Что такое невесомость

Невесомость – удивительное состояние, которое хочется ощутить хоть раз в жизни. Космонавты ощущают его во время орбитальных миссий, а наши туристы – при осуществлении параболических полетов на самолете-лаборатории Ил-76 МДК. Кратковременное пребывание в невесомом состоянии дарит незабываемый опыт и феерические эмоции. Такие полеты не требуют сложной подготовки и обычно хорошо переносятся.
Другое дело – орбитальные полеты в космосе. Космонавтам приходится подолгу не чувствовать вес собственного тела и находиться в непривычных обстоятельствах. Чтобы адаптироваться к таким условиям, они проходят основательную подготовку, а после пребывания на космической станции организму требуется восстановление и реабилитация. Рассмотрим подробнее, что называют состоянием невесомости, как оно действует на людей и как к нему приспосабливаются космонавты.

Начнем с определения самого понятия: в чем суть невесомости и что она собой представляет? В этом состоянии человек не чувствует свой вес, и создается впечатление, что гравитация вообще перестает действовать. В действительности люди и предметы просто осуществляют свободное падение, поэтому сила тяжести в таких условиях не ощущается как вес. Отсюда и происхождение самого слова. Масса тел при этом не меняется. Это константа, характеризующая количество вещества в объекте, и она сохраняет свое значение даже в космосе.
Исчезает только ощущение веса – силы, с которой тело под влиянием гравитации давит на опору. В условиях невесомости (естественных или искусственно созданных) опоры нет, потому нет и ощущения веса, несмотря на фактическое действие гравитации. Вдали от гравитационных тел – между галактиками и в межзвездном пространстве – теоретически гравитация очень слабая и почти не ощущается. Но даже эти условия с точки зрения физики не являются абсолютной антигравитацией.

Чтобы познать на практике, что такое состояние невесомости, можно совершить:

1. Орбитальный полет. Космический корабль вместе с людьми и предметами в нем движется на низкой орбите со скоростью порядка 7,9 км/с и в то же время испытывает силу притяжения Земли. Но поскольку скорость движения очень большая, а траектория идентична форме планеты, на корабле наблюдается постоянное состояние свободного падения – с одинаковой скоростью для всех и всего на борту, без ощущения опор или трения, без сопротивления движению.
2. Полет на самолете-лаборатории Ил-76 МДК. Для создания режимов кратковременной невесомости самолет движется по параболе Кеплера, и при достижении высоты 9000 метров начинает плавно снижаться по параболической дуге с выключенными двигателями. В эти периоды сила инерции уравновешивает силу тяжести, и все присутствующие на борту на собственном опыте ощущают, что значит невесомость. Такие полеты проводят для тренировки космонавтов, осуществления научных экспериментов и в качестве туристических развлечений.

При проведении научных исследований, чтобы изучить поведение различных тел в условиях невесомости, организовывают их падение в капсуле, сбрасываемой в вакуумную шахту.

Длительное пребывание в состоянии свободного падения кардинально меняет условия жизни людей, ощутимо влияет на работу органов и систем. Меняются и перестраиваются многие привычные процессы, например:

1. Вестибулярный аппарат, пространственная ориентация. На космических кораблях и станциях нет гравитационного ориентира, мозг не может использовать вестибулярные сигналы и силу тяжести для определения, где «верх» и «низ». В результате наблюдается дезориентация, могут появляться тошнота и головокружение – обычные симптомы «космического укачивания». Постепенно организм адаптируется к непривычным условиям, и через 2–3 дня восприятие пространства нормализуется. При необходимости, для профилактики тошноты и других симптомов дезориентации назначаются медикаменты.
2. Опорно-двигательный аппарат. Без ощущения веса, когда не приходится его преодолевать, мышцы и кости заметно ослабевают. Без привычной нагрузки страдают ноги, спина, таз, позвоночник. Для профилактики атрофии, остеопороза и других проблем с ослабленными мышцами и костями космонавты ежедневно тренируют их, используют специальные скафандры, виброплатформы и другие приспособления, имитирующие нагрузку.
3. Кровообращение и лимфоток. В условиях постоянного свободного падения происходит перераспределение крови и лимфы, усиливается их приток к голове. Из-за этого у космонавтов может отекать лицо, болеть голова и нередко наблюдается заложенность носа. Адаптируется к новым условиям и сердечно-сосудистая система. В частности, снижается объем циркулирующей крови, что грозит резким уменьшением давления после возвращения на планету. Кроме того, из-за перемен в мозговом кровообращении может повышаться внутричерепное давление, деформироваться глазное яблоко и снижаться зрение. Частично решить проблему перераспределения жидкостей в теле помогают компрессионные костюмы.
4. Работа иммунной и гормональной системы. В космических реалиях уменьшается сопротивляемость организма, и он становится более чувствительным к инфекциям. Также возрастает уровень стресса, наблюдаются гормональные изменения. Меняется обмен веществ и даже состояние микробиома. Для укрепления иммунитета и нормализации гормонального фона используются пробиотики, сбалансированное питание, медицинское наблюдение.
5. Психика. Будущих космонавтов не зря тщательно проверяют: не только на физическую выносливость, но и на устойчивое психическое здоровье, реакции на стрессы и нахождение в замкнутом пространстве. Длительное пребывание на космической станции – это серьезное испытание для психики людей. В таких обстоятельствах меняется восприятие окружающей обстановки, искажается ощущение времени, из-за расхождения визуальной картинки с данными от вестибулярного аппарата замедляется реакция и возникают сенсорные иллюзии. В результате значительно возрастают нагрузки на мозг и нейронные связи, может повышаться тревожность и раздражительность. Кроме основательной психологической подготовки, справиться с такими вызовами помогает поддержка с родной планеты.

В космосе людям приходится адаптироваться к условиям микрогравитации. Чтобы ориентироваться в пространстве, космонавты используют цветные метки и указатели, двигаться им помогают поручни и ремни, для фиксации техники и инструментов применяются крепления с липучками или магнитами. Для поддержания в тонусе мышц и профилактики костных заболеваний космонавты занимаются на тренажерах с имитацией земного тяготения. Для сна в космосе предназначены спальные мешки, которые крепятся к стенам каюты тросами.
С гигиеническими процедурами тоже не все так просто, как в земных реалиях:
• вместо душа или принятия ванны – влажные салфетки, выдавливаемая из пакетов вода, пропитанные антисептиком полотенца, специальные гели и безмыльные шампуни, плюс полотенце и система вентиляции для сбора остатков воды;
• для чистки зубов – минимум воды и съедобная зубная паста, которую можно сплюнуть в полотенце или проглотить;
• бритье – без воды, с применением специального геля и удаления сбритой щетины полотенцем;
• вместо стирки – утилизация одежды и белья (сжигание в космическом пространстве);
• для удаления отходов – специальные системы с мощными системами всасывания и герметичными контейнерами.
Питаются космонавты из герметичных порционных пакетов, но иногда используют и консервы. В сублимированные продукты через специальный клапан добавляют горячую воду. Пьют из герметичных упаковок через соломинку. Отходы помещают в специальные контейнеры, а для сбора крошек используют крошкоулавливатели – вентиляторы, втягивающие мелкие частицы пищи. Сильно крошащиеся продукты (к примеру, хлеб) спрессовывают или исключают из рациона, чтобы минимизировать риск загрязнения воздуха и техники.

Космическое оборудование при старте, стыковках и маневрах подвержено действию вибраций и импульсов. Поэтому в космосе используется прочная техника с виброзащитой в виде демпферов и амортизаторов. Чтобы минимизировать воздействие механических колебаний на электронные компоненты, их оснащают специальными подложками. Используемое оборудование должно стабильно работать в широком температурном диапазоне, иметь большой запас прочности и быть отказоустойчивым.
Для уменьшения трения и естественного износа механизмов используются инновационные материалы, герметичные конструкции, твердые смазки и сухие покрытия, стабильно работающие в космических реалиях. Для противодействия негативному влиянию радиации применяются радиационно-устойчивые компоненты, технологии экранирования и программного исправления ошибок.
Чтобы уменьшить нагрузку на членов экипажа, повысить безопасность и поддерживать эффективную работу техники, большинство процессов предусматривает автоматизированное управление с Земли. Поэтому огромное значение имеет устойчивость систем управления к всевозможным сбоям, наличие резервных копий и способность к быстрому восстановлению.

В условиях невесомости проводятся различные исследования. Так ученые изучают процессы, которые из-за влияния гравитации проблематично исследовать на Земле. Они наблюдают за тем, как ведут себя в невесомом состоянии различные жидкости, плазмы, материалы и живые организмы, как растут кристаллы, как происходят процессы конвекции и теплообмена. Это помогает ученым совершенствовать существующие технологии и создавать высококлассные материалы.
Например:

1. При осуществлении проекта Protein Crystal Growth (1985–1998 гг.) биохимики на шаттлах и МКС выращивали кристаллы белков и получили ценную информацию об их строении, в т. ч. об инсулине и ферментах вируса гриппа. Такие открытия помогают разрабатывать эффективные лекарства от разных болезней.
2. При проведении эксперимента Advanced Plant Habitat (2020–2022 гг.) на МКС в установке NASA астронавты выращивали и исследовали разные виды растений. Исследования растений, клеток и микроорганизмов способствуют лучшему пониманию того, как невесомость действует на метаболизм в клетках, генетическую регуляцию, иммунный ответ, рост тканей и другие процессы. Эти данные учитываются при планировании продолжительных космических миссий.
3. Зная, как ведут себя в невесомости жидкости и пламя, инженеры совершенствуют топливные системы космических аппаратов, технологии тушения пожаров и т.д.
4. Эксперименты с материалами позволили изучить особенности протекания химических реакций, коррозионных процессов и фотодеградации в невесомости. Благодаря этому удалось создать инновационные полимерные покрытия и сверхстойкие композитные материалы.
5. На МКС проводят испытания материалов, приборов, систем жизнеобеспечения, источников энергии, робототехники. Это позволяет адаптировать новые разработки для продолжительных космических миссий. Например, доставленный на МКС 3D-принтер напечатал прямо на орбите свыше сотни изделий.

Есть несколько методов, позволяющих сымитировать невесомость на Земле, причем некоторые из них используют в лечебных целях. Например, методику сухой иммерсии применяют для расслабления мышц и опорно-двигательного аппарата, ускорения реабилитации и замедления процессов старения. Ее суть состоит в помещении человека в ванну с водой комфортной температуры, но так, чтобы тело было изолировано от воды помещенной на нее водонепроницаемой пленкой. В результате тело не соприкасается с водой, но при этом как бы плавает на ее поверхности.
Еще один терапевтический метод использования искусственной невесомости – флоатинг. В этом случае человека погружают в ванну с соленой водой – с уровнем солености, как в Мертвом море. Такая имитация антигравитации помогает расслабиться, снять стресс, психоэмоциональное и физическое напряжение, ускоряет реабилитацию, помогает в лечении кардиологических и неврологических заболеваний.
Космонавты и астронавты применяют для имитации невесомости и тренировки в таких обстоятельствах виртуальные симуляторы и подвесы, передвигаются в скафандрах под водой и привыкают к состоянию свободного падения при параболических полетах. А мы с радостью организовываем полеты в невесомости для наших туристов!