Для человека на Земле стирка одежды — обычная бытовая процедура, не требующая особых размышлений. В космосе всё иначе. На орбитальной станции каждый килограмм груза имеет значение, вода является ценным ресурсом, а длительные экспедиции к Луне и Марсу потребуют особенно бережного отношения к запасам. Поэтому исследователи ищут способы поддерживать чистоту одежды, постельных принадлежностей и других тканевых поверхностей без обычной стирки.
Один из таких вариантов разрабатывают специалисты Университета Алабамы в Хантсвилле совместно с NASA. Они создают компактное устройство, условно называемое «плазменной пушкой», которое направляет холодную плазму на ткань. Его задача заключается не в удалении пятен, а в уничтожении бактерий и снижении микробной нагрузки.
Технология пока находится на стадии лабораторных исследований и требует серьёзной инженерной доработки перед возможным использованием в космосе. Однако сама идея интересна тем, что один и тот же плазменный подход потенциально может найти применение сразу в нескольких системах будущих космических поселений.
Почему стирка становится проблемой в космосе
На Международной космической станции нет обычной стиральной машины. Это связано прежде всего с ограничениями по массе, объёму и расходу воды.
Для длительной миссии экипажу требуется одежда, но постоянно доставлять новые комплекты с Земли невозможно. Поэтому космонавты используют одежду значительно дольше, чем в обычной жизни.
После того как использованные вещи уже нельзя эффективно использовать, их не обязательно возвращают на Землю. Ненужные материалы могут отправляться в грузовых аппаратах, которые после завершения миссии входят в атмосферу и сгорают.
Такой подход позволяет не создавать отдельную систему стирки, но он имеет очевидное ограничение: он не решает проблему необходимости постоянно иметь чистую одежду на борту.
Для будущих экспедиций ситуация станет ещё сложнее. Полёт человека к Марсу и пребывание на поверхности планеты будут значительно дольше, чем типичная экспедиция на низкой околоземной орбите. Возможности пополнить запасы в пути будут крайне ограничены.
Именно поэтому технологии, позволяющие уменьшить расход воды и количество доставляемых с Земли материалов, рассматриваются как важная часть подготовки дальних пилотируемых миссий.
Что такое плазма
Плазма — одно из основных состояний вещества, наряду с твёрдым, жидким и газообразным.
Она образуется, когда газ получает достаточно энергии для того, чтобы часть его атомов или молекул потеряла электроны. В результате возникает смесь положительно заряженных ионов и свободных электронов.
Плазма широко распространена во Вселенной. Именно в таком состоянии находится вещество звёзд, а плазменные процессы играют важную роль в солнечном ветре и космической физике.
Но плазму можно получать и в лабораторных условиях.
В рассматриваемой технологии исследователи используют плазму не для нагрева ткани, а для создания химически активных частиц, способных уничтожать микроорганизмы.
Как плазма уничтожает бактерии
Лабораторная установка создаёт холодную плазму с использованием гелия, воздуха и водяного пара.
При воздействии энергетических электронов на молекулы содержащихся в газовой смеси веществ образуются химически активные соединения, в том числе активные формы кислорода.
Среди них могут образовываться озон и гидроксильные радикалы.
Эти вещества способны вступать в химические реакции с компонентами бактериальных клеток.
Одна из основных целей воздействия — клеточная мембрана бактерии. Она содержит липиды, которые могут подвергаться окислению. Повреждение мембраны нарушает нормальное функционирование клетки и в конечном итоге может привести к её гибели.
Таким образом, плазменная обработка действует не как обычная механическая стирка, а как способ обеззараживания поверхности.
Это принципиальная разница.
Плазменная «стирка» не удаляет грязь
Несмотря на необычное название, разработанное устройство нельзя считать стиральной машиной в привычном смысле.
Плазма не предназначена для удаления загрязнений с ткани.
Если на одежде осталось пятно от кофе, пыли или другого вещества, обработка плазмой не превращает вещь в визуально чистую.
Основная задача технологии — уменьшить количество бактерий.
Поэтому правильнее говорить не о стирке, а о санитарной обработке или обеззараживании одежды и других мягких материалов.
Это особенно важно в замкнутой среде космического аппарата или будущего марсианского жилого модуля.
Почему бактерии особенно важны для космических экипажей
На космическом корабле люди находятся в ограниченном объёме воздуха и помещений. В отличие от обычного земного дома, экипаж не может просто открыть окно и заменить воздух окружающей атмосферой.
Микроорганизмы постоянно попадают на кожу, одежду и различные поверхности.
В нормальных земных условиях это часть обычной микробной среды человека. Однако в замкнутом космическом пространстве контроль микробной нагрузки приобретает дополнительное значение.
Чистота тканей важна не только из соображений комфорта. Одежда, постельные принадлежности и другие мягкие поверхности могут контактировать с кожей человека и служить местом накопления микроорганизмов.
Поэтому технология, способная уменьшать количество бактерий без значительного расхода воды, потенциально может оказаться полезной для длительных экспедиций.
Почему вода особенно ценна на пути к Марсу
Вода является одним из наиболее важных ресурсов для пилотируемых космических миссий.
Она необходима непосредственно человеку, но этим её значение не ограничивается. Вода участвует в работе систем жизнеобеспечения и может перерабатываться для получения других ресурсов.
На Земле стирка обычно требует значительного количества воды. Для космического корабля такой расход становится проблемой.
Часть воды на орбитальных станциях можно очищать и использовать повторно, однако полностью замкнутая система требует сложного оборудования и всё равно должна учитывать потери.
Чем меньше дополнительной воды требуется для бытовых процедур, тем меньше ресурсов необходимо доставлять на борт.
Для полёта к Марсу это особенно существенно.
Долгий полёт меняет требования к бытовым системам
Пилотируемая миссия к Марсу будет принципиально отличаться от большинства современных космических полётов.
Даже при использовании современных технологий экипажу придётся длительное время находиться далеко от Земли.
Невозможно рассчитывать на регулярную доставку запасных комплектов одежды, бытовой химии и других расходных материалов.
Поэтому инженерам приходится рассматривать практически каждую систему с точки зрения возможности уменьшить массу груза.
Это касается не только двигателей и оборудования научных исследований, но и самых обычных бытовых процессов.
Одежда, вода, санитария и обработка отходов на первый взгляд не имеют отношения к космической технике высокого уровня. Однако именно такие процессы становятся важными при переходе от коротких экспедиций к длительному пребыванию людей за пределами Земли.
Откуда появилась идея плазменной обработки
Исследования плазменной технологии первоначально были связаны не только с гигиеной внутри космического корабля.
Одним из направлений работы была планетарная защита.
Перед использованием оборудования на другой планете необходимо учитывать риск переноса земных микроорганизмов.
Если космический аппарат или экипаж доставляет земные бактерии на другую планету, это может осложнить научные исследования, особенно если речь идёт о поиске признаков возможной внеземной жизни.
Поэтому поверхности космических аппаратов, инструменты и скафандры могут требовать специальной обработки.
Исследователи изучали возможность использования плазмы для уничтожения микроорганизмов на таких объектах.
Затем стало очевидно, что аналогичный принцип может быть применён внутри космических жилых помещений.
Скафандры — ещё одна потенциальная область применения
Скафандр представляет собой особенно сложный объект для санитарной обработки.
Он должен сохранять герметичность, обеспечивать человеку подходящие условия для дыхания и поддерживать необходимый температурный режим.
При этом после выхода на поверхность другого небесного тела скафандр контактирует с местной пылью и грунтом.
Для лунных и марсианских экспедиций это становится отдельной проблемой.
Плазменная обработка потенциально может использоваться для обеззараживания мягких элементов скафандров и другого оборудования.
Кроме того, обработка может быть связана с требованиями планетарной защиты перед выходом оборудования из жилой зоны.
Пока речь идёт именно о потенциальном применении. Лабораторная технология ещё не является готовой системой для эксплуатации на Луне или Марсе.
Лунная база создаёт собственные санитарные проблемы
Луна находится значительно ближе к Земле, чем Марс, но это не делает проблему гигиены несущественной.
Лунная поверхность покрыта реголитом — мелкодисперсным материалом, образовавшимся в результате миллиардов лет ударов метеороидов и других процессов.
Лунная пыль отличается от обычной земной пыли и может представлять проблему для оборудования и человека.
Она способна попадать на поверхности скафандров и переноситься в жилой модуль.
Поэтому будущая лунная база должна будет иметь эффективные способы очистки и санитарной обработки оборудования.
Плазменные технологии могут рассматриваться как один из элементов такой системы.
Марсианская пыль ещё сложнее
На Марсе ситуация также непростая.
Марсианский реголит представляет собой смесь минералов и мелких частиц, которые могут переноситься атмосферой и попадать на оборудование.
Пыль является одной из постоянных проблем для марсоходов и посадочных аппаратов.
Для человека она будет представлять ещё более сложную задачу, поскольку пыль может попадать на скафандр и внутрь жилого пространства.
Поэтому системы очистки и обеззараживания будут необходимы не только для одежды.
Потенциально их можно будет использовать для различных поверхностей, которые регулярно контактируют с человеком.
Что именно происходит внутри «плазменной пушки»
Устройство создаёт поток холодной плазмы, направленный на обрабатываемый материал.
Важное слово здесь — «холодная».
Это не означает, что плазма вообще не содержит энергии. Речь идёт о режиме, при котором обрабатываемая поверхность не должна нагреваться до высоких температур, характерных для многих обычных плазменных процессов.
Именно это позволяет рассматривать технологию для работы с тканями.
Высокоэнергетическая плазма, способная сильно нагревать поверхность, была бы очевидно непрактична для обработки одежды.
Вместо термического воздействия исследователи используют химическую активность создаваемых плазмой частиц.
Почему для технологии нужны воздух и водяной пар
Одной из особенностей разработки является возможность получать активные химические соединения непосредственно из компонентов газовой среды.
Энергетические электроны плазмы взаимодействуют с молекулами кислорода и воды.
В результате возникают химически активные формы кислорода.
Это важно с точки зрения будущего космического применения.
Если для обработки необходимо использовать только небольшое количество дополнительных веществ, система потенциально может быть интегрирована в существующую инфраструктуру космического корабля.
Однако это ещё не означает, что будущему экипажу будет достаточно просто подключить устройство к розетке.
Перед практическим применением необходимо решить целый комплекс инженерных задач.
Озон становится отдельной проблемой
При плазменной обработке может образовываться озон.
В небольших контролируемых количествах он является одним из активных соединений, участвующих в уничтожении микроорганизмов.
Но озон нельзя просто выпускать в жилое помещение.
Для человека его повышенная концентрация нежелательна.
Поэтому разработчикам необходимо обеспечить безопасное удаление озона после обработки.
Это одна из причин, по которой лабораторный прототип ещё нельзя непосредственно считать готовым бытовым устройством для космического корабля.
Исследователи работают над системой, которая должна одновременно обеспечивать обработку ткани и безопасно удалять образующийся озон.
Следующий этап — более крупное ручное устройство
Сейчас разработчики работают над увеличением практической пригодности технологии.
Одна из задач заключается в создании более крупного ручного устройства, способного обрабатывать значительную площадь ткани.
Лабораторный эксперимент может проводиться на небольших образцах.
Но реальная одежда, постельное бельё или поверхность мягкой мебели намного больше.
Поэтому будущему устройству потребуется обеспечить равномерную обработку всей поверхности.
Это технически важная задача, поскольку эффективность обеззараживания должна быть достаточно высокой на всём обрабатываемом участке.
Технология может оказаться полезной не только для одежды
Плазма интересна исследователям не только как средство санитарной обработки.
В рамках этой же научной работы рассматриваются другие возможные применения плазменных технологий в системах будущих пилотируемых миссий.
Среди них — космическое сельское хозяйство, переработка отходов, очистка воды, обновление воздуха и обработка реголита.
Пока эти направления находятся на ранних стадиях.
Важно не смешивать лабораторные исследования с готовыми космическими технологиями. Возможность использовать определённый физический процесс в принципе ещё не означает, что соответствующая система уже создана и проверена в космосе.
Плазма и космическое сельское хозяйство
Одна из потенциальных областей применения связана с выращиванием растений.
Для длительного пребывания людей на Луне или Марсе потребуется развивать системы производства пищи на месте.
Растения также могут быть частью систем жизнеобеспечения, поскольку участвуют в обмене газами и переработке некоторых отходов.
Исследователи изучают возможность использования плазмы в сельскохозяйственных процессах.
Однако это отдельное направление исследований, и оно пока не означает, что плазменные устройства уже способны обеспечить выращивание растений в космической теплице.
Возможная роль в переработке отходов
Отходы — ещё одна неизбежная часть длительной пилотируемой миссии.
На Земле многие отходы можно вывозить или перерабатывать с использованием развитой инфраструктуры.
В космосе такой возможности нет.
Чем дальше от Земли находится экипаж, тем важнее становится повторное использование материалов и уменьшение количества отходов.
Плазменные процессы потенциально способны участвовать в химическом преобразовании некоторых веществ.
Именно поэтому исследователи рассматривают их как возможный элемент будущих систем переработки отходов.
Но и здесь технология требует отдельной проверки.
Возможность очистки воды
Вода в замкнутом космическом комплексе должна использоваться максимально эффективно.
Системы жизнеобеспечения уже предусматривают очистку и повторное использование воды.
Однако дополнительные методы обработки могут оказаться полезными для будущих более сложных автономных комплексов.
Плазменные технологии изучаются в различных областях очистки и обеззараживания.
В перспективе это может позволить использовать один физический принцип для нескольких задач, связанных с поддержанием санитарного состояния среды.
Обработка воздуха
Атмосфера внутри космического жилого модуля должна постоянно контролироваться.
Люди выделяют углекислый газ, испаряют воду, выделяют различные летучие соединения, а поверхности и оборудование взаимодействуют с микробной средой.
Поэтому системы очистки воздуха являются важной частью любого пилотируемого космического аппарата.
Плазма потенциально может участвовать в химическом преобразовании некоторых загрязняющих веществ.
Но для практического применения необходимо тщательно контролировать побочные продукты реакций и безопасность экипажа.
Почему универсальное устройство особенно интересно для дальних полётов
Главное преимущество плазменного подхода может заключаться не в том, что он решает одну конкретную проблему.
Если одна технология способна выполнять несколько различных функций, это потенциально позволяет сократить количество оборудования, расходных материалов и запасных частей.
Для космического корабля это важно.
На Земле можно позволить себе иметь отдельные устройства для стирки, очистки воздуха, обработки инструментов и переработки отходов.
На космическом корабле каждый дополнительный аппарат увеличивает массу, занимает место и требует энергии.
Поэтому многофункциональные системы представляют особый интерес для будущих автономных экспедиций.
Но до космоса технологии ещё далеко
Несмотря на перспективность идеи, разработчики подчёркивают наличие серьёзных инженерных задач.
Лабораторный прототип уже продемонстрировал возможность обработки материалов и снижения количества бактерий.
Однако космическое устройство должно работать в условиях ограниченной мощности, ограниченного объёма и строгих требований безопасности.
Кроме того, оно должно быть надёжным и ремонтопригодным.
Для пилотируемой миссии недостаточно показать эффект в лаборатории один раз. Оборудование должно выдерживать многочисленные циклы работы и обеспечивать предсказуемый результат.
Плазма не заменит обычную стирку на Земле
Разработка прежде всего ориентирована на условия, где традиционные методы санитарной обработки неудобны из-за ограниченных ресурсов.
На Земле использование воды, моющих средств и стиральных машин значительно проще.
Поэтому основная ценность технологии проявляется именно в замкнутых средах, где вода и пространство ограничены.
Космический корабль, орбитальная станция или будущая лунная и марсианская база — гораздо более подходящие области для подобной системы.
Почему это важно именно сейчас
Современная космонавтика постепенно переходит от кратковременных экспедиций к планам длительного присутствия человека за пределами низкой околоземной орбиты.
Луна рассматривается как ближайший этап расширения человеческой деятельности в космосе, а Марс — как более отдалённая цель пилотируемых исследований.
При таком сценарии становится недостаточно просто доставить людей к месту назначения.
Необходимо создать условия, в которых экипаж сможет долго жить, работать и поддерживать оборудование без постоянной помощи с Земли.
В этом контексте даже такая привычная вещь, как чистая одежда, превращается в инженерную задачу.
От бытовой проблемы к системе жизнеобеспечения
Плазменная «пушка» интересна именно тем, что первоначальная задача — обеззараживание одежды — связана с гораздо более широкой проблемой.
Будущая космическая база должна поддерживать санитарное состояние помещений, контролировать микроорганизмы, перерабатывать воду и отходы, обеспечивать растения необходимыми условиями и очищать воздух.
Если плазменные технологии смогут выполнять часть этих функций, они потенциально станут одним из элементов замкнутой инфраструктуры.
Пока делать вывод о таком будущем рано.
Исследования находятся на лабораторной стадии, а специалисты только разрабатывают более крупное устройство и способы безопасного удаления озона.
Планетарная защита остаётся важной задачей
Особое значение технология имеет для планетарной защиты.
При исследовании Марса учёные стремятся не допустить ненамеренного переноса земных микроорганизмов в исследуемую среду.
Это важно по двум причинам.
Во-первых, земные организмы могут загрязнить потенциально интересные участки поверхности.
Во-вторых, такое загрязнение способно затруднить интерпретацию будущих экспериментов по поиску возможных следов марсианской жизни.
Поэтому санитарная обработка скафандров и инструментов — не просто вопрос бытового комфорта.
Она связана непосредственно с научной достоверностью исследований другой планеты.
Будущее космической гигиены может оказаться безводным
Обычная стирка предполагает использование воды, моющего средства и последующую сушку.
В космосе каждый из этих этапов создаёт дополнительные требования к инфраструктуре.
Плазменная обработка предлагает принципиально другой подход: не удалять загрязнение традиционным способом, а уничтожать значительную часть микроорганизмов непосредственно на поверхности.
Это не полноценная замена стирке и не способ сделать грязную одежду визуально чистой.
Но для длительной миссии снижение микробной нагрузки может быть отдельной и очень полезной задачей.
Что предстоит проверить
Перед возможным использованием технологии в космосе необходимо установить, насколько эффективно она уничтожает различные виды микроорганизмов на разных тканях и материалах.
Нужно определить оптимальные режимы обработки, продолжительность воздействия и требования к энергии.
Не менее важно проверить, как плазма влияет на сами материалы.
Одежда должна оставаться пригодной для дальнейшего использования, а обработка не должна ухудшать её механические свойства или другие важные характеристики.
Кроме того, необходимо обеспечить безопасное удаление озона и других побочных продуктов.
И только после решения этих вопросов можно будет оценивать пригодность устройства для реального космического применения.
Марс потребует особенно автономных решений
Для экспедиции к Марсу вопрос массы будет иметь особенно большое значение.
Полёт туда и обратно займёт значительно больше времени, чем большинство современных пилотируемых миссий.
Пополнение запасов будет затруднено расстоянием и длительностью транспортного цикла.
Поэтому концепция использования местных ресурсов и многофункционального оборудования становится особенно важной.
Если технология позволяет обходиться без больших запасов воды или химических средств для отдельных санитарных операций, это потенциально уменьшает массу необходимых грузов.
Именно такой эффект исследователи считают одним из возможных преимуществ плазменной обработки.
Не «плазменная стиральная машина», а новый способ обеззараживания
Название «плазменная пушка» звучит необычно, но за ним стоит вполне конкретная физическая технология.
Устройство не стреляет плазменными снарядами и не предназначено для удаления грязи.
Оно создаёт направленный поток холодной плазмы, химически воздействующий на микроорганизмы на поверхности материала.
Такой подход позволяет использовать свойства плазмы для санитарной обработки там, где традиционная стирка требует слишком много воды или инфраструктуры.
Именно поэтому разработка представляет интерес для космических миссий.
От одежды до будущей космической инфраструктуры
Исследования плазменной «пушки» показывают характерную особенность современной космической инженерии: решения для будущих экспедиций часто начинаются с очень земных проблем.
Человеку на Марсе по-прежнему понадобится чистая одежда. Жилому модулю потребуется чистый воздух. Вода должна будет проходить очистку и повторно использоваться. Отходы придётся перерабатывать, а оборудование и скафандры — обеззараживать.
В условиях Земли для этих задач существуют отдельные системы и развитая инфраструктура.
В дальнем космосе такой инфраструктуры не будет.
Поэтому технологии, способные работать с минимальным количеством расходных материалов и выполнять несколько функций, могут оказаться особенно востребованными.
Разработанная в Университете Алабамы в Хантсвилле плазменная система пока остаётся экспериментальной технологией. Исследователи только переходят к созданию более крупного ручного устройства и решению вопросов, связанных с безопасным удалением озона. Но уже сейчас эксперименты показывают конкретное направление: холодную плазму можно использовать для снижения количества бактерий на тканях без традиционной стирки.
В дальнейшем тот же подход исследователи планируют изучать применительно к другим задачам космической инфраструктуры — от планетарной защиты и санитарной обработки до сельского хозяйства, переработки отходов, очистки воды и обработки реголита. Для дальних пилотируемых миссий особенно важна возможность получать необходимые эффекты из доступных ресурсов — электричества, воздуха, воды и других газов — вместо постоянного расходования привезённых с Земли материалов.
До практической эксплуатации такой системы в космосе ещё предстоит пройти несколько этапов испытаний. Однако сама задача уже отражает важное изменение в космонавтике: подготовка к длительной жизни на Луне и Марсе требует решать не только вопросы полёта и посадки, но и множество повседневных задач, от которых напрямую зависит здоровье и автономность экипажа.
Источники:
Статья создана по материалам Phys.Org
