От МКС к РОС: сегодняшний день и будущее. Науку на орбите обсудили в Институте космических исследований РАН

В этом году исполняется 65 лет со дня первого полета человека в космос. Круглая дата — повод подвести итоги многолетней исследовательской работы на орбите Земли и поговорить о планах на будущее. Пленарная сессия «Наука на пилотируемых орбитальных станциях» с участием ведущих ученых и представителей космической отрасли прошла в Институте космических исследований РАН 6 апреля, в первый день российской Недели космоса, приуроченной к юбилею. 

Гостей приветствовал научный руководитель ИКИ РАН, член президиума РАН академик Лев Матвеевич Зеленый. Ученый напомнил, что еще один повод обсудить достижения и возможности отечественной космонавтики — стартовавшая 2 апреля американская пилотируемая лунная миссия Artemis II.

«В национальном проекте “Космос” на 2026–2036 гг. не обозначены пилотируемые полеты в дальний космос и работы по созданию сверхтяжелой ракеты-носителя, делающие такие полеты возможными. Но российская пилотируемая космонавтика сосредоточивается на очень важной проблеме — создании и начале эксплуатации Российской орбитальной станции <…>, — сказал Л.М. Зеленый. — И здесь возникают две задачи. Первая — организовать работу на РОС так, чтобы использовать весь бесценный положительный опыт, накопленный за время исследований на Международной космической станции. И второе — избежать недостатков организации экспериментов на МКС».

Президент Национального исследовательского центра «Курчатовский институт» член-корреспондент РАН Михаил Валентинович Ковальчук рассказал о вкладе центра в освоение космического пространства. Так, здесь были созданы ядерные энергетические установки «Бук» и «Топаз» для космических аппаратов. Усовершенствованный преемник «Топаза» — «Енисей» — в прошлом году был продемонстрирован президенту России. Интересная разработка Курчатовского института — атомная станция малой мощности «Елена», предназначенная в том числе для использования на Северном морском пути. На ее основе создается прототип лунной атомной станции «Селена». Ученый затронул и многие другие исследования Курчатовского института, важные для освоения космоса: развитие аддитивных технологий, создание нейроморфных процессоров, применение водорослей в замкнутых биорегенеративных системах жизнеобеспечения, эксперименты на приматах.

Отдельную часть доклада М.В. Ковальчук посвятил космическому материаловедению: космос предоставляет людям уникальные условия для получения различных структур с ценными свойствами. Пример — выращивание на орбите полупроводниковых кристаллов. Курчатовский институт также успешно ставил эксперименты по получению в космосе белков и белковых комплексов совместно с Японией. М.В. Ковальчук добавил, что успешность таких изысканий уже можно оценить до полета на орбиту: «У нас есть установки, <…> где мы ставим тысячи экспериментов по кристаллизации и благодаря этому точно знаем, сформируется кристалл или нет. Таким образом, мы уже отправляем в космос только то, что отобрано на Земле с гарантией результата».

Доклад об уже имеющихся достижениях российских научных исследований на МКС представил генеральный конструктор по пилотируемым космическим системам и комплексам РКК «Энергия», летчик-космонавт СССР, академик Владимир Алексеевич Соловьев. «Сейчас у нас 83 научных исследования: 57 реализуются на борту МКС, а 26 находятся на различных этапах наземной подготовки. Всего на российском сегменте МКС было завершено 162 космических эксперимента», — отметил он. Академик рассказал о множестве интересных исследований, проведенных и проводимых на станции. Например, на высоте полета МКС были обнаружены живые микроорганизмы, что позволило установить новые границы биосферы Земли. Сейчас на станции проводится эксперимент «Экран-М» по выращиванию полупроводниковых пленок в открытом космосе — первые результаты вернулись на Землю в декабре, завершение второго этапа ожидается летом этого года. Интересны исследования с помощью гиперспектрометра МФТИ, позволяющие изучать поверхность Земли из космоса вне зависимости от погодных условий, что немаловажно для северных регионов нашей страны. Академик также затронул тему космического материаловедения: «На российском модуле “Наука” появилось новое оборудование, позволяющее обеспечивать и высокотемпературный синтез материалов, и анализ кристаллов белков, получаемых в космосе».

Об экспериментах, которые проводит на МКС Институт космических исследований РАН, корреспонденту «Научной России» рассказал директор ИКИ РАН академик Анатолий Алексеевич Петрукович.

«Каждый из наших экспериментов уникален и очень важен. Несколько очень успешных экспериментов ИКИ РАН на МКС были поставлены в период 2011–2015 гг. К ним относится запуск малого спутника “Чибис-М”, созданного в нашем Специальном конструкторском бюро на средства РАН. Он отлетал три года — срок его службы был ограничен постепенным снижением орбиты и связанным с этим трением об атмосферу. Этот аппарат был предназначен для исследования молний “сверху”. Молниевые разряды не только видны с поверхности земли, но и посылают радиосигнал в космос, и это очень удобный способ отслеживать их. В эти же годы проводились эксперименты, связанные с наблюдением с МКС парниковых газов и электромагнитных шумов ионосферы, — поделился А.А. Петрукович. — Сейчас на станции реализуются два крупных эксперимента ИКИ РАН. Один из них, “Монитор всего неба”, стартовал в 2024 г. Это рентгеновский спектрометр для сплошной «съемки» неба. Станция не может наводиться на конкретные источники излучения, как это, например, делает “Спектр-РГ”, но зато этот аппарат сканирует все небо и может очень точно и качественно определять параметры так называемого космического рентгеновского фона. Данный эксперимент позволяет обнаруживать скрытые от наших глаз источники рентгеновского излучения — черные дыры, нейтронные звезды. По создаваемому ими рентгеновскому фону мы можем, помимо всего прочего, определить количество таких скрытых источников. Это очень интересная задача, и она решается нетривиально — посредством наблюдения не самих объектов, а просто рассеянного излучения.

Стоит отметить еще два прибора — спектрометр нейтронов, который установлен на наружной поверхности МКС с 2007 г., и похожий прибор, который расположили внутри станции в 2024 г. Нейтроны — компоненты космической радиации: эти частицы не могут прилететь издалека, поскольку “живут” всего 17 минут. В данном случае нейтроны, как правило, летят либо со стороны Земли как вторичная радиация в результате воздействия протонов высоких энергий, либо со стороны самой станции, которая также может их генерировать. Таким образом, это очень нестандартная составляющая космической радиации, искусственный радиационный фон. И его необходимо очень точно измерять для правильного прогнозирования радиационного ущерба для космонавтов. Добавлю, что в прибор, который установлен на станции, можно устанавливать стенки, имитирующие различную радиационную защиту, и таким образом успешно давать оценку фактического радиационного фона снаружи и внутри станции в разных условиях.

Помимо этого, в ближайшие годы планируется запуск эксперимента “Дриада” — спектрометра следующего поколения для исследования парниковых газов в атмосфере Земли, создаваемого на основе отечественного опыта аналогичных измерений на Марсе. Оказалось, что сейчас вокруг нашей планеты не летают российские приборы с такими задачами, и мы больше знаем про малые газы в атмосфере Марса, чем в атмосфере Земли. Мы хотим это восполнить, запустив прибор на МКС. Опытный образец уже практически готов, сейчас планируем приступать к изготовлению летного образца».

Качественно новым решением, повышающим продуктивность пилотируемых миссий, может стать появление космонавтов-ученых, уделяющих основное внимание не решению технических задач, а профильным исследованиям на различные темы. Такую точку зрения высказал главный эксперт РКК «Энергия», летчик-космонавт РФ Александр Юрьевич Калери. Он предложил следующую классификацию: космонавт-испытатель (универсал, в первую очередь занимающийся техническим обслуживанием станции), космонавт-исследователь (в значительной степени универсальный специалист, но более ориентированный на научную работу) и космонавт-ученый — профессионал с конкретной научной специализацией, готовый не просто выполнять эксперимент по инструкции, а вести творческий исследовательский поиск. Важными отличиями такого специалиста станут сниженные требования к состоянию здоровья и полеты только в рамках целевых программ. Потребуется также совершенствование самих технологий полета для снижения нагрузки на менее тренированных космонавтов-ученых. А.Ю. Калери подчеркнул, что РОС открывает возможности для реализации такого подхода.

Большую роль в освоении космоса играет сотрудничество и обмен опытом между разными странами. Профессор из Китая, заместитель директора Центра по полезным нагрузкам (CSU) Китайской академии наук Лю Цунминь рассказал о многочисленных исследованиях в рамках китайской пилотируемой космической программы: от экспериментов на мышах до выращивания полупроводниковых кристаллов. Исследователь рассказал и о китайских проектах, разрабатываемых в настоящее время. Один из них — телескоп CSST, который будет летать по одной орбите с китайской космической станцией «Тяньгун» и поможет изучать звезды, черные дыры и галактики, а также исследовать природу темной энергии и искать экзопланеты. Профессор добавил, что его соотечественники открыты к сотрудничеству с российскими коллегами в рамках работы на китайской космической станции.

Профессор Лю Цунминь и ведущий инженер, координатор международных проектов ИКИ РАН Дмитрий Сергеевич Зарубин в ходе обсуждения отметили, что уже происходит совместное рассмотрение научных идей и экспериментов, которые могут быть реализованы параллельно, на станциях двух стран.

О космическом эксперименте «Плазменный кристалл» рассказали директор Объединенного института высоких температур РАН академик Олег Федорович Петров и заместитель генерального директора «Роскосмоса» по пилотируемым и автоматическим комплексам, летчик-космонавт СССР Сергей Константинович Крикалев, участвовавший в этих исследованиях на орбите. Многолетний проект посвящен изучению уникальных эффектов самоорганизации частиц в пылевой плазме в условиях микрогравитации. Эти работы начинались еще на советской орбитальной станции «Мир» и активно развивались на МКС, а в перспективе могут стать частью научной программы РОС. Результаты этих исследований интересны не только с точки зрения фундаментальной науки — например, они помогли в разработке технологий космической 3D-печати. С.К. Крикалев добавил, что «Плазменный кристалл» — пример того, как должен организовываться космический эксперимент: космонавты были активно вовлечены в постановку испытаний и творчески подходили к делу, а план работы менялся прямо по ходу исследования в зависимости от получаемых результатов.

Эксперименты, проводимые на МКС, должны получить гармоничное развитие на Российской орбитальной станции. Анатолий Алексеевич Петрукович поделился планами научных исследований на РОС, уделив основное внимание экспериментам по изучению нашей планеты и космического пространства. Перечень предлагаемых проектов огромен: измерение концентраций парниковых газов в атмосфере Земли, оперативное отслеживание экологического состояния различных объектов, мониторинг космической радиации, изучение нейтронных звезд и черных дыр, исследования полярных сияний и многое другое. Ярким событием должно стать продолжение эксперимента «Чибис-М» — запуск микроспутника «Чибис-АИ». Предполагается, что микроспутник будет «выстреливать» из контейнера, прикрепленного к грузовому космическому кораблю. А.А. Петрукович подчеркнул, что при планировании работы на РОС нужно будет учитывать нюансы текущей геофизической обстановки, такие как охлаждение верхних слоев атмосферы и смещение Южно-Атлантической магнитной аномалии — зоны, где повышена космическая радиация.

«На РОС мы планируем доделать некоторые эксперименты, которые изначально готовились на МКС, но уже не успеют реализоваться на ней в силу длительной подготовки. Это, например, продолжение экспериментов по атмосферному электричеству: они уже проводились с помощью малого спутника “Чибис-М”. Среднеширотная орбита подходит для исследований атмосферного электричества, потому что бóльшая часть молний как раз наблюдается в средних широтах. Но аппарат нужно будет поднять выше станции, потому что иначе он быстро сгорит за счет трения в атмосфере. Нам удалось сделать это с первым “Чибисом”, надеемся, получится и со вторым, — рассказал корреспонденту «Научной России» Л.М. Зеленый. — Еще один эксперимент, который планируется провести на РОС — “Дриада”, посвященный исследованию парниковых газов. Кроме того, я хочу еще раз вернуться к космическому материаловедению: сегодня В.А. Соловьев говорил о специальной печи для проведения этих экспериментов, которую планируется расположить на РОС. Она настолько большая, что ее нецелесообразно доставлять отдельно, поэтому предполагается, что она будет доставлена на станцию непосредственно внутри одного из ее модулей. Такая установка позволит не только решать практические задачи космического материаловедения, но и проводить фундаментальные работы по этому направлению».

На Земле космонавты не только доводят до автоматизма технические навыки, но и «репетируют» запланированные на время полета научные эксперименты. Заместитель начальника по науке и развитию Центра подготовки космонавтов им. Ю.А. Гагарина Андрей Николаевич Бабкин рассказал, как ведется эта работа: «У нас есть целый комплекс таких тренажеров. В первую очередь, это комплексные тренажеры российского сегмента МКС. Сюда также относятся тренажерные образцы научной аппаратуры, которые поставляются для подготовки к конкретным экспериментам, и функционально-моделирующий стенд “Наука” <…>. Если мы говорим об имитации специфических условий невесомости, то для этого используются самолет-лаборатория, гидролаборатория <…>, а также стенд “Выход-2”, позволяющий тренировать навыки установки оборудования, которое нельзя погружать в водную среду».

На пленарной сессии также состоялось вручение отраслевых наград сотрудникам ИКИ РАН, включая молодых ученых.

Л.М. Зеленый подвел итоги события в беседе с корреспондентом «Научной России».

«На орбите есть возможность проводить много разнообразных экспериментов. Несколько лет назад мы подробно обсуждали эту тему на большой конференции “Наука на МКС”, — сказал ученый. — Время идет, и отечественная пилотируемая космонавтика должна претерпеть качественные изменения. Напомню, что орбита РОС уже будет не высокоширотной, как планировалось изначально, а практически такой же, как у МКС. И это хорошо, поскольку космонавты уже “обжили” эту орбиту и будут тратить меньше времени на адаптацию к новым условиям, в то время как высокоширотная орбита могла преподнести людям много сюрпризов. А когда бóльшая часть времени в космическом полете затрачивается на обслуживание систем жизнеобеспечения, и только меньшая — на работу, это неэффективное соотношение. Очень хороший доклад сегодня представил А.Ю. Калери, поделившись взглядом, как оптимально организовать работу космонавтов на орбите».

Л.М. Зеленый обратил особое внимание на значение космического материаловедения: «Важно, чтобы станция не только получала с Земли необходимые ресурсы, но и поставляла на Землю какие-либо плоды проведенной работы, пусть даже в небольшом количестве: допустим, полученные в условиях невесомости белки или полупроводниковые кристаллы. Космос должен стать не только лабораторией, но и своеобразным малотиражным производством». Ученый добавил, что в настоящее время важно определить, какие работы в космосе действительно требуют присутствия человека. В качестве примера задачи, которая должна решаться под контролем космонавтов, ученый как раз привел получение новых материалов.

«Мы должны определить сферы, где присутствие человека необходимо и оправдано экономически, а не политически. Космос враждебен для человека во всех отношениях: и запуск, и присутствие во внеземном пространстве, и посадка сопряжены с риском. К счастью, бóльшая часть миссий обходится без катастроф, хотя были и очень тяжелые ситуации. Например, тот же полет Юрия Гагарина, как известно сейчас, прошел не так гладко, как сообщалось, — заключил Л.М. Зеленый. — Люди находят способы преодолеть трудности, но нужно помнить, что человек должен летать в космос тогда, когда без этого нельзя обойтись. Полагаю, что многие эксперименты, связанные с фундаментальной наукой, которые ранее делались на МКС, может быть проще и дешевле проводить на автоматических космических аппаратах с помощью различных телескопов и исследовательских приборов — тем более если речь идет не о среднеширотных, а о более рискованных орбитах. В то же время для решения задач космического материаловедения, на мой взгляд, важно присутствие человека. Наверное, со временем обозначатся и другие подобные направления. Но вопрос, критично ли в данном случае присутствие человека, должен ставиться всегда».