Не просто космос: в РФ создают «упаковку» для организмов и открывают «мюонную загадку»

Российские ученые придумали, как «упаковывать» живые организмы в полимеры для космических экспедиций, отечественные спутники будут составлять карты ледяного покрова в Арктике и Антарктике для наблюдения за климатом Земли и для нужд Северного морского пути, а новые защитные экраны позволят уберечь космические аппараты от повреждений при столкновениях с мусором гораздо эффективнее, чем монолитные пластины. «Известия» совместно с Российским научным фондом собрали к Дню космонавтики самые интересные научные работы.

«Упаковка» организмов в космосе

Ученые нашли способ увеличить размеры небольших морских животных трихоплаксов, состоящих всего из пары десятков клеток. До этого они были слишком малы, чтобы изучать особенности их строения под микроскопом. Химики создали сложное органическое вещество — полимер, в котором клетки организма расширяются, наполнившись водой. Этот метод может применяться в космических исследованиях при транспортировке клеток живых организмов на Землю для их последующего изучения в лабораториях, например после экспериментов с невесомостью или космической радиацией.

— Представьте, вы ставите эксперименты на МКС и нужно отправить образцы на Землю для дальнейших исследований: если вы будете посылать живых животных, они испытают перегрузки при приземлении, поэтому эксперимент вряд ли можно будет назвать корректным. Полимеризация по примененному нами методу сохранит биологические образцы для дальнейших исследований, — рассказала руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, кандидат биологических наук, научный сотрудник лаборатории клеточной нейробиологии обучения Института высшей нервной деятельности и нейрофизиологии Дарья Романова.

Метод особенно пригодится для исследований на орбите, потому что позволит транспортировать биоматериал на Землю в лаборатории после экспериментов, проводимых в невесомости.

Спутники для слежения за льдами

Ученые из Института прикладной физики имени А.В. Гапонова-Грехова (Нижний Новгород) и Всероссийского научно-исследовательского института физико-технических и радиотехнических измерений (Солнечногорск) предложили использовать сигналы глобальных навигационных спутниковых систем (например, GPS и ГЛОНАСС) для картирования ледяного покрова Арктики и Антарктики. Традиционно для мониторинга используют радиометры, а также инфракрасные и оптические сенсоры. Однако эти методы зависят от погоды: облака и туман могут полностью блокировать оптические измерения и исказить температурные показатели. Поэтому разработка новых доступных и точных методов дистанционного зондирования остается актуальной.

— Предложенный способ может использоваться для картографирования ледяного покрова в Арктике и Антарктике, в том числе для наблюдения за климатом Земли и для нужд Северного морского пути. При этом метод можно реализовать с помощью существующих спутниковых систем и перспективных российских разработок, благодаря чему его внедрение можно считать экономически выгодным, — рассказал соисполнитель проекта, поддержанного грантом РНФ, заместитель заведующего отделом по научной работе отдела радиофизических методов в гидрофизике ИПФ РАН Юрий Титченко.

Площадь ледяного покрова играет важную роль в регулировании климата Земли, поскольку она влияет на температуру воздуха, а также на перемещение океанических и воздушных масс, то есть на течение и ветер.

Практические испытания в Охотском море показали высокую эффективность метода, демонстрируя надежную работу даже в сложных метеоусловиях.

Многослойные барьеры эффективнее от космического мусора

С каждым годом на орбите Земли становится всё больше космического мусора: в настоящее время там находится более 30 тыс. отслеживаемых объектов, в числе которых обломки старых спутников и фрагменты ракет. Они представляют угрозу для действующих аппаратов, поскольку за секунду преодолевают расстояния до 15 км. На такой скорости даже небольшая частица способна пробить корпус спутника и повредить оборудование, тем самым приведя к его сбою или полному выходу из строя.

Поэтому для защиты спутников используют специальные барьеры, которые могут быть либо монолитными — в виде единого листа металла, либо разнесенными, то есть многослойными с промежутками между слоями. Однако до сих пор оставался открытым вопрос, какие из них наиболее эффективны.

Ученые из Института физики прочности и материаловедения СО РАН (Томск) с помощью моделирования определили, какие защитные конструкции лучше справляются с угрозой повреждения космических аппаратов. С помощью собственного программного обеспечения ученые спроектировали столкновение частиц алюминия размером от 3,2 до 5 мм, движущихся со скоростями от 3 до 15 км/с, с монолитными и разнесенными экранами из алюминия. Этот металл авторы выбрали потому, что он широко применяется в конструкциях космических аппаратов.

Моделирование позволило воспроизвести условия гиперскоростного столкновения и оценить, как экраны ведут себя при ударе. Результаты показали: разнесенные, то есть многослойные, барьеры защищают лучше.

— Такие барьеры могут быть особенно полезны для низкоорбитальных спутников, которые чаще сталкиваются с космическим мусором. Например, спутники связи, использующиеся для интернет-покрытия, работают именно на таких орбитах и требуют особой защиты. Кроме того, предложенный подход к моделированию столкновений с использованием метода конечных элементов позволяет исследовать и другие материалы, открывая путь к созданию легких и прочных защитных конструкций для авиакосмического применения, — рассказал руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, профессор отдела аспирантуры Института физики прочности и материаловедения СО РАН Павел Радченко.

Решение «мюонной загадки»

На Землю из космоса постоянно прилетают элементарные частицы с огромной энергией, называемые космическими лучами. Попадая в атмосферу, они сталкиваются с молекулами воздуха, порождая большое количество вторичных частиц (протонов, нейтронов, пионов и других). Те, в свою очередь, продолжают взаимодействовать или распадаться, давая начало новым поколениям частиц. В результате развивается так называемый широкий атмосферный ливень — лавина частиц, которые можно зарегистрировать на поверхности Земли с помощью детекторов.

При этом продукты широкого атмосферного ливня — частицы, достигшие поверхности Земли, — несут информацию обо всех реакциях, которые происходили до момента их образования в верхних слоях атмосферы. Поэтому с их помощью можно изучать свойства и особенности распространения космических лучей, а также законы физики элементарных частиц при высоких энергиях. Однако исследователи столкнулись с так называемой мюонной загадкой — ситуацией, когда земные детекторы фиксируют в атмосфере намного больше одних из продуктов широких атмосферных ливней — мюонов, чем предсказывают компьютерные симуляции.

Ученые из Института ядерных исследований РАН и МГУ имени М.В. Ломоносова заметили, что энергию первичных частиц в составе космических лучей экспериментаторы рассчитывают по числу электронов на Земле. Авторы предположили, что такой подход может привести к неправильным оценкам.

— Энергия первичной частицы может оказаться недооцененной, потому что физика на масштабах самых высокоэнергетичных космических лучей отклоняется от предсказаний Специальной теории относительности. То есть стандартные методы расчетов с общепринятыми соотношениями между энергией и импульсом частиц восстанавливают энергию неправильно, — рассказал участник проекта, поддержанного грантом РНФ, аспирант МГУ, стажер-исследователь ИЯИ РАН Андрей Шарофеев.

Поэтому ученые предположили, что нужно скорректировать это соотношение в случае высокоэнергетических потоков частиц, добавил он.