Лекция британского ученого Кевина Фонга в Королевском институте (The Royal Institution) посвящена сложнейшим физическим и биологическим аспектам выживания человека на орбите. С участием действующих астронавтов и медицинских экспертов автор разбирает, как невесомость, отсутствие конвекции и агрессивная внешняя среда меняют условия жизни человека. В материале подробно описываются уникальные инженерные решения Международной космической станции и опасности, подстерегающие экипаж во время космического полета.
🌌 Жизнь внутри рукотворного пузыря и космические запахи 0:14
Международная космическая станция представляет собой сложнейший технологический комплекс, несущийся вокруг Земли со скоростью 17 500 миль в час. На этой огромной скорости станция совершает полный оборот вокруг планеты всего за 90 минут, из-за чего астронавты могут наблюдать рассветы и закаты каждые 45 минут. Как подчеркивает лектор Кевин Фонг, МКС — это прежде всего искусственно созданный пузырь системы жизнеобеспечения, от стабильности которого ежесекундно зависят жизни экипажа в абсолютно враждебном океане космоса.
На момент проведения лекции на борту станции находился британский астронавт Тим Пик. Отвечая на вопрос из зала о том, чем пахнет внутри космического дома, Тим Пик отметил, что внутри присутствует довольно специфический запах, напоминающий металлический или легкий химический аромат, который, впрочем, не является неприятным.
Сама станция — результат масштабной кооперации 18 стран-участниц, строивших её блок за блоком на протяжении 15 лет с помощью ракетных пусков и выходов в открытый космос. На борту МКС за время полугодовой миссии проводится около 265 различных научных экспериментов, охватывающих физику жидкостей, биологию и физиологию человека.
⚖️ Физика невесомости: иллюзия отсутствия гравитации 5:15
Распространенное мнение о том, что на орбите полностью отсутствует земное притяжение, ошибочно. На высоте 250 миль, где пролегает орбита МКС, сила гравитации составляет около 92% от её значения на поверхности Земли. Настоящая причина того, почему астронавты плавают внутри станции, кроется в состоянии непрерывного свободного падения вместе с самим кораблем вокруг планеты.
Вес — это лишь реакция опоры, сила, с которой наше тело давит на землю в ответ на притяжение. Когда человек прыгает или падает, он становится невесомым ровно до момента соприкосновения с поверхностью. Чтобы продлить это состояние для тренировок, используются специальные самолеты, выполняющие полеты по параболической траектории. Во время такого маневра люди внутри салона оказываются в состоянии невесомости на 23 секунды, а при выходе из пике их вес удваивается, достигая перегрузки в 2g. Из-за жестоких колебаний и частых приступов тошноты этот самолет неофициально называют «рвотной кометой».
Опыт демонстраций показывает, что в условиях невесомости законы физики остаются прежними, но менять привычные паттерны поведения крайне тяжело. Например, поднимать тяжелые предметы на борту становится легче, однако их масса и инерция никуда не исчезают, поэтому приводить их в движение все равно трудно. Настольный теннис превращается в хаотичную игру из-за плавающих в воздухе мячей, а употребление жидкого чая превращается в абсурдную задачу, которую невозможно выполнить без использования палочек для еды и завидной сноровки.
🌬️ Рецепт обитаемой атмосферы: вода как источник кислорода 12:26
Для демонстрации работы систем жизнеобеспечения Кевин Фонг пригласил на сцену бывшего астронавта Дэна Тани, проведшего в космосе 132 дня. В качестве земной аналогии Фонг использовал медицинский аппарат искусственной вентиляции легких и интенсивной терапии. Традиционный способ транспортировки кислорода в тяжелых стальных баллонах под давлением в 200 атмосфер не подходит для космической станции из-за огромного веса тары и высокого риска взрыва.
По этой причине на МКС кислород доставляется и хранится в виде обычной безопасной воды ($H_2O$). Для извлечения дыхательного газа применяется процесс электролиза, электроэнергия для которого вырабатывается солнечными батареями станции. Электрический ток пропускается через воду, расщепляя её на водород и кислород. На МКС образующийся водород просто сбрасывается за борт, а чистый кислород подается в жилые модули.
Другой важнейшей задачей является повторное использование выдыхаемого воздуха. При вдохе человек усваивает лишь часть кислорода: в атмосфере его содержится около 21%, а в выдохе остается около 15%, которые можно использовать повторно. Однако в выдыхаемом воздухе накапливается углекислый газ ($CO_2$), избыток которого ведет к головокружению, потере сознания и последующей смерти. Для очистки атмосферы на Земле в медицинских приборах применяется гидроксид натрия, а на космической станции установлены специальные химические скрубберы, которые непрерывно удаляют углекислый газ, возвращая очищенный воздух в оборот.
🕯️ Загадка отсутствия конвекции и смертоносные облака газа 18:45
Эффективная работа химических скрубберов на МКС невозможна без принудительного перемешивания воздушных масс. На Земле газы подвержены влиянию гравитации: углекислый газ тяжелее воздуха, что позволяет буквально переливать его из стакана, затушив им горящие свечи. Процесс естественной конвекции уносит продукты горения и дыхания прочь — горячий воздух поднимается вверх, а холодный и тяжелый опускается вниз.
Однако в условиях орбитальной невесомости конвекция полностью отсутствует: там нет естественных течений воздуха или сквозняков. Это означает, что выдыхаемый астронавтом углекислый газ без внешнего вмешательства будет скапливаться в виде невидимого удушливого облака прямо вокруг его головы, угрожая удушьем во сне. Чтобы избежать смертельной опасности, вся атмосфера МКС вентилируется искусственно. На станции непрерывно работают мощные вентиляторы, создающие постоянный фоновый гул, который всегда слышно во время прямых трансляций.
🦴 Космическая «усушка»: почему скелет и мышцы тают в космосе 22:10
При отсутствии гравитационной нагрузки человеческое тело мгновенно включает режим жесткой экономии ресурсов. Мышцы и кости — это динамические ткани, которые постоянно перестраиваются под воздействием прилагаемых к ним физических сил.
Основные зоны скелета, подверженные наибольшей потере плотности в космосе:
- Пяточная кость (calcaneus), принимающая на себя вес всего тела при ходьбе на Земле.
- Шейка бедренной кости (neck of femur), испытывающая колоссальные статические нагрузки.
- Нижняя часть позвоночника (lower back), обеспечивающая поддержку вертикального положения тела.
На орбите эти зоны полностью разгружаются, и организм начинает избавляться от «лишней» костной массы. Плотность костей астронавтов в космосе падает со скоростью от 1% до 2% в месяц. Эксперимент с 3D-печатной гипсовой моделью костной структуры показал, что потеря всего 10–15% плотности (что соответствует 14 месяцам пребывания в космосе без тренировок) приводит к катастрофическому падению прочности — модель мгновенно разрушается под весом человека. Возвращение на Землю или высадка на Марс с такими хрупкими костями привели бы к мгновенным переломам.
Дополнительной проблемой становится перераспределение жидкостей. Из-за отсутствия тяжести кровь и лимфа устремляются от ног к верхней части тела, вызывая феномен, который специалисты иронично называют «цыплячьими ножками и пухлым лицом». Из-за этого астронавты на орбите испытывают постоянное чувство заложенности носа. Для борьбы с деградацией организма экипаж обязан проводить в тренажерном зале по 2–3 часа ежедневно. Например, Тим Пик запланировал пробежать Лондонский марафон на специальной беговой дорожке с фиксацией тела жгутами.
🌀 Бунт внутреннего уха и иллюзия падения в ураган 30:03
За ориентацию человека в пространстве отвечает вестибулярный аппарат внутреннего уха, состоящий из полукружных каналов, фиксирующих вращательное ускорение, и отолитовых органов, отслеживающих линейные перемещения. В космосе эта сложнейшая система лишается своего главного ориентира — вектора гравитации, по которому она калибруется на Земле.
Возникает острый сенсорный конфликт: глаза видят стабильный интерьер корабля, а внутреннее ухо рапортует о полной потере пространственных координат. В результате первые 48–72 часа на орбите большинство астронавтов страдают от космической болезни движения. По воспоминаниям Дэна Тани, в первые двое суток у него было стойкое ощущение, будто желудок подкатил к самому горлу, однако на третий день организм полностью адаптировался. Тим Пик в своем видеообращении подтвердил этот эффект и посоветовал новичкам на орбите как можно меньше крутить головой, плавно перемещая все тело целиком, чтобы снизить нагрузку на дезориентированный вестибулярный аппарат.
🛡️ Скафандр за миллионы долларов и летящая морковь 36:41
Выход в открытый космос (внекорабельная деятельность) требует использования автономного скафандра, цена которого исчисляется миллионами. Дэн Тани рассказал, что стоимость только одной защитной перчатки составляет около 1 миллиона долларов, а весь комплект может обходиться в 30–50 миллионов долларов. Настоящий скафандр весит около 300 фунтов на Земле и включает в себя слои поддержания давления, водяного охлаждения, шлем, систему сбора отходов (подгузник) и плотный слой из кевлара (Kevlar) для защиты от микрометеоритов.
Опасность мелких частиц обусловлена огромной орбитальной скоростью в 17 000 миль в час. Для демонстрации разрушительной кинетической энергии ($E_k = \frac{1}{2}mv^2$) физики использовали пневматическую пушку, которая выстрелила обычной морковью, с легкостью пробившей плотный лист картона. Любой осколок старой ракеты или кусочек отслоившейся краски на такой скорости способен пробить человека насквозь.
На лекции был продемонстрирован оригинальный российский скафандр «Орлан». Данная модель отличается задним типом входа через специальную дверцу, что позволяет космонавту облачаться в него без посторонней помощи. Интересно, что все надписи на груди скафандра нанесены в зеркальном отражении, так как космонавт из-за ограниченной подвижности шлема может рассмотреть органы управления только с помощью небольшого зеркала на рукаве. Вспоминая свой опыт 6 выходов в открытый космос, Дэн Тани назвал самым пугающим моментом случайную секундную потерю контакта с поручнем станции, когда он едва не улетел в открытый космос.
🩺 Космическая медицина: почему на МКС нет операционной 47:03
В случае тяжелой болезни или травмы на Земле на помощь приходит санитарная авиация, способная развернуть палату интенсивной терапии прямо на обочине дороги. Сравнение медицинских комплектов вертолета скорой помощи (представленного врачом Марой Эль Занфали и парамедиком Карен Кларк) и МКС (представленного астронавтом и бывшим летным хирургом NASA Майклом Барреттом) показало неожиданные результаты. В шуточном соревновании космическая аптечка проиграла земной по всем статьям.
Результаты шуточного сравнения медицинских возможностей земной скорой помощи и МКС:
- Анестезия: земной вертолет получил 8 баллов из 10 за общую анестезию, тогда как МКС получила лишь 2 балла за наличие местного лидокаина для зашивания мелких порезов.
- Интенсивная терапия: вертолет имеет 7-8 баллов за вентиляцию легких и переливание крови, МКС имеет 2 балла из-за дефицита кислорода и строгих противопожарных лимитов на его концентрацию в воздухе.
- Хирургия: земные медики набрали 6-7 баллов за сложные полостные операции, в то время как МКС досталось 3 балла за умение ставить грудной дренаж без хирурга на борту.
Как объясняет Майкл Барретт, такой скромный набор обусловлен спецификой пациентов: в космосе невозможно упасть с высоты, там нет автомобильных аварий, огнестрельных или ножевых ранений, а экипаж состоит из абсолютно здоровых и дружелюбных людей. Если же произойдет катастрофическая медицинская ситуация, единственным решением остается экстренная эвакуация на Землю на корабле «Союз».
🔥 Огненное возвращение: физика сжатия воздуха и щит из кремния 53:37
Возвращение спускаемой капсулы «Союз» сквозь плотные слои атмосферы сопровождается экстремальным нагревом. Распространенное мнение о том, что капсула раскаляется из-за трения о воздух, не соответствует действительности — тепло возникает из-за колоссального сжатия воздуха перед летящим аппаратом, когда молекулы газа просто не успевают разлететься в стороны. Этот эффект демонстрируется с помощью поршневого огнива, где резкое сжатие воздуха в трубке мгновенно воспламеняет хлопок.
Для защиты экипажа «Союза» используется абляционный щит, который при обгорании выделяет газы, отталкивающие пламя от корпуса. Другим уникальным теплозащитным решением являются плитки из плетеного кварцевого волокна (кремнезема), применявшиеся на космических шаттлах. Кевин Фонг продемонстрировал плитку, раскаленную в печи до 1100 °C. Благодаря крайне низкой удельной теплоемкости материал мгновенно теряет тепло с поверхности, что позволило лектору взять голыми руками светящийся красным жаром блок за самые уголки всего через пару секунд после извлечения из печи.
Завершая лекцию кадрами орбитального заката, наступающего всего через 45 минут после рассвета, Кевин Фонг выразил уверенность, что освоение этих физических принципов позволит человечеству в будущем успешно вернуться на Луну и отправиться к Марсу.
