В истории техники немало примеров, когда использование нового принципа вело к коренной перестройке целых отраслей, приносило большой экономический и социальный эффект. Так было, например, когда железнодорожный транспорт переходил на электрическую тягу или когда в авиации стал внедряться реактивный двигатель. Особенность развития космонавтики в том, что она дала возможность применять принципиально новые технические подходы одновременно во многих, подчас далеко отстоящих друг от друга сферах народного хозяйства.
ЭРА
ОРБИТАЛЬНЫХ
ТЕХНОЛОГИЙ Михаил ЧЕРНЫШЕВ, инженер |
В публикациях по космической технологии нет-нет да и прозвучит мажорная тема. Вот-вот, буквально завтра, работы в космическом материаловедении перейдут от экспериментальной стадии к промышленному производству, и поток уникальных изделий — полупроводников, оптического стекла, лекарств — начнет поступать с космических орбит на Землю. Подсчитана даже возможная номенклатура изделий, несколько сот наименований. Но... все это в большей части теоретически, практический же выход пока значительно скромнее.
Доктор физико-математических наук Леонид Лесков, занимающийся этой проблематикой, объяснял ситуацию так. Ставку на орбитальное производство космические материаловеды делали, исходя из того, что в невесомости нет конвекции, теплового перемещения вещества в расплавах. Однако теоретические представления оказались не совсем верными.
Обычной конвекции в невесомости действительно нет, но зато там заметную роль начинает играть так называемая термокапиллярная конвекция. Она также может отрицательно влиять на качество выплавляемых материалов. Это стало ясно, подчеркивает ученый, лишь после того, как были проведены большие серии опытов на бортовых установках «Кристалл», «Корунд», «Сплав», действовавших на орбитальных станциях «Салют».
Здесь надо пояснить, что плавки материалов в бортовых электропечах проводятся в заранее подготовленных ампулах. Печи, естественно, при этом герметизируются. Изучать процесс термокапиллярной конвекции, научиться управлять ею при работе на таких установках практически невозможно. Между тем, когда конвекция мешает, ее можно подавлять, скажем, с помощью так называемых поверхностно-активных веществ. В других ситуациях, напротив, ее можно использовать для дегазации материалов. Известно, что при плавках на однородность материала влияют газовые пузырьки. В невесомости их удаление представляет большую проблему, и не исключено, что решить ее удастся за счет термокапиллярной конвекции.
Исследователи давно ощущали потребность в установке, где можно было бы в деталях наблюдать за механизмом действия термокапиллярной конвекции, фиксировать процесс на пленке. Такая установка была создана. Она получила название «Пион». Ничего общего с известным цветком аппаратура не имеет, название всего лишь аббревиатура от: «прибор для исследования особенностей невесомости».
Конструктивно «Пион» представляет собой своего рода зрительную трубу. На одном конце ее источник света, в центре — кювета, прозрачная прямоугольная коробочка с изучаемой жидкостью или газом. На другом конце трубы фотопленка. Если в кювету поместить, скажем, аэрозоль, то оптические неоднородности исказят нормальный ход лучей, и все это зарегистрирует фотопленка. Серия снимков — своеобразное кино — расскажет, как проявляется в невесомости термокапиллярная конвекция.
Первый образец исследовательской установки работал еще в «Салюте-7», а на орбитальной станции «Мир» появился уже усовершенствованный вариант «Пион-М». Эксперименты дали во многом неожиданные результаты. Одну из серий опытов космонавты проводили с аэро — и гидрозолями. Эти так называемые дисперсные системы представляют большой интерес для коллоидной химии. До сих пор плохо известно, например, как действуют силовые поля вокруг частичек, какие законы управляют их поведением. А ведь дисперсные системы — это и океан, и атмосфера, и в известном смысле даже растительный и животный мир. Так вот серия экспериментов, ее назвали «Колосок», показала, что мелкие стеклянные шарики, частички окиси кремния, называемой иногда белой сажей, другие вещества слипаются в невесомости весьма своеобразно. Иногда — это комковатые структуры, в других случаях образуются своего рода линзы, «летающие тарелки» и даже некие формы, напоминающие деревья. Все это говорит о том, что специалисты столкнулись с новой, во многом пока загадочной областью коллоидной химии.
Эксперименты по изучению термокапиллярной конвекции позволили создать математический аппарат, с помощью которого можно составлять прогнозы и выдавать соответствующие рекомендации технологам. Но в целом специалисты сейчас хорошо понимают: практически использовать невесомость для технологических нужд оказалось довольно трудно.
Любопытная деталь. Первый в мире патент на использование невесомости получил более двухсот лет назад английский изобретатель Вильям Уатт. Он предложил отливать свинцовую дробь в специальной башне. В процессе свободного падения капли свинца приобретали округлую форму. А свободное падение можно назвать кратковременной невесомостью.
— С длительной невесомостью, — говорит Леонид Лесков, — мы начали работать совсем недавно. Из космоса выгодно возить не только новые материалы, но и новые знания. Сейчас невесомость вносит свой вклад в развитие физики поверхностных явлений, механику жидкостей, кристаллографию. Что же касается материалов, то можно предположить, что их опытно-промышленное производство начнется где-то на рубеже 90-го года. В числе первых таких изделий, очевидно, будут лекарства...
С мнением Леонида Лескова согласны далеко не все специалисты. Впрочем, об этом несколько позже, а пока речь пойдет о космической фармакологии.
 А. ЛОПАТНИКОВ. Гидробассейн. Здесь, под водой, космос представить гораздо легче, чем на стартовой площадке космодрома. Именно здесь человек должен отвыкнуть от силы земного тяготения, к которой привыкал всю жизнь, начиная с первых шагов по земле. Здесь он должен сделать свои первые «шаги в невесомости». И потому акваланг оказывается так похож на деталь космического скафандра! А смотровой люк — на иллюминатор орбитальной космической станции, на «подоконнике» которой художник словно невзначай изобразил цветок! Совсем как в своей художественной мастерской. А может быть, так будет когда-нибудь и в космосе? |
 Астрофизический модуль «Квант». Простейшая схема электрофореза. |
Пять лет назад на «Салюте-7» в серии биотехнологических экспериментов космонавтами С. Савицкой, А. Серебровым и Л. Поповым была выполнена принципиально новая работа: эксперимент «Таврия». Это был конкретный заказ земного здравоохранения, сформулированный, кстати сказать, специалистами Крымского мединститута. И о нем мы беседовали с кандидатом биологических наук Андреем Лепским.
Идея эксперимента состояла в том, чтобы в невесомости с помощью электрофореза — электрического способа разделения веществ — получать особо чистые биологические вещества. Первые опыты, проводившиеся еще до «Салюта-7», дали хорошие результаты, они-то и позволили взяться за уже вполне конкретный заказ: изготовить для Ленинградского института эпидемиологии и микробиологии имени Луи Пастера Минздрава СССР интерферон — сверхчистый белок для изготовления противогриппозной вакцины.
Этот выбор не случаен. Дело в том, объяснял Андрей Лепский, что едва ли не каждый год появляется новый вирус гриппа. Для диагностики вируса и выработки противогриппозных вакцин нужны своего рода эталоны белковых веществ, сверхчистые препараты, не обладающие никакими побочными действиями. Вынос производства таких препаратов в космос, строго говоря, не является обязательным. И на Земле можно получать идеально чистые вещества, но потребовалась бы столь многократная очистка, что стоимость препарата получилась бы баснословной. Поэтому в земных условиях при изготовлении «эталонных» вакцин разумно остановиться на некоем среднем уровне очистки. Ежемесячный выход продукции с одной установки при этом исчисляется миллиграммами.
Как показали эксперименты, в космосе за сутки — всего лишь за сутки — можно получить с одной установки продукции примерно вдесятеро больше, причем степень очистки получается более высокой. Последнее обстоятельство также крайне важно, ибо недостаточная очистка ведет к тому, что противогриппозные вакцины иногда дают аллергию и не могут применяться ко всем без исключения людям.
Установка «Таврия», рассказывали ее разработчики, создавалась ускоренными темпами. Обычно на проектирование и изготовление такой аппаратуры уходят годы. Сроки внедрения «Таврии» были значительно сокращены за счет того, что не создавались некоторые экспериментальные образцы, не ставилась задача полностью автоматизировать ее работу. В принципе же полная автоматизация возможна, и, естественно, в перспективе это будет реализовано.
Потребность в препаратах, аналогичных противогриппозной вакцине, как правило, невелика: в год для исследовательских и практических целей требуется всего лишь несколько граммов сверхчистого препарата, поэтому никто не сомневается, что изготовление таких веществ в условиях космического полета окажется вполне рентабельным.
Уже по ходу экспериментов на «Салюте-7» западная печать отмечала, что советские работы являются приоритетными. В США также есть планы использования на космических аппаратах электрофоретических установок, но лидерство в этой сфере остается за Советским Союзом. Более того, за последнее время советским специалистам удалось существенно продвинуться вперед. В конце апреля — начале мая текущего года на орбите работал один из советских технологических спутников. На спутнике в числе разнообразного оборудования находилась установка «Каштан», служащая для разделения и очистки биологических веществ методом электрофореза. На ней в автоматическом режиме было получено два вида биологически активных веществ: тимозин, применяемый при иммунных заболеваниях, и интерферон. Вещества весьма дорогостоящие, в частности, грамм чистого тимозина на мировом рынке идет по 3 млн. долларов. Полученные вещества предназначены пока для исследовательских целей. Но, судя по тому, как стремительно развиваются исследования в этой сфере, видимо, недалеко то время, когда уже не отдельные образцы, а широкая гамма различных веществ, необходимых для медицины, микробиологической и пищевой промышленности, станет поступать с орбиты.
Несколько слов о том, как работает уникальная установка. Сепарация биологических объектов происходит в специальной колонке, разделенной, чтобы исключить перемешивание разделенных фракций, на 49 изолированных отсеков. Их длина 120 см, температура термостатирования от 5 до 75° С. При необходимости процесс фиксируется на фотопленку. Все параметры технологического процесса передаются на Землю, ведется запись действующих на установку микроперегрузок.