точка зрения, что даже на околоземных орбитах электроника полезнее человека, а постоянное пребывание людей на орбитальных станциях необязательно.

Сегодня, с одной стороны, бытует мнение, что жизненной необходимости отправлять пилотируемые экспедиции в дальний космос нет. Даже те, кто профессионально занимается подобными программами, говорят про логику развития науки, про далекое будущее, про диверсификацию мест проживания человечества на случай глобальной катастрофы, про то, что, если не начать сегодня, ничего не будет и послезавтра. С другой стороны, общая ситуация в корне изменилась. Всерьез обсуждается возвращение человека на Луну, к американскому лунному проекту «Артемида» присоединяются десятки стран, крупнейшие корпорации стремятся принять участие в подготовке этих миссий. О собственном пилотируемом походе на Луну объявил Китай, аналогичные планы есть и у госкорпорации «Роскосмос». НАСА утверждает, что пилотируемый полет к Марсу будет актуален в 2030-е годы, генеральный директор и главный инженер SpaceX Илон Маск рассчитывает, что ему удастся осуществить этот полет еще раньше.

По мнению ученого, фактически все необходимые технологии для реализации амбициозных планов пилотируемых полетов уже существуют. Конечно, что-то всегда нужно доработать, но это не принципиальные, а чисто технические, решаемые сравнительно быстро проблемы. Если говорить конкретно о целях изучения, то на первом месте стоит Луна, после нее — Марс, который долгое время будет единственной планетой, куда смогут летать люди. Затем, вероятно, будут осваивать объекты главного пояса астероидов — области Солнечной системы, расположенной между орбитами Марса и Юпитера.

Реализация космических программ требует больших трат и высокого технологического развития, поэтому отдельно взятой стране потребовалось бы очень много ресурсов. Исторически сложилось, что в космонавтике важны национальные амбиции. Этот фактор зачастую оказывается важнее рационального экономического подхода. Тем не менее в данной сфере, как и во всей современной науке, есть место своего рода консорциумам. США тесно сотрудничают со странами Европы — к примеру, служебный отсек нового корабля «Орион» создан в Старом Свете, а в соглашении «Артемида» участвуют многие страны, включая европейские, а также Канада, Австралия и даже Объединенные Арабские Эмираты.

Мы очень часто можем слышать об идее космического туризма: полеты на Луну или в другие внеземные пространства станут доступны каждому человеку. Однако современные, а также технологии обозримого будущего по-прежнему не позволяют избежать сильных перегрузок во время старта и посадки. «Конечно, во время баллистического спуска на первых образцах пилотируемой космической техники перегрузки были вдвое выше, чем во время управляемого спуска с использованием аэродинамического качества. Тем не менее любой человек, будь то профессиональный космонавт или же космический турист, должен гарантированно быть способен перенести действие перегрузок. Подобное требование никуда не денется и всегда будет ключевым», — комментирует Сергей Язев.

Не менее актуальный вопрос, который хоть раз в жизни беспокоил многих людей на планете, — существуют ли кроме нас другие разумные формы жизни? «Здесь, с одной стороны, мало что изменилось за последние десятилетия. Как раньше, так и сейчас мы понимаем, что на просторах гигантской Вселенной уникальность земной жизни выглядит крайне маловероятной. В последнее время этот тезис усилился после массовых открытий планетных систем — становится ясно, что планет точно не меньше, чем звезд, при этом число звезд в нашей галактике оценивается в 400 миллиардов. Даже если 99,99 % планет непригодны для жизни, оставшихся вполне достаточно, чтобы обеспечить существование огромного количества населенных мест, — говорит ученый. — Другое дело, что мы по-прежнему не знаем, как возникает жизнь и какие условия являются необходимыми, а какие — достаточными. Ответы на эти вопросы во многом лишь предположения. Кроме того, по мере развития человечества мы всё больше понимаем, что трудно ожидать проявлений разумной жизни в виде галактических крейсеров из “Звездных войн”— скорее всего, она эволюционирует в сторону использования сложных квантовых микроструктур. Но это, конечно, не более чем гипотеза».

Работа человека на космических станциях связана с большими нагрузками на организм. Прежде всего это касается действия фактора невесомости (гипогравитации). По мнению заведующей лабораторией профилактики гипогравитационных нарушений Института медико-биологических проблем РАН профессора, доктора биологических наук Елены Валентиновны Фоминой, гипогравитация — одна из самых важных вещей, которую необходимо учитывать при подготовке космонавтов. Руководитель лаборатории функциональных резервов организма Научно-исследовательского института нейронаук и медицины профессор, доктор медицинских наук Сергей Георгиевич Кривощёков отмечает, что это состояние, при котором нет привычной нагрузки, создаваемой за счет гравитации, а также напоминает, что на Земле, благодаря гравитации, существует нагрузка на мышечный корсет тела и поддерживаются определенные объемы крови во всех участках тела и органах.

Вследствие этого человек не может адекватно ощущать положение частей собственного тела относительно друг друга и в пространстве. Атрофия мышц и снижение их тонуса ухудшает работу кровеносных сосудов. В костях также происходит нарушение обменных процессов. Закономерно уменьшение костной массы происходит в костях нижней половины скелета (поясничных позвонках, костях таза, бедренной кости), тогда как в верхней половине скелета (черепе, руках, ребрах) выявляется тенденция к увеличению содержания костных минералов. Этот феномен связан с перераспределением крови организма в верхнюю часть тела, отеком тканей в области шеи и головы. В частности, врачи-космонавты фиксировали расстройства внутричерепного кровообращения, которые отмечались уже на самых ранних этапах полета. Для профилактики этих разрушающих процессов космонавты в полете регулярно выполняют постоянные физические упражнения и поддерживают свой водно-солевой баланс.

Исследователи заметили, что за время длительного полета может даже увеличиться рост космонавта (на два-три сантиметра), потому что падает нагрузка на мышечный корсет и позвоночник начинает распрямляться за счет расширения межпозвоночных участков. Визуально становится заметно, что естественные изгибы тела, которые просто необходимы нам для функционирования в условиях гравитации на Земле, исчезают. К тому же, когда космонавты долгое время находятся в условиях невесомости, их костная масса снижается примерно до 2 % каждый месяц, а сердце изменяет свои размеры и даже принимает более округлую форму. «Если человек будет находиться в космическом полете очень длительное время, у него запустится процесс адаптации — когда у организма возникают новые способы взаимодействия со средой или органы приобретают дополнительные функции», — комментирует Сергей Кривощёков. Возвращение на Землю также требует достаточно длительного времени для восстановления функций организма.

Физиологические изменения в организме могут влиять на здоровье космонавтов не только при длительном, но и при коротком космическом полете. В частности, происходит нарушение режима сна — бодрствования, которое связано с исчезновением привычных датчиков времени, что ведет к снижению работоспособности, влияет как на психологическое, так и на физиологическое состояние космонавта. Такой сбой биологических ритмов (десинхроноз) связан с тем, что в космическом полете нет привычной для землян смены дня и ночи. Этот феномен хорошо известен у людей при дальних авиаперелетах и связан с резким смещением привычных датчиков времен (день — ночь), проявляясь ухудшением самочувствия (усталость, апатия, дискомфорт) в течение одной-двух недель.

Важно учитывать, что каждый космический полет, даже у опытных космонавтов, сопровождается психоэмоциональным стрессом, связанным с самим экстремальным характером условий полета. Сюда входят ожидание нештатных ситуаций, сбои в работе техники, необходимость постоянного контроля работы технических узлов корабля. Еще одной проблемой является психологическая совместимость членов космической команды при нахождении в замкнутом пространстве и в маленьком коллективе. Для психики это большой стресс, поскольку в таких условиях каждый человек демонстрирует свои особенности характера, поведения, эмоциональных качеств. В ряде случаев это может приводить к появлению психологического напряжения, эмоциональным конфликтам и психологическим срывам, а также провоцировать физиологические нарушения: повышение пульса, артериального давления, всплеск гормонов стресса и так далее. Психическая астенизация относится к числу наиболее очевидных негативных психических состояний, наблюдавшихся в ходе полетов. Поэтому большая работа проводится специалистами при подборе совместимости членов экипажа. В 2010—2011 годах этому были посвящены исследования по проекту «Марс 500», имитирующие полет на Марс, которые включали 100-суточные и 500-суточные изоляции испытуемых в изолированных камерах.

Институт солнечно-земной физики СО РАН (Иркутск) обладает, наверное, самой большой экспериментальной базой в России и выделяется именно тем, что создает и эксплуатирует крупные установки для исследований ближнего космоса, Солнца, ионосферы, магнитосферы. Семь обсерваторий ИСЗФ СО РАН разбросаны по территории России от Заполярья (Норильск) до границ с Монголией (поселок Монды). В Норильске исследуют процессы полярной ионосферы, магнитосферы, так называемую космическую погоду полярной области. Там более всего заметно и ощутимо взаимодействие магнитосферы со средними и нижними слоями атмосферы. В Мондах расположены телескопы, с помощью которых изучают Солнце.

Также иркутские ученые сотрудничают с госкорпорацией «Роскосмос» в области наблюдения малоразмерных удаленных космических аппаратов и активно развивают технологии в этой области. «Роскосмос» использует автоматическую систему предупреждения об опасных ситуациях в космосе. Здесь работают в прорывной области наблюдения, регистрации и подтверждения орбит малозаметных космических аппаратов на ближних и средних орбитах. Это и спутники, которых сейчас становится всё больше, и космический мусор, представляющий угрозу для действующих космических аппаратов. Для того чтобы эта автоматизированная система работала точно, корректно, заранее выдавала предупреждения о возможных опасных сближениях, необходимо постоянно обновлять каталог объектов. «Мы применяем для этих целей новые совершенные методики и инструменты, находим всё менее заметные аппараты, вносим их в реестр. Цель нашей работы — сделать так, чтобы наш каталог был не хуже существующего американского аналога. В мире всего у двух стран есть возможность поддерживать эту работу, и мы хотим, чтобы наш каталог был на высоте», — дополняет Андрей Всеволодович.

Успешность полета напрямую зависит от плотности атмосферы. Дело в том, что точность предсказания орбиты связана с тем, насколько безошибочно ученые измерят плотность на высотах 400, 500, 800 тысяч метров. Это серьезный и очень долговременный процесс. Задача исследователей — улучшать модели таким образом, чтобы они предсказывали плотность всё лучше и лучше. «А вот стратосфера, наоборот, в меньшей степени воздействует на космические полеты. Космический аппарат преодолевает ее очень быстро и легко. Для условий старта важно состояние нижних слоев атмосферы: ветер, осадки, температура (эти параметры легко наблюдаются с Земли). Верхняя атмосфера может оказывать на летательный аппарат сильное кратковременное воздействие или длительное, но менее интенсивное. При магнитных бурях или под воздействием переменного солнечного ветра происходит высыпание частиц, которое может повредить космический аппарат и его электронику уже на орбите», — объясняет Андрей Медведев.

Еще одна крайне интересная область — модели средней атмосферы. В последнее время становится абсолютно понятно, что нельзя не учитывать воздействия на ионосферу. «Идеал, к которому мы стремимся, — охватить физико-математическими уравнениями всю среду, но пока что мы работаем над фрагментами. Цель, которая была поставлена еще основателями нашего института и которая, безусловно, имеет будущее, — это единая система Солнце — Земля», — добавляет Андрей Всеволодович.

Пилотируемые полеты применимы для изучения ближнего космоса (на высоте 20—80 километров от поверхности Земли), однако для ответов на многие вопросы необходимо исследовать также дальний, или глубокий космос: всё, что находится за пределами Солнечной системы — расстояние от сотен до миллиардов световых лет от Земли. В этом направлении речь идет фактически о Новой физике, то есть физических явлениях, которые не вписываются в общепринятые фундаментальные теории (Стандартной модели физики элементарных частиц и общей теории относительности — общепринятой теории гравитации). Работа ученых здесь состоит из астрономического наблюдения, направленного на установление природы различных вещей, в частности темной материи и темной энергии.

Недавно большую популярность приобрела гипотеза о том, что носителями темной материи являются первичные черные дыры, то есть черные дыры, возникшие в очень молодой Вселенной в дозвездную эпоху. Ученые ведут активную регистрацию гравитационных волн на интерферометрах (детекторы LIGO и Virgo). Ожидается ввод новых высокочувствительных приборов для этой же цели. В нашей ближайшей окрестности идет поиск планет, пригодных для жизни, используются все доступные «окна»: оптические телескопы, наземные и спутниковые, инфракрасное и ультрафиолетовое излучение, космические лучи, космические нейтрино (на подводных, подземных детекторах и даже в кубическом километре льда в Антарктиде). Кроме того, в Японии трудятся над созданием новых детекторов гравитационных волн, в ближайшее время будет введен в строй радиотелескоп (Китай) и многое другое, что позволит заглянуть далеко вглубь Вселенной.