Сидеть и не пищать!

На искусственном спутнике Земли заведутся мыши

Международная группа ученых , представляющих три университета, а также Международное марсианское общества и некоторые другие организации, намерены запустить на орбиту автономный аппарат с группой мышей с целью исследования длительного воздействия на организм слабой гравитации, а также возможности размножения и развития млекопитающих в космических условиях.

Технологические достижения последних десяти лет всё больше превращают идею колонизации Марса из фантастической выдумки во вполне реальную задачу и всё больше приближают времена заселения нашей ближайшей соседки.

Тем не менее, уже сейчас перед исследователями стоит целая серия вопросов, в частности касательно того, каких изменений в жизнедеятельности организма следует ожидать в марсианских условиях, если человеку всё же удастся добраться до Красной планеты.

Так, в частности, в первую очередь следует отметить значительную разницу в гравитации на наших планетах – марсианская составляет лишь около 3/8 земной – чему придётся уделить внимание при планировании длительных марсианских экспедиций. Опыт пребывания космонавтов на орбитальных станциях показывает, что даже относительно короткое пребывание в условиях нулевого притяжения проявляется в психических расстройствах, нарушении процессов минерализации костной ткани, изменениях мышечной массы, функционирования иммунной системы и некоторых других отклонениях. Неизвестно, достаточно ли будет марсианской гравитации для того, чтобы избежать этих патологических процессов. Также немаловажен вопрос относительно того, насколько реальным является рождение и нормальное развитие в марсианских колониях детей, и смогут ли представители последующих поколений, выросшие на Марсе,  впоследствии вернуться на Землю и существовать в земных условиях.

Чтобы ответить на эти и другие вопросы, Международное марсианское общество (International Mars Society) во главе с Робертом Зубрином, объявило конкурс на частный проект, бюджет которого не превышал бы нескольких миллионов долларов и который был бы посвящен решению вопросов освоения Марса. На предложение откликнулся целый ряд университетов, однако после некоторого отбора была сформирована международная команда из представителей трёх вузов – Массачусетского технологического института (Massachusetts Institute of Technology, MIT, Кембридж), США, Вашингтонского университета (University of Washington, Сиэтл), США, и Квислендского университета (University of Queensland), Брисбен, Австралия. 

В ходе проекта, получившего название Mars Gravity Biosatellite Project, небольшая группа мышей, заключённая в автономном модуле, будет доставлена на низкую земную орбиту, где проведет семь недель в условиях искусственно создаваемой слабой гравитации (равной марсианской) под постоянным наблюдением исследователей. В связи с ограниченностью жизненного пространства, максимальное количество населения биоспутника будет равно 7 взрослым самкам и ещё четырём беременным особям. Возраст матерей будет около 17 недель. Примерно на 10-й день "экспедиции" беременные должны дать жизнь потомству. Оставшегося времени достаточно для того, чтобы новорожденные сформировались в практически взрослых мышей (им исполнится около 6 недель). После завершения миссии, спутник с помощью маломощных двигателей войдет в атмосферу и совершит посадку на территории австралийской пустыни.  Данные, полученные в ходе эксперимента, должны быть весьма полезны при планировании будущей колонизации Марса людьми.

Каждый из вузов ответственен за свою определённую долю работы в общем проекте: исследователи из MIT работают над модулем, который будет обеспечивать поддержание жизнедеятельности "команды" и наблюдение за состоянием её здоровья и поведением, а также отвечают за объёдинение всех компонентов устройства, Квислендский университет разрабатывает механизмы и план безопасного возвращения устройства на Землю, а участники из Вашингтонского университета ответственны за систему навигации, двигатели, энергообеспечение и связь.

Модули биоспутника

Спутник, общий вес которого будет составлять 250 килограммов, будет выведен на орбиту высотой около 300 км, где будет вращаться вокруг Земли, делая более десятка оборотов в сутки.

Для того, чтобы создать на борту условия марсианского притяжения, спутник будет вращаться вокруг продольной оси со скоростью около 25 оборотов в минуту (практически раз в две секунды). Ось вращения будет направлена в сторону Солнца для того, чтобы обеспечить функционирование солнечных батарей, которые будут снабжать энергией всю систему.  Спутник будет содержать реактивный двигатель малой тяги, который обеспечит схождение с орбиты, а также ещё несколько двигателей малой мощности для регуляции частоты вращения и ориентации аппарата.

Как видно на схеме, спутник состоит из трёх отдельных модулей – один будет поддерживать жизнедеятельность "команды" и наблюдение за её состоянием (красный, назовем его модулем поддержания жизнедеятельности), другой обеспечит процесс возвращения устройства на Землю (обозначен синим), а третий (зелёный) будет выполнять функцию носителя и энергообеспечения системы. При возвращении на Землю он останется на орбите.

Модуль поддержания жизнедеятельности

Разработкой этой части аппарата заняты исследователи из Массачусетского университета, которым в этом содействуют неуниверситетские учёные и советники из различных аэрокосмических корпораций, биолаболаторий и исследовательских центров НАСА.

Функции данной системы заключаются в создании и поддержании здоровых и удобных условий для подопытных животных, сборе и анализе телеметрической информации и её выборочной передаче на Землю с помощью телекоммуникационной системы.

Удобство для животных

Работая над конструкцией "жилого" модуля, исследователи постарались создать максимально удобные условия для обитания, роста, размножения и выращивания потомства для подопытных животных. Автоматизированная система подачи пищи и воды одновременно будет предупреждать случайные утечки продуктов и развитие инфекций. Система вентиляции предусматривает однонаправленную вентиляцию, благодаря чему воздух, использованный животными, будет поступать в блок очистки, где углекислый газ и другие парообразные и пылевые компоненты будут отфильтрованы и отложены для последующего анализа, а использованный кислород и азот восполнены до нормы из запасов. Также данный модуль сконструирован таким способом, чтобы по возможности сглаживать внешние вибрационные, шумовые, температурные и иные негативные воздействия.

В качестве контроля на Земле будут происходить а события, аналогичные тем, что имеют место на орбите. Учёные постараются по возможности максимально приблизить лабораторные условия к орбитальным. Правда, некоторые параметры на Земле, безусловно, воссоздать не удастся или будет весьма проблематично. Так, в частности, Кориолисово и центростремительное ускорение, обусловленные вращением модуля, будут намного сильнее на орбите, хотя конструкторы работают над тем, чтобы ослабить их воздействие.

Следует отметить также, что все устройства в составе модуля, а также животные на борту должны выдерживать значительные перегрузки, достигающие 10 g, и, возможно, более (см. рисунок с обозначением этапов экспедиции и соответствующих перегрузок).

В ходе планирования проекта некоторые учёные выдвинули предположение, что значительное Кориолисово ускорение, обусловленное высокой частотой вращения аппарата, послужит причиной сильной дезориентации мышей, тем самым делая невозможным удачное проведение эксперимента. Для того, чтобы проверить эти предположения, исследователи поставили относительно простой опыт в астронавтической лаборатории в Лейквуде, шт. Колорадо. Была сконструирована экспериментальная установка в виде камеры диаметром 1 м, вращающейся со скоростью 25 об. в минуту. Мышь, помещённая у края платформы, испытывает центростремительное ускорение равное 0,38 g. Она, в отличии от мышей на орбите, дополнительно также испытывает на себе воздействие земного гравитационного поля, однако величина силы Кориолиса в обоих случаях равны.

Эксперимент был начат в конце августа 2001 года. В его ходе было отмечено, что уже несколько минут спустя после начала вращения поведение и самочувствие подопытных животных было вполне нормальным. Мыши находились во вращаемой камере 7 недель и вели вполне нормальную жизнедеятельность. Больше того, 15 октября 2001 года одна из самок  по кличке Мини, привела потомство.

Однако, вернемся к нашей орбитальной станции. Не смотря на то, что в план эксперимента входит возвращение мышей в живом виде, а участники программы даже отмечают, что модуль может быть возвращен на Землю преждевременно, случись на биоспутнике непоправимая поломка, нельзя исключить возможность потери всего аппарата вместе с его командой, например, в ходе посадки. Поэтому  необходимо по возможности получить максимальное количество данных ещё на орбите. Безусловно, такой удалённой телеметрии далеко до лабораторных наблюдений, однако в полёте планируется замерить также немало. Вот список тех данных, которые планируется получить непосредственно на биоспутнике:
- видео и фотоснимки (общее состояние здоровья, поведение, контакты между особями);
- параметры среды (влажность, температура, ускорение и т.п.);
- уровень активности;
- массу тела;
- потребление пищи и воды;
- дозу получаемой радиации;
- температуру тела;
- некоторые параметры состава мочи;
- показатели двигательной активности.

После возвращения на Землю, тем не менее, некоторых мышей-героев всё же ждет смерть на операционном столе. В случае удачного хода эксперимента и возвращения модуля, ученые намерены сравнить физиологические особенности животных, выросших в условиях марсианской гравитации, с таковыми мышей, сформировавшихся при земной силе притяжения. Так, в частности, планируется получить данные о: 1) характере минерализации костной ткани, 2)изменениях в микро- и макроструктуре кости, 3)состоянии мышц и связок, 4)деградации вестибулярных рефлексов, 5)отклонениях в развитии, 6)возможных изменениях репродуктивных структур и плодовитости, 7)отклонениях функций сердечно-сосудистой системы, 8)также поведенческих реакций, а также некоторых других показателях.

Система возвращения на Землю

Модуль "возвращения" должен обеспечить безопасную доставку капсулы с подопытными животными с орбиты, а также быстрый доступ к ним учёных.

Перед австралийскими учёными стоит весьма непростая задача: "попасть" 130-килограммовым модулем размером примерно 1х1 м, движущимся вокруг Земли со скоростью около 17 000 миль в час, в участок, составляющий всего 0,03 % земной поверхности. Эти  0,03 % - это пустынная территория, полигон возле г. Вумер, на север от Аделаиды, где, между прочим, не так давно проводились испытания гиперзвуковой ракеты HyShot.

Перед учёными Квислендского университета стоит целый ряд задач, приоритетными среди которых являются: как уберечь животных на борту от чрезмерных перегрузок во время торможения и приземления, от перегревания во время движения капсулы в атмосфере, как обеспечить быстрое обнаружение модуля и доступ к нему специалистов и многие другие. Важность быстрого доступа учёных к содержимому капсулы связана с тем, что, попав на Землю, организм подопытных животных начнёт опять приспосабливаться к 1-g-гравитации, тем самым с большей или меньшей скоростью "стирая" признаки адаптаций и изменений, приобретенных на орбите.

В поисках модуля планируется задействовать все возможные средства. Радарные установки могут помочь при определении капсулы во время её движения в атмосфере. Вероятно, на борту модуля будет размещён маяк, сигналы которого попытаются засечь с самолёта, который далее будет направлять движение наземных сил. В поисках планируется также задействовать армию добровольцев.

Ещё одна задача - запуск

По приблизительным оценкам, общая стоимость проекта Mars Gravity Biosatellite Project будет равна около 10 млн. долларов. Значительную часть этой суммы составит стоимость выведения биоспутника на орбиту. Однако стоимость запуска может быть сокращена до 2 млн. долларов, если аппарат будет выведен на орбиту в качестве второго груза ракеты-носителя. Однако с каким именно носителем будет отправлен модуль – с шаттлом НАСА, коммерческим грузом или каким-либо другим, пока не известно. Согласно данным сайта Wired.com, биоспутник также может быть выведен на орбиту межконтинентальной баллистической ракетой советской разработки Штиль-2. 

Сейчас участники проекта заняты поисками средств для завершения проекта как в государственном, так и в частном секторе. Ещё раз напомню, что запуск планируется на 2005 год.