Научные эксперименты. За ответами в космос - Александр Яровитчук

Российский эксперимент на Международной космической станции по испытаниям системы очистки получил имя «Сепарация». В нем воду нагревают и заставляют испариться. Температуры кипения разных веществ отличаются друг от друга, и если начать нагревать грязную воду, то часть примесей испарится раньше. Примеси всасываются насосами. При достижении точки кипения вода тоже становится газом, и ее всасывает другой насос. Оставшиеся жидкости и твердые отходы выбрасывают. Но этот метод, известный как вакуум-дистилляция, не сработает в атмосфере, поэтому нужно создать условия вакуума или низкого давления. Из-за этого для бытовых нужд на Земле его не применяют – слишком трудоемко и громоздко. Зато в научных лабораториях, при опреснении воды, нефтеперегонке и во многих других промышленных производствах быстрый, эффективный способ очистки большого количества жидкости используется постоянно. Для космонавтов эту технологию усовершенствовали, уменьшили оборудование, и в будущем, возможно, и она доберется до обычных квартир.

В США первый эксперимент по очистке был проведен на шаттле в 1979 году с прибором под названием Microbial Check Valve («Микробиологический обратный клапан»). Вода прогоняется через слой йодированной смолы, и за счет химической реакции происходит окисление органических загрязнителей до безвредных солей. По сути, тот же процесс происходит, когда в бассейны добавляют соединения хлора для обеззараживания. Йод был выбран NASA в качестве дезинфицирующего средства из-за более низкого давления его паров и пониженной склонности к образованию побочных продуктов дезинфекции по сравнению с хлором или бромом.

Интересно, что эта технология очень понравилась стоматологам. Одна компания по производству медицинского оборудования купила права на ее применение и активно использует для очистки воды внутри водопроводных каналов инструментов для лечения зубов и полости рта.

На этом NASA не остановилось. Например, был создан фильтр с положительно заряженными микроскопическими волокнами оксида алюминия и активированным углем – такие же приспособления легли в основу как промышленных, так и портативных бытовых систем очистки воды. Сейчас даже продаются бутылки воды, где в крышечку встроен фильтр.

Так как у каждого метода есть свои плюсы и минусы, на МКС, как и на Земле, применяются почти все. Есть только одно отличие космического оборудования – в нем используются вращающиеся элементы для создания центробежной силы, которая заставит воду не разлетаться, а двигаться в нужном направлении.

Продолжая тему очистки воды, упомянем еще одно достижение – создание вещества, которое назвали эмульгированным нуль-валентным железом. Оно не для космонавтов, а для работников космодрома. Дело в том, что экологи забили тревогу – в сточных водах вблизи стартовых площадок обнаружилась большая концентрация хлорированных растворителей. Опасные вещества применялись и ранее в некоторых производствах. При добавлении придуманного «космическими» учеными химического реактива уровень загрязнения грунтовых вод уменьшился. Метод применяли и при некоторых экологических авариях.

Хотя перерабатывается вся вода на станции, для омовения жидкость используют редко – капли могут улететь и попасть в приборы. Вместо воды используют сухие чистящие средства. Новая технология позволяет нанести на кожу или волосы порошок на основе крахмала и глины. Сложные молекулы цепляют жир и связывают его не только в тесте для пирогов, но и на теле человека. Интересно, что грязевые ванны используются давно, но полноценная технология очистки появилась именно для космонавтов, а потом вошла в быт. Сухие шампуни позволяют быстро привести голову в порядок без мытья и сушки волос.

Кроме средств очистки космонавтам нужны и средства контроля качества воздуха и воды. Конечно, в химических лабораториях давно придумали методы выявления различных веществ. При смешивании разные соединения меняют свои свойства (самый известный тест – лакмус, меняющий цвет при контакте с кислотами). Собственно, определение состава веществ – это основа химии как науки. Астрономы научились узнавать, из чего состоят звезды в миллиардах километров от Земли, при помощи спектрального анализа. При воздействии (например, нагреве) электроны в атомах химических элементов начинают отлетать от ядер на более далекие орбиты, а могут и вообще стать свободными. При обратном процессе, когда электрон возвращается на свое место, образуется излишек энергии, который выделяется в виде света. В зависимости от элемента излучение будет иметь разный цвет.

Для использования в космосе нужно было придумать, как засунуть в маленький космический аппарат обсерваторию и химическую лабораторию. Большая часть работы инженеров-конструкторов и заключается в создании миниатюрных исследовательских инструментов. Чаще всего речь идет об изучении Земли, планет, космического пространства, о чем будет рассказано в следующих главах. Потом компактные приборы попадают в руки исследователей на местах, которые, например, определяют качество продуктов, чистоту воды в реках и водопроводе, ищут полезные ископаемые и т. д.

Для жизни и быта космонавтов важно в первую очередь следить за концентрацией углекислого газа в воздухе и загрязнений в воде. В частности, на орбитальных станциях есть инфракрасные датчики дыма – углекислый газ очень хорошо поглощает этот тип излучения, и по изменению интенсивности излучения можно определить наличие примесей в воздухе, а в случае с выдыхаемым газом – оценить их количественное содержание. На основе этой технологии создаются пожарные извещатели и системы безопасности в шахтах и на производствах.

С водой дело обстоит несколько сложнее, так как загрязнители бывают разные. Но почти на все их типы ученые разработали индикаторные тест-полоски, которые можно купить в хозяйственных магазинах и узнать качество воды из-под крана, как это делают космонавты.

Правда, на орбите есть отличие. В невесомости все летает, в том числе капли воды, отстриженные волосы, ногти, отшелушившиеся клетки кожи. Без вентиляторов не обойтись ни при использовании фильтров, ни при применении систем контроля, ни в быту. Пылесос есть практически в каждой системе, даже в туалете и в бритве. Так как вентиляторов должно быть много, они не могут быть очень большими и тяжелыми, и для космонавтов разработали компактные втягивающие мусор агрегаты. Технология быстро нашла применение в портативных беспроводных автомобильных пылесосах. А один из брендов даже взял технологию не от вентиляторов на станции, а от буровой установки для взятия образцов породы на Луне. В рамках программы «Аполлон» проводились эксперименты по взятию проб и был разработан механизм двигателя, действующий с наименьшим потреблением энергии при вращении спиралевидного сверла, а также программа анализа эффективности. Оказалось, что от вращения вентиляторов разной формы завихрения воздушного потока разные, и можно добиться высоких показателей. Лунную пыль собирать было так же просто, как сейчас земную.

На советских орбитальных станциях даже проводились эксперименты с применением душа. Чтобы вода не разлеталась, ее втягивал мощный поток воздуха. Но дышать во время помывки было очень сложно – насос втягивал воздух сильнее, чем