Космические технологии — один из приоритетов программы развития ФИЦ «Красноярский научный центр СО РАН». Уже сегодня ученые центра прогнозируют климатические и природные особенности Земли с помощью снимков с орбиты, разрабатывают замкнутые системы жизнеобеспечения для длительного пребывания человека в космосе и создают новые материалы, защищающие спутники от перегрева.
Первые спутник и человек на орбите, выход космонавта в открытое околоземное пространство стали событиями, которые изменили картину мира. Как любая масштабная задача, космос стимулировал прогресс в разных областях науки. При создании Федерального исследовательского центра «Красноярский научный центр СО РАН» космические технологии вошли в перспективную программу развития. В преддверии Дня космонавтики мы решили рассказать о трех проектах из разных сфер знаний, которые развиваются в Красноярске.
Дистанционное зондирование земли из космоса
Космическим мониторингом красноярские ученые занимаются больше двадцати лет. За эти в годы в институтах КНЦ СО РАН сформировалось несколько групп, анализирующих спутниковую информацию. Весной прошлого года в Красноярске был создан Единый центр дистанционного зондирования Земли. По словам руководителя Центра кандидата физико-математических наук Олега Эдуардовича Якубайлика, космические снимки, полученные Центром, используются в водном, лесном и сельском хозяйстве, в экологии и природопользовании, а также при предупреждении и ликвидации чрезвычайных ситуаций.
Чтобы космическая информация была доступна для земных приложений, нужно уметь ее анализировать. Спутник получает изображение поверхности планеты в разных спектральных диапазонах, можно сказать — в разных цветах. Обычная фотография — это видимое нами излучение. Невидимый глазом инфракрасный диапазон — тепло, так из космоса виден пожар. Выделяя узкие сегменты, можно настроить «взгляд» спутника на пигмент растений хлорофилл, на свет, отраженный льдом или другой поверхностью, даже на влажность почвы или соленость воды. Перед учеными стоят две задачи. Первая — научиться выделять эти диапазоны. Вторая — расшифровать полученные данные, соотнести изображение, полученное со спутника с процессами на Земле.
Одна из актуальных задач, над которой работают красноярские специалисты, — исследование температуры и влажности почв арктических территорий. Изменение климата и повышение температуры могут привести к таянию вечной мерзлоты. Это будет иметь глобальные последствия и для климата планеты, и для присутствия человека в Арктике.
За северными территориями следят десятки спутников. Но точная интерпретация космических данных требует наземной привязки, которую красноярские физики делают с помощью радаров и радиометров. Радары измеряют излучение спутника, отразившееся от Земли. Информация, которую они получают после нескольких пролетов спутника над одной точкой, позволяет решать локальные задачи — определение толщины льда, мониторинг подвижек грунта или любого другого объекта. Благодаря этим данным можно из кабинета оценить движение ледохода или очертить затопленную территорию.
Задача радиометров — принимать радиотепловое излучение поверхности. Их применяют для корректировки спутниковых данных при оценке состояния окружающей среды на больших территориях. Это может быть влажность почвы, высота снежного покрова, запасы углерода в почвах или растительности. Такие материалы используются в прогнозных климатических моделях.
Используя эти методы, красноярские ученые исследуют территории Аляски, севера Канады, Ямала и Таймыра — места, где есть опорные наземные метеостанций. Созданная ими модель диэлектрической проницаемости почвы несколько лет назад была включена в алгоритм Европейского космического аппарата SMOS и обеспечивает глобальный мониторинг влажности почвенного покрова на основе измерений радиотеплового излучения поверхности Земли.
Исследователи продолжают работу в этом направлении. Сейчас им нужно научиться измерять глубину промерзания почвенного покрова в Арктике и определять количество незамерзшей воды в почве в разное время года.
«Этим летом мы запланировали ряд полевых работ. Поставим приемники, метеостанцию с датчиками, которая измеряет влажность почвы, и станем проводить синхронные со спутником измерения. За лето почва будет увлажняться, высыхать, а мы — наблюдать за этим участком. Необходимо достичь точности измерения, которая востребована на практике», — заключил заведующий лабораторией радиофизики дистанционного зондирования Института физики им. Л.В. Киренского ФИЦ КНЦ СО РАН кандидат физико-математических наук Константин Викторович Музалевский.
Дом на Марсе
Работы по созданию искусственных замкнутых экосистем, которые способны обеспечить потребности человека в воздухе, воде и пище, начались в Советском Союзе в 1960-х годах. Одним из центров таких исследований был Красноярск. Простейшая установка БИОС-1 состояла из двух звеньев, одноклеточной водоросли хлореллы и человека. Водоросли поглощали углекислый газ и выделяли кислород. Однако проблему питания и утилизации продуктов жизнедеятельности такая система не решала.
В 1970-х годах начались масштабные эксперименты с установкой БИОС-3. В ней на площади 300 квадратных метров находились каюты для экипажа, водорослевые культиваторы по очистке воды и выделению кислорода, высокопродуктивные установки на гидропонике с высшими растениями. Самый длинный непрерывный эксперимент в герметичном бункере с тремя бионавтами длился 180 суток. Впервые в мире исследователям удалось достичь полного замыкания по газу и воде. При этом система воспроизводила до 70 % потребностей экипажа в пище.
Позже в Институте биофизики был создан Международный центр замкнутых экологических систем. Ученые Центра разрабатывают прототипы комплексов для длительного пребывания человека в экстремальных земных и космических условиях. В настоящее время при поддержке Российского научного фонда в Красноярске отрабатывают новые технологии замыкания цикла. Запущен годичный эксперимент с малой замкнутой системой жизнеобеспечения, рассчитанной лишь на долю присутствия человека. Участники эксперимента, не нарушая герметизации камер, с помощью специального шлюза участвуют в газообмене, отбирают пробы и ухаживают за растениями.
По словам исполнительного директора Международного центра замкнутых экологических систем доктора биологических наук Александра Аполлинарьевича Тихомирова, использование недорогих камер позволяет с относительно небольшими затратами проверить новые технологии утилизации отходов жизнедеятельности человека, нейтрализации побочных токсичных веществ и роста растений на продуктах переработки отходов. Большие экосистемы с полноценным участием человека очень дорогие. Если что-то случится с экипажем из-за недостаточной проработанности технологических процессов, придется останавливать дорогостоящий эксперимент. При использовании малых систем ученые застрахованы от этого.
В опытах тестируется несколько новинок. После физико-химического окисления метаболитов человека на выходе получаются продукты переработки — газ и минеральный раствор, которые могут быть преобразованы в экологически безопасные вещества. Газообразные выделения после глубокой очистки содержат только кислород и углекислоту без примесей токсичных летучих соединений. За счет комбинации физико-химического и биологического методов ученым удается длительное время поддерживать в растворе приемлемые для растений концентрации азотсодержащих соединений и выводить излишки хлористого натрия в составе растений солеросов (род однолетних травянистых растений семейства Амарантовые. Суккуленты, произрастают на сильно засоленных почвах на морских побережьях, берегах соленых озер, в балках и оврагах. — Прим. ред.), которые служат источником пищевой соли для экипажа.
«Включение почвоподобного субстрата как одного из способов биологической утилизации органического вещества будет способствовать уменьшению складирования растительных отходов внутри будущих систем и повысит их замкнутость. Сейчас проводятся исследования по ускорению процессов биоконверсии органики за счет различных способов и методов. Так, достигнуты успехи в процессах аэрации субстрата и снижения степени его уплотнения, что повышает скорости нитрификации», — рассказал научный сотрудник Института биофизики ФИЦ КНЦ СО РАН кандидат биологических наук Сергей Викторович Трифонов.
Ученые планируют создать установку нового поколения — БИОС-4 — систему с высоким уровнем замкнутости. Для этого нужно собрать воедино технологии интенсификации роста растений и оригинальные физико-химические и биологические методы глубокой переработки растительных отходов и продуктов жизнедеятельности человека.
Новые материалы для спутников
Успехи красноярских ученых в области космических технологий тесно связаны с гигантом российской космической отрасли АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М.Ф. Решетнёва». Большая часть гражданских российских спутников на орбите сделана в именно там. Предприятие отвечает за создание российской системы геопозиционирования ГЛОНАСС. Один из крупных российских космических проектов — обсерватория «Миллиметрон» («Спектр-М»), предназначенная для исследования различных объектов Вселенной в миллиметровом и инфракрасном диапазонах. Создание конструкции телескопа, сборка и испытание бортового комплекса научной аппаратуры — зона ответственности «решетнёвцев».
По многим из этих проектов предприятие, специализирующееся на производстве спутников, сотрудничает с научными институтами Сибири, в том числе Красноярска. Например, в Институте вычислительного моделирования ФИЦ КНЦ СО РАН была усовершенствована система терморегулирования космических аппаратов. В советское время срок жизни космической установки составлял не более трех лет. Спутники были герметичными, а бортовая аппаратура охлаждалась за счет вентиляторов. Новые поколения спутников стали строиться на основе негерметичных конструкций. У таких устройств легкий корпус, внутри — вакуум. Но требовались новые системы теплоотвода, возникла необходимость защитить от перегрева транзисторы, платы и другие элементы.
Красноярские специалисты предложили использовать гипертеплопроводящие устройства, аналогичные по физическим принципам кулерам в компьютерных процессорах. Это плоская герметичная труба, которая снаружи выглядит как обычная металлическая пластина, но внутри имеет сложной устройство. В корпусе c очень тонкими стенками находится пористая структура, заполненная теплоносителем — водой или аммиаком. Теплоноситель циркулирует внутри объема и равномерно распределяет температуру по всей конструкции. Эффективность переноса тепла такими устройствами в сто раз выше, чем у обычного алюминия. Даже при сильном нагреве элементы на такой плоской тепловой трубе остаются холодными. Чтобы обеспечить оптимальную температуру работы транзисторов, для одного спутника требуются десятки этих элементов из меди или титана.
С развитием технологии изготовления новых материалов плоские тепловые трубы стали встраивать в другие части спутников. Устройства позволили повысить точность системы термостабилизации атомных часов спутников ГЛОНАСС. Удалось значительно улучшить отвод тепла от электронных элементов на керамических платах. Эти необходимые в работе спутника модули размером не больше спичечного коробка было сложно охладить другим способом. Плоская труба аналогичных параметров снижает плотность теплового потока от платы в двадцать раз.
По словам заместителя директора Института вычислительного моделирования СО РАН кандидата физико-математических наук Дениса Александровича Нестерова, чтобы создать хорошо работающие охлаждающие элементы, ученые разработали вычислительные модели физических процессов в этих устройствах. После серии расчетов и экспериментов были сделаны охлаждающие конструкции Т-образной формы из меди с водой в качестве теплоносителя, которые в настоящее время успешно работают на спутниках. Последнее усовершенствование — теплопроводящие трубы из титана. Они в несколько раз легче меди и гораздо прочнее.
Сейчас один из приоритетных проектов красноярских ученых — разработка оборудования для измерения температурных и оптических характеристик материалов, которые используются при создании телескопа «Миллиметрон». Они запатентовали измерительную ячейку, с помощью которой можно исследовать линейное тепловое расширение изделий при температурах близких к абсолютному нулю. Принцип работы ячейки основан на измерении емкости конденсатора при изменении линейных размеров образца.
«Наша технология обеспечивает высокоточные исследования в широком диапазоне температур. Исследуемый материал помещается в ячейку между двумя обкладками конденсатора. Подвергаясь температурному воздействию, образец изменяет свои размеры, что влияет на емкость конденсатора. Полученный сигнал пересчитывается в коэффициент линейного расширения, необходимый для построения математических моделей возможных конструкций телескопа», — пояснил старший научный сотрудник лаборатории сильных магнитных полей Института физики им. Л.В. Киренского ФИЦ КНЦ СО РАН кандидат физико-математических наук Сергей Иванович Попков.
С помощью нового метода ученые исследуют углепластики, клеящие материалы, металлические изделия, которые рассматриваются в качестве кандидатов при создании зеркала телескопа. Российская космическая обсерватория должна быть выведена на орбиту в ближайшие годы.
Группа научных коммуникаций ФИЦ КНЦ СО РАН
Фото Группы научных коммуникаций ФИЦ КНЦ СО РАН (1), Ирины Билай (2), Дениса Нестерова (3)
