Главной задачей Международной космической станции была и остается наука. МКС – это самый дорогостоящий исследовательский проект в истории, реализовать которой позволили общие усилия 15 государств, включая Россию. Модули российского сегмента играют важную роль в жизни станции, отвечая за жизнеобеспечение экипажа, ориентацию и поддержание температурного режима. Однако специализированного научного модуля среди них до недавнего времени не было, хотя всего их на МКС целых три: американская лаборатория Destiny, европейская Columbus и японский модуль Kibo (кстати, один из самых больших на станции). Точнее говоря, такой модуль должен был быть, но задержался – надолго и по самым разным причинам. Чтобы их понять, надо проследить за долгой и извилистой судьбой «Науки», от задумки и до недавней драматической стыковки.

Когда МКС еще только создавалась, одной из самых серьезных опасностей были возможные проблемы с выводом базовых модулей. Поэтому для них были заготовлены дублеры для быстрой замены в случае гибели. Для управляющего модуля «Заря» (тогда еще – ФГБ-1, «Функциональный герметичный блок 1»), который был одним из важнейших в первые годы жизни станции, создали модуль-дублер ФГБ-2, который в кратчайшие сроки можно было бы подготовить для полета на орбиту. Работу над ФГБ-2 начали еще в 1995 году, практически параллельно с «Зарей». По счастью, «Заря» справилась со своей задачей безукоризненно, а модуль-дублер так и остался в цехах Центра имени Хруничева. Спустя несколько лет возникла идея превратить его в новый российский научный модуль МКС.

По большому счету, научный модуль – это большая лаборатория, размещенная на орбите: замкнутый объем со стойками для исследовательского оборудования, которые здесь называются «универсальными рабочими местами» (УРМ). На «Науке» их около 30, как внутри, так и снаружи, похожие на серверные шкафы, но более универсальные, позволяющие размещать самые разные инструменты. До сих пор подсоединения каждого нового научного прибора к питанию и связи на МКС производилось индивидуально и вручную. С появлением УРМ эти подключения стали универсальными.

Кроме того, «Наука» позволяет работать в открытом космосе без выхода космонавтов за борт станции. В этом ему помогает внешняя «рука», манипулятор ERA, изготовленный европейскими партнерами Роскосмоса во главе с ESA и нидерландской компанией Dutch Space. ERA позволяет извлекать образцы из специального бокса и закреплять их на специальных площадках и УРМ, расположенных с наружной стороны модуля. Это экономит время, а главное делает эксперименты гораздо дешевле, не проводя сложной операции по выходу в открытый космос и экономя ограниченный ресурс работы скафандров.

Первоначально запуск Малого лабораторного модуля (МЛМ) «Наука» был запланирован на 2013 год. Космонавты успели отрепетировать стыковку и подготовились к серии выходов в открытый космос для подключения и интеграции «Науки» в общую систему станции. Однако практически в последний момент, во время предполетных проверок, в топливной системе «Науки» обнаружились загрязнения, металлические опилки, способные повредить двигатели. Эта проблема совсем не так проста. Топливная система включает сотни метров трубопроводов, соединители и топливные баки. А чтобы в баках сохранялось оптимальное давление при любом количестве топлива, в них используется сильфон – внутренняя многослойная гофрированная оболочка, которая растягивается или сжимается, в зависимости от давления.

Разобрать все это, промыть и собрать обратно, – задача долгая и сложная. Судя по сообщениям различных источников, после нескольких попыток проделать такую работу специалисты решили остановиться, и «Наука» снова оказалась зачехленной в цеху Центра имени Хруничева. К 2018 году неофициально считалось, что модуль так и не отправится в космос, завершив свою судьбу в музее или вовсе на пункте приема металлолома. Однако руководство Роскосмоса не оставляло своих планов. После многократных промывок и проверок немалую часть техники заменили, модуль получил приставку «усовершенствованный», став МЛМ-У, и к 2019 году снова готовился к отправке на космодром.

Естественно, за время прошедшее со времени начала работ, технологии уже ушли далеко вперед. Однако заменить старое оборудование на новое вышло далеко не везде. Так, на «Науку» не была установлена многофункциональная космическая система ретрансляции (МКСР) «Луч», способная передавать телеметрические данные из любой точки орбиты, даже вне зон видимости с территории России. Единственным вариантом получения данных с «Науки» остаются наземные измерительные пункты (НИП). Тем не менее, в августе 2020 года «Наука» покинула цеха РКК Энергия, где модуль проходил проверки, и отправился на Байконур. Вскоре стало известно, что запуск назначен на июль 2021-го.

Решив отправить модуль в полет, руководство Роскосмоса сильно рисковало. Впрочем, любой запуск 20-тонного блока в космос – это серьезный риск: слишком много систем, слишком велика вероятность, что что-то пойдет не так. Вспомним, что куда более простой и меньший по размеру американский надувной модуль BEAM  интегрировали в систему станции тоже не без проблем: система надувания корректно сработала лишь с третьей попытки. С «Наукой» таких проблем оказалось больше.

Все началось с переноса времени старта. Когда модуль уже был пристыкован к ракете-носителю и закрыт головным обтекателем, старт перенесли на несколько суток, а ракету вернули в монтажно-испытательный корпус. Есть версия, что все началось с известного блогера Анатолия Зака, который, рассматривая свежие фотографии с космодрома, заметил, что у нескольких датчиков на «Науке» не хватает теплоизоляционного покрытия. Официального подтверждения не последовало, однако запуск был отложен почти на неделю. Старт на борту ракеты-носителя «Протон-М» состоялся 21 июля 2021 года.

Первые секунды все шло нормально, но даже рядовые зрители, следившие за трансляцией, могли увидеть, как внезапно прервалась телеметрия; обычно это обозначает, что ракета взорвалась. Лишь спустя некоторое время стало ясно, что ракета просто вышла из зоны работы НИП в Барнауле. Информации через официальные источники не хватало, что привело к распространению множества гипотез и слухов. До сих пор в точности известно лишь, что на «Науке» произошла проблема с запуском курсовых двигателей, и первые сутки орбита не корректировалось. С учетом высоты, на которую был поднят модуль, подобное могло закончиться замедлением, снижением и гибелью.

Сначала на модуле заработали двигатели причаливания и стабилизации (ДПС). Они немного скорректировали орбиту, хотя полностью решить проблему не смогли. ДПС расположены под таким углом, что при попытке изменить курс ими расходуется слишком много топлива, и на дорогу до станции его могло не хватить. По счастью, спустя сутки удалось включить курсовые двигатели. Космонавты, работающие на МКС, окончательно отсоединили и отправили на затопление модуль «Пирс», место которого должна была занять «Наука». И 29 июля многострадальный модуль, наконец, успешно пристыковался к станции, причем в автоматическом режиме.

Но даже это был не финал. Спустя два часа, когда модуль находился вне зоны доступа с Земли, на нем самопроизвольно включилась система стыковки, и «Наука» подала двигателям импульс на увод от станции. Пристыкованный к станции модуль начал разворачивать ее; чтобы остановить вращение, пришлось включить двигатели модуля «Звезда», а затем – еще и пристыкованного к станции корабля «Прогресс». Прекратить вращение удалось только через несколько минут, а отключить станцию и дать сигнал на завершение стыковки – лишь когда станция вновь попала в зону работы НИП. За это время «Наука» израсходовала все свое топливо и развернула станцию на 540 градусов.

К счастью, начало вращения было достаточно медленным, а потому ни одна из систем МКС, – даже хрупкие фермы солнечных батарей, – не пострадали. Пройдя все возможные трудности и неполадки, «Наука» заняла положенное место в российском сегменте космической станции. И хотя с момента его создания прошло уже столько лет, радостно, что труд тысяч специалистов не оказался разобран на металлолом, а сможет послужить российской космонавтике и мировой науке.

Окончательный список экспериментов, которые будут проведены на новом модуле, еще не определен. Однако Роскосмос анонсировал тринадцать опытов, посвященных исследованиям Земли и космоса, космическим технологиям, космическим материаловедению и биологии. Так, Многозонная электровакуумная печь МЭП-01 должна поучаствовать в выращивании полупроводниковых кристаллов CdZnTe (эксперимент «Вампир»), фуллерена («Фуллерен») и т.д. Биологи изучат развитие в условиях микрогравитации птичьих эмбрионов («Перепел») и листьев салата («Витацикл-Т»). А в ходе эксперимента «Капля-2» планируется испытать технологии капельного холодильника-излучателя, который будет использоваться в перспективном ядерном космическом буксире «Зевс».

Предполагаемый срок работы модуля «Наука» – 15 лет, а срок службы самой космической станции в ближайшее время должны продлить до 2028-го, а возможно и до 2030 года. Если все пойдет хорошо, то у «Науки» есть шанс полностью реализоваться – пусть и спустя много лет после появления на свет.

Мы живем в мире, где технологии стремительно сменяют друг друга, и где холодильник совершенно не ассоциируется с чем-то инновационным, а является обыденной частью нашей жизни. Именно поэтому сейчас, когда полеты в космос перестали быть сенсацией, тяжело представить, что космонавты до сих пор вынуждены обходиться без такой привычной вещи.

Только недавно Ричард Брэнсон и Джефф Безос совершили первые суборбитальные полеты в космос, вовсю собираясь развивать космический туризм на постоянной основе, а холодильник, который смог бы работать в космосе, все еще не изобретен. Конечно, времена, когда космонавты питались только едой из тюбиков, давно прошли, и сейчас их рацион состоит из консервированной и сублимированной пищи — еды, приготовленной на земле, но обезвоженной с помощью сублиматора и превращенной в порошок. Эту смесь, упакованную в вакуум, отправляют на орбиту, и космонавтам достаточно добавить к порошку воды, чтобы получить свой обед или ужин. Тем не менее, их рацион все же остается скудным, что во многом связано с отсутствием холодильника на борту. 

Сейчас на МКС находится экипаж МКС-65 — шестьдесят пятой долговременной экспедиции в составе космонавтов Роскосмоса, астронавтов NASA и JAXA. Экспедиция началась 17 апреля 2021 года и закончится лишь 17 октября 2021 года. Суммарно космонавты проведут на орбите 6 месяцев, выполняя исследования в области космической биологии и физиологии. Учитывая, что многие космонавты проводят в космосе недели и даже месяцы, выполняя работу в тяжелых условиях, возможность разнообразить их рацион выглядит не просто привлекательной, но действительно необходимой. 

Привычный нам домашний холодильник не приспособлен к работе в космосе, так как основной принцип работы «земных» холодильников основан на технологии распределения хладагента через компрессорную систему, ключевую роль в циркуляции которого играет сила тяжести. А она, как известно, в условиях невесомости отсутствует. В «земных» холодильниках жидкость преобразуется в пар, подвергаясь циклическому сжатию и расширению, а низкая температура обеспечивается за счет поглощения тепла из внутреннего пространства. Но в условиях невесомости масло ухудшает работу холодильного прибора и увеличивает его износ. Именно поэтому перед учеными стояла непростая задача по переосмыслению работы холодильника в условиях отсутствия гравитации.

Ответ на космические вызовы стремится найти исследовательская группа инженеров из университета Purdue, которая совместно с корпорацией Whirlpool и компанией Air Squared под контролем NASA работает над созданием холодильника, способного работать в условиях невесомости в космосе. Альберто Гомес, возглавляющий группу инженеров Whirlpool Corporation в рамках этого проекта, рассказал о разработке безмасляного спирального компрессора, с помощью которого была улучшена система охлаждения холодильника в космическом пространстве. Новая конструкция обеспечивает более высокую надежность прибора, так как не требует масла в компрессоре и обеспечивает длительную работу, не подвергаясь воздействию гравитации в космосе.  

Размер нового компрессора сопоставим по размерам с микроволновкой, но также может быть использован в холодильниках более крупного размера. Система данного прибора проталкивает хладагент с более высокой скоростью, что и дает возможность работать в невесомости. Хотя эта технология была изобретена для хранения еды, она также может быть использована для хранения и перевозки биологических образцов при проведении научных экспериментов. Уникальность нового компрессора состоит в том, что он может работать в любых условиях, что является немаловажным фактором для космоса.

По словам Альберто Гомеса, прототип данного холодильного прибора уже был испытан в условиях нулевой гравитации. «Во время испытаний удалось обеспечить непрерывную работу холодильных циклов, что свидетельствует о готовности модели к эксплуатации. Прототип данного холодильника также отличает более прочная конструкция и улучшенная интеграция корпуса, позволяющая выдерживать напряжение, которое возникает при запуске ракеты», — отмечает Гомес. Исправная работа всех механизмов здесь имеет решающее значение, так как у миссии NASA нет возможности каждый раз отправлять сервисную бригаду в случае какой-либо неисправности. «В случае поломки какого-либо компонента — другой начинает работать автоматически, это значительно облегчает обслуживание холодильника, позволяя космонавтам сосредоточиться на исследованиях и не тратить время на починку», — заключил Альберто Гомес.

Планируется, что после прохождения испытаний прототип космического холодильника будет отправлен на Международную космическую станцию для длительного использования в условиях невесомости, а затем станет потенциальной технологией для использования в программе освоения Луны и Марса, запланированной на период после 2030 года. 

По словам Альберто Гомеса, значимость проекта отнюдь не ограничивается перспективами улучшения условий пребывания космонавтов на орбите, ведь полученные знания дают огромный вектор развития технологиям по созданию инновационных холодильников в принципе, и их безусловно можно будет применить и при проектировании «земных» моделей.