Научные эксперименты. За ответами в космос - Александр Яровитчук

получиться пенопластовый олимпийский мишка. Но форма не заполнилась целиком, и у талисмана игр отсутствовали уши. Космонавты сами разобрались, почему эксперимент оказался не до конца удачным – в невесомости капли жидкости не растекаются, а стремятся за счет поверхностного натяжения принять форму сферы. Дабы распределить ее по форме, проводили подачу компонентов под давлением воздуха, что приводило к вспениванию и увеличению объема. Жидкости разной плотности не смешались равномерно, а расслоились. Космонавты усовершенствовали методику, и отливка пенопластовых объектов показала себя хорошо.

Металлическая деталь, напечатанная в космосе. NASA

В этом же полете космонавты провели эксперимент «Капилляр». В расплав германия погружалась молибденовая форма с проделанными в ней тонкими каналами. Расплав, смачивая их, перемещался по этим капиллярам, заполняя всю форму. Самое интересное, что так можно было получить не только металлические изделия, но и монокристалл нужной формы.

Метод Степанова предполагает создание изделий изменением температуры. Расплав постепенно вытесняется силами поверхностного натяжения в «холодную зону». Таким образом, кристалл растет в выбранную сторону, а изделие приобретает нужную форму. На МКС похожий эксперимент «Зона-К» проводится в расширенной версии. Разные участки контейнера с капиллярами подвергаются воздействию разных температур, также используется ультразвук, вызывающий колебания в жидкости. Ученые таким образом стремятся найти новые особенности роста кристаллов, что могут пригодиться в технологиях производства на Земле. Например, с помощью электрических и магнитных полей свободно парящему расплаву можно придать нужную форму – так родилась новая технология формообразования металлических деталей.

Большой скачок произошел с развитием 3D-принтеров – специальных аппаратов, выполняющих послойное нанесение расплава с постепенным затвердеванием. На Земле метод быстро набрал популярность, так как позволял быстро создать реальный образец из компьютерной модели. Правда, он имеет очень много ограничений. Во-первых, не из каждого вещества можно создать нужную форму. В зависимости от метода требуются либо фотополимеры, затвердевающие при наличии света, либо псевдопластичные быстро затвердевающие вещества, либо клей, либо легкоплавкий металлический порошок. Во-вторых, так как каждый новый слой будет менять положение центра тяжести, предмет в процессе печатания может опрокинуться или деформироваться. На Земле эту проблему решает моделирование подпорок, а потом их удаление, но это не всегда возможно: от подпорок остаются следы и дефекты. В невесомости с этим нет проблем. Первые эксперименты в области начали проводиться на МКС в 2014 году под руководством астронавта Барри Уилмора. Распечатанный объект представлял собой часть самого принтера – лицевую панель печатной головки, что символизирует возможность однажды распечатать в космосе 3D-принтер на 3D-принтере. Затем астронавт попросил прислать через интернет модель гаечного ключа и напечатал его, чтобы не ждать грузового корабля с новым инструментом. В российском сегменте отработку технологии изготовления металлических изделий космонавты проводят в рамках эксперимента «Космическая фабрика». Это направление быстро развивается не только из-за возможности создания сложных объектов в невесомости. Без силы тяжести можно напечатать огромные сооружения, в разы больше самого принтера, причем таких форм, каких на Земле не может быть. В нескольких проектах будет использоваться так называемый траселятор – смесь 3D-принтера и вязальной машины размером в несколько сантиметров. Потенциально он может печатать нити и сплетать их для повышения прочности. В итоге получится каркас, который в космосе способен сохранять форму даже при километровых размерах. Многие инженеры сейчас работают над тем, чтобы приспособить устройство для работы с лунным или марсианским грунтом. Тогда при полетах туда можно будет не брать ничего, кроме 3D-принтера, и при этом основать базу, сделав ее из материала, лежащего на поверхности небесных тел. Пока эта технология разрабатывается, на МКС в 2018 году отправился 3D-биопринтер. За уникальную российскую установку отвечал Олег Кононенко. Она печатает сосуды, кожу, кости и даже органы, используя в качестве строительного материала раствор клеток и гадобутрола в геле. Гадобутрол – это парамагнитное вещество, которое используется в МРТ для подсвечивания клеток. Магнитное поле влияет на него, выталкивая вместе с клетками в нужную область. С повышением температуры гель высыхает, а клетки связываются вместе. В дальнейшем технологию модифицировали, добавив ультразвуковые излучатели, которые помогают магнитному полю распределить клетки в нужных местах. Впервые в мире с его помощью удалось успешно вырастить хрящевую ткань человека и щитовидную железу мыши. Позже космонавты синтезировали образцы мяса из клеток коровы, кролика и рыбы. Также проводились эксперименты по созданию мениска коленного сустава.

В 2024 году тот же Олег Кононенко провел эксперимент по 4D-печати – когда форма объекта еще и меняется со временем. В рабочую зону помещался материал с эффектом памяти, который при нагревании во время печати деформировался и скручивался. Так он менял форму полостей будущего органа.

В похожих наземных экспериментах с 3D-печатью при создании печени и почек в них отсутствовали кровеносные сосуды, канальцы для сбора мочи и роста клеток. 4D-принтеры в космосе могут помочь решить эту проблему.

Помимо объектов сложной формы, иногда нужно создать что-то простое. В миссиях шаттла Columbia STS‐3 и STS‐4 был проведен эксперимент по генерации идеальных латексных шариков. В невесомости удалось получать идеальные сферы очень малого размера – до 0,3 микрона, причем тысячи крошечных шариков были одинаковы. Получилось создать и более крупные сферы, так что можно было варьировать размер. На Земле такое не выйдет, шарики будут либо растекаться, либо принимать форму капель. Создать отливочную форму такого размера тоже не получится. Результаты исследования и сам материал в перспективе могут найти применение в медицине – в такие шарики можно помещать лекарственные препараты. Например, радиоактивный изотоп, который подсветит поврежденные ткани, а потом безопасно выйдет из организма, не покидая своего латексного контейнера. Поскольку все шарики одинаковые, их будет удобно использовать для калибровки медицинского оборудования.

Большой интерес у ученых вызвала возможность выращивать кристаллы не только неорганических веществ, но и сложных органических молекул.

Кристаллы протеинов на Земле и в космосе. NASA

В невесомости раскрываются не наблюдаемые на Земле свойства сложных цепочек. На Земле ученые работают примерно с 50 белками, которые до космических полетов либо вовсе не кристаллизовались, либо их структура ранее не была определена. На орбите удалось вырастить значительно более крупные кристаллы белка HPGDS, которые можно исследовать и рассмотреть их структуру. Это вещество напрямую связано с развитием некроза мышечной ткани при проявлениях мышечной дистрофии Дюшена. Зная «слабые места» HPGDS, ученые разрабатывают новые средства лечения.

Белки DAP BII (DPP7) и DPP11 оказывают сильное влияние на рост патогенов – болезнетворных бактерий. При этом они безопасны для человека и не вмешиваются в процессы жизнедеятельности. Благодаря выращенным в космосе образцам удалось найти