Если представить себя космонавтом, держащего в невесомости закрытую баночку с водой, то однозначно возникнет вопрос: как вода выглядит в банке? Ответ может быть не так уж и очевиден. Либо это одиночный шарик, находящийся на дне банки, либо множество шариков, цепляющихся за ее стенки? На протяжении десятилетий никто так и не смог ответить однозначно на этот вопрос, но после последнего запуска грузового корабля Dragon, ученые все же намереваются решить эту тайну раз и навсегда.

Правильный ответ не очень понятный. Нужно решить ряд термодинамических уравнений, позволяющих теоретически сказать, какое расположение является наиболее стабильным. Но без экспериментов все равно не обойтись. Именно с этой целью на борту Dragon, состыковавшегося с МКС в среду, 20 июля, находится оборудование, позволяющее провести сам эксперимент, а также зафиксировать на фото и видео его результаты.

Возможно, кому-то это покажется несущественной проблемой, но определение поведение воды в невесомости имеет огромное значение для проектирования систем жизнеобеспечения космонавтов. В июле 2013 года, забитый фильтр скафандра стал причиной утечки около 1,5 литра воды, которая покрыла лицо и шлем итальянского астронавта Лука Пармитано в ходе выхода в открытый космос. Жидкость стала мешать видеть, слышать команды и дышать, что вынудило экипаж прервать работу и быстро вернуться на станцию.

Ученые пыталась решить вопрос о поведении воды в невесомости почти 20 лет. Их термодинамические вычисления прогнозировали, что в коротких цилиндрических емкостях, она будет придерживаться боковых стенок. В более длинных емкостях будет распределяться в обоих концах емкости, оставляя промежуток в центре.

Однако у многих такое утверждение не вызывает доверия. Скептики говорят, что конфигурация не может быть устойчивой в невесомости. Чтобы развеять сомнения, в 1997 году был проведен эксперимент с водой в космосе. Были изготовлены несколько стеклянных баночек различных размеров, которые наполовину наполнили очищенной водой и перед их герметизацией выкачали из них воздух. Эксперимент проводили на борту шаттла «Колумбия», но, к сожалению, он завершился безрезультатно. Видео, снятое с помощью 8мм VHS-камеры, оказалось некачественным, что позволило сомневающимся остаться при своем мнении.

Новая возможность появилась в 2013 году. В рамках проекта НАСА, целью которого является обсуждение интересных вопросов о космосе, планируется выполнять видеосъемку на МКС различных событий и явлений. Среди таковых и поведение воды в условиях невесомости. Ученые подготовили новую, усовершенствованную по сравнению с 1997 годом, аппаратуру для эксперимента, который хотят снять модифицированной камерой GoPro с разрешением и видео в 4К. В случае успешности опыта, теория будет доказана или опровергнута раз и навсегда.

Результаты эксперимента могут иметь полезное применение на Земле. В наши дни растет интерес к нанофлюидики, науке, которая рассказывает о поведении жидкостей в каналах, в 10000 раз тоньше, чем человеческий волос. В таких масштабах, влияние гравитации минимально, поэтому жидкости ведут себя аналогично тому, что мы видим в космосе. Эксперимент с водой на МКС может значительно расширить знания о том, как с помощью нанофлюидики эффективнее добывать нефть.

Космическая вода представляет огромный интерес для учёных. На нашей планете, вода - это главный источник жизни. Именно поэтому научное сообщество надеется найти с её помощью инопланетные цивилизации, еще глубже проникнуть в тайну сотворения вселенной.

Где найти воду в космосе?

Как оказалось, воды в космическом пространстве очень много. Ещё со школы мы знаем, про ледяные кольца Сатурна, замерзшие глыбы Нептуна и Урана. За последнее время учёные нашли воду в том или ином состоянии фактически на всех планетах солнечной системы, а так же на огромном количестве спутников, включая Луну. Но и это не всё. Астрономы умудрились найти запасы воды даже за пределами галактики и в окрестностях чёрных дыр. Получается, что вода во Вселенной присутствует буквально везде, даже в межзвёздных облаках. При этом до сих пор считается, что сразу во всех трёх агрегатных состояниях она существует только планете Земля.

Откуда появилась вода в космосе?

Естественно из космоса сделать невозможно, остаётся лишь предполагать откуда она взялась.

Самыми популярными разносчиками воды по Вселенной считаются кометы. Удивительно, но их хвост - это ничто иное, как испарение льда с её поверхности под воздействием солнечного ветра. Такие ледяные кусочки - одна из гипотез возникновения воды на Земле. Учёные так же считают, что ядра этих комет образовались в одно время с солнечной системой. Поэтому они могут быть образцами первичного вещества, из которого образовались планеты и спутники.

Существует и вулканическая гипотеза возникновения воды по всему космосу. Учёные выяснили, что на планетах-гигантах, таких как Сатурн испарения от огромного количества действующих вулканов поднимается намного выше, чем на Земле. Так высоко вода попросту замерзает и уносится в своё космическое путешествие.

Не так давно учёные с помощью инструмента Гершеля обнаружили, что ультрафиолетовое излучение от окружающих звезд может провоцировать распад молекул, таких как окись углерода и кремния, освобождая атомы кислорода. Они в свою очередь объединяются с молекулами водорода, образуя воду.

Однако, каким бы ни был источник возникновения воды как вещества в космических просторах, ясно одно: вода присутствует везде и во всём. Она объединяет всё живое и неживое не только на нашей планете, но и во всей Вселенной.

Вода в космосе

Новые наблюдения избранных областей нашей Галактики показали, что содержание воды выше, чем ожидали. Из новых измерений следует, что вода находится на третьем месте по распространённости среди всех молекул и даёт астрономам возможность исследовать содержание элементов в областях, где образуются новые планетарные системы.

С помощью Инфракрасной Космической Обсерватории (European Space Agency) испанские и итальянские астрономы впервые измерили содержание воды в холодных областях нашей Галактики. Особенно интересно то, что в этих областях образуются звёзды типа Солнца, а около некоторых из них могут образоваться планеты. Средняя температура в этих холодных областях минус 263 градуса по Цельсию (всего лишь на 10° выше абсолютного нуля). Эти области называются "спокойными" или "холодными" облаками, так как в них не образуются массивные звёзды, а значит и нет сильного внутреннего источника тепла. Таких облаков в нашей Галактике около миллиона.

Учёные также определили, сколько воды находится в газовой фазе, а сколько - в виде льда. Это важно для изучения процесса образования планетарных систем, так как пары воды и лёд есть в газовых планетах, в планетарных атмосферах и в твёрдых телах типа комет. Результаты раблты будут опубликованы в одном из ближайших выпусков журнала Astrophysical Journal Letters.

При температурах, характерных для холодных облаков, трудно обнаружить пары воды, так как они излучают слишком слабо, стобы быть обнаруженными современными телескопами. С другой стороны, вода в жидкой форме не существует в космосе из-за слишком неподходящих условий по температуре и давлению. Таким образом, до недавнего времени в холодных облаках был обнаружен только лёд. Но астрономы знают, что пары воды также должны быть в холодных облаках, даже если и в малом количестве. Чтобы оценить полное содержание воды в холодных облаках и относительное содержание по сравнению с другими молекулами, необходимы измерения паров воды.

"Можно ожидать, что в холодных областях вода должна быть в виде льда, так как водяные пары конденсируются на холодных пылинках," - объясняет итальянский астроном Andrea Moneti. В тёплых областях, наоборот, звезда нагревает окружающую среду и лёд испаряется с пылинок. Таким образом, правило такое: чем холоднее облако, тем меньше в нём паров воды."

Чтобы исследоать пары воды в холодных облаках, группа учёных применила следующую стратегию. Известно, что если свет от удалённого объекта проходит через пары воды на своём пути к Земле, то пары воды оставят свой "отпечаток" на этом свете, а именно, в спектре пришедшего излучения появятся линии или полосы поглощения. Таким образом учёные и обнаружили пары воды в холодных облаках, что дало возможность определить полное содержание воды (пары + лёд).

Оказалось, что в холодных облаках так же много воды (пары + лёд), как и в областях активного звездообразования. А самый главный результат заключается в том, что после молекулярного водорода и окиси углерода, вода - самая распространённая молекула. Например, в одном из холодных облаков с массой в тысячу масс Солнца, количество воды (пары + лёд) эквивалентно сотне масс Юпитера.

Учёные также нашли, что в холодных облаках 99 процентов воды представляет собой лёд, сконденсировавшийся на холодных пылинках, и только 1 процент - в газовой форме. Эти результаты помогут понять роль воды в образовании планет и комет.

Вода - это жизнь. Этой мысли тысячи лет, а она до сих пор не утратила своей актуальности. С наступлением космической эры, значение воды лишь возросло, так как от воды в космосе зависит буквально все, начиная от работы самой космической станции и заканчивая выработкой кислорода. Первые космические полеты не имели замкнутой системы «водоснабжения». То есть, вся вода бралась на борт изначально, еще с Земли. Сегодня на МКС частично замкнутая система регенерации воды, и в этой статье вы узнаете подробности.

Откуда берется вода на МКС

Регенерация воды - это повторное получение воды. Отсюда нужно сделать самый главный вывод, что первоначально вода на МКС доставляется с Земли. Невозможно регенерировать воду, если изначально ее не доставить с Земли. Сам процесс регенерации снижает расходы на космические полеты, и делает систему МКС менее зависимой от наземных служб.

Вода, доставляемая с Земли используется на МКС многократно. Сейчас на МКС используется несколько способов регенерации воды:

• Конденсация влаги из воздуха;
• Очистка использованной воды;
• Переработка урины и твердых отходов;

На МКС установлена специальная аппаратура, которая конденсирует влагу из воздуха. Влага в воздухе - это естественно, она есть и в космосе и на Земле. В процессе жизнедеятельности космонавты могут выделять до 2,5 литров жидкости в сутки. Кроме этого, на МКС есть специальные фильтры, для очистки использованной воды. Но учитывая то, как моются космонавты , бытовой расход воды значительно отличается от земного. Переработка урины и твердых отходов - это новая разработка, примененная на МКС лишь с 2010-ого года.

На данный момент, для функционирования МКС требуется около 9000 литров воды в год. Это общая цифра, отражающая все расходы. Вода на МКС регенерируется примерно на 93%, поэтому объемы поставок воды на МКС существенно ниже. Но не стоит забывать, что с каждым полным циклом использования воды, ее общий объем уменьшается на 7%, что делает МКС зависимой от поставок с Земли.

С 29 мая 2009-ого количество членов экипажа возросло вдвое - с 3 до 6 человек. Вместе с этим возрос и расход воды, но современные технологии позволили увеличить численность космонавтов на МКС.

Регенерация воды в космосе

Когда речь заходит про космос, важно учитывать энергозатраты, или как их называют в профессиональной сфере - массозатраты, для производства воды. Первый полноценный аппарат регенерации воды появился на станции «Мир», и за все время существования он позволил «сэкономить» 58650 кг доставляемых грузов с Земли. Вспоминая, что доставка 1 кг груза стоит около 5-6 тысяч долларов США, первая полноценная система регенерации воды позволила снизить расходы примерно на 300 млн долларов США.

Современные российские системы регенерации воды - СРВ-К2М и Электрон-ВМ позволяют обеспечить космонавтов на МКС водой на 63%. Биохимический анализ показал, что регенерированная вода не утрачивает своих исходных свойств, и полностью пригодна для питья. В настоящий момент, российские ученые работают над созданием более замкнутой системы, что позволит обеспечить космонавтов водой на 95%. Существуют перспективы развития систем очистки, которые обеспечат на 100% замкнутый цикл.

Американская система регенерации воды - ECLSS, была разработана в 2008-ом году. Она позволяет не только собрать влагу из воздуха, но и регенерировать воду из мочи и твердых отходов. Несмотря на серьезные проблемы и частые поломки на протяжении первых двух лет эксплуатации, сегодня ECLSS позволяет восстановить 100% влаги из воздуха и 85% влаги из мочи и твердых отходов. В результате, на МКС появился современный аппарат, позволяющий восстановить до 93% первоначального объема воды.

Очистка воды

Ключевым моментом в регенерации является очистка воды. В очистительные системы собирается любая вода - оставшаяся от приготовления пищи, грязная вода от мытья и даже пот космонавтов. Все эта вода собирается в специальный дистиллятор, визуально похожий на бочку. При очистке воды необходимо создать искусственную гравитацию, для этого дистиллятор вращается, при этом грязная вода прогоняется через фильтры. В результате получается чистая питьевая вода, которая по своим качествам даже превосходит питьевую воду во многих уголках Земли.

На последнем этапе в воду добавляется йод. Этот химический препарат позволяет предотвратить размножение микробов и бактерий, а также является необходимым элементом для здоровья космонавтов. Любопытный факт, что на Земле йодированная вода считается слишком дорогим удовольствием для массового применения, и вместо йода используется хлор. От использования хлора на МКС отказались по причине агрессивности данного элемента, и большей пользы от йода.

Потребление воды в космосе

Для обеспечения жизнедеятельности космонавтов требуется колоссальное количество воды. Если бы к нашим дням не наладили систему регенерации воды, то космические исследования, наверняка, застряли бы в прошлом. Учитывая расход воды в космосе используются следующие данные в расчёте на 1 человека в сутки:

• 2,2 литра - питье и приготовление пищи;
• 0,2 литра - гигиена;
• 0,3 литра - смыв туалета;

Потребление воды для питья и пищи практически соотсветвует земным нормам. Гигиена и туалет - намного меньше, хотя все это поддается переработке и повторному использованию, но это требует энергетических затрат, так что расходы были также снижены. Любопытный факт, что если на российского космонавта в день приходится 2,7 литра воды, то на американских астронавтов выделено примерно 3,6 литра. Американская миссия продолжает получать воду с Земли, впрочем как и российские космонавты. Но в отличие от российской миссии, американцы получают воду в небольших пластиковых пакетах, а наши космонавты в 22 литровых бочонках.

Использование переработанной воды

Обыватель может предположить, что космонавты на МКС пьют воду, переработанную из собственной урины и твердых отходов. На деле же это не так, для питья и приготовления пищи космонавты используют чистую родниковую воду, доставленную с Земли. Вода дополнительно проходит серебряные фильтры, и доставляется на МКС российским грузовым космическим кораблем «Прогресс».

Питьевая вода поставляется в 22 литровых бочках. Воду, полученную путем переработки урины и твёрдых отходов используют для технических нужд. Например, вода необходима для работы катализаторов и для работы системы выработки кислорода. Условно говоря, космонавты «дышат уриной», а не пьют ее.

В начале 2010-ого года в СМИ появилась информация, что из-за поломки в системе регенерации воды на МКС, у американских астронавтов заканчивается питьевая вода. Владимир Соловьев, руководитель полета российского сегмента МКС, рассказал журналистам, что экипаж МКС никогда не пил воду, получаемую путем регенерации из урины. Поэтому поломка американской системы переработки урины, которая действительно была на тот момент, не повлияла на количество питьевой воды. Примечательно, что американская система дважды выходила из строя по одной и той же причине, и лишь на второй раз удалось установить истинную причину проблемы. Оказалось, что из-за влияния космических условий, в моче астронавтов сильно повышается кальций. Фильтры для переработки урины, разработанные на Земле, не были рассчитаны на такой биохимический состав мочи, и поэтому быстро приходили в негодность.

Производство кислорода из воды

Советские, а затем и российские ученые, задают темп в вопросе производства кислорода из воды. И если в вопросе регенерации воды американские коллеги немного перегнали российских ученых, то в вопросе выработки кислорода, наши уверено держат пальму первенства. Даже сегодня, 20-30% переработанной воды из американского сектора МКС идет в российские аппараты по производству кислорода. Регенерация воды в космосе тесно связана с регенерацией кислорода.

Первые аппараты по производству кислорода из воды были установлены еще на аппаратах «Салют» и «Мир». Процесс производства максимально прост - специальные приборы конденсируют влагу из воздуха, а затем путем электролиза из этой воды производят кислород. Электролиз - пропускание тока через воду, является хорошо отработанной схемой, которая надежно обеспечивает космонавтов кислородом.

Сегодня к конденсируемой влаге добавился еще один источник воды - переработанная урина и твердые отходы, позволяющие получить техническую воду. Техническая вода из американский аппарата ECLSS поставляется в российскую систему и американскую OGS (Oxygen Generation System), где затем «перерабатывается» в кислород.

Ученые бьются над решением задачи - 100% замкнутый цикл для полного обеспечения космонавтов водой и кислородом. Одна из самых перспективных разработок - получение воды из углекислого газа. Этот газ является продуктом дыхания человека, и в настоящее время этот «продукт» жизнедеятельности космонавтов практически не используется.

Французский химик - Поль Саботье, открыл удивительный эффект, благодаря которому из реакции водорода и диоксида углерода можно получить воду и метан. Нынешний процесс производства кислорода на МКС связан с выделением водорода, но его просто выбрасывают в открытый космос, так как не находят ему применения. Если ученым удастся наладить эффективную систему по переработке углекислого газа, то удастся достичь практически 100% замкнутости системы, и найти эффективное применение водороду.

Реакция Боша, является не менее перспективной в вопросах получения воды и кислорода, но эта реакция требует крайне высоких температур, поэтому за процессом Саботье многие эксперты видят больше перспектив.

С давних времен человечество интересовал вопрос о существовании других цивилизаций в космосе. Постепенно база знаний пополнялась новыми открытиями, ученые различных стран открывали и открывают новые космические объекты, где, по их мнению, могла бы быть жизнь. Есть даже формула, позволяющая подсчитать количество высокоразвитых цивилизаций. Ее разработал астроном Ф. Дрейк. По его мнению, существует более десяти тысяч развитых цивилизаций.

По мнению другого астронома, Карла Сагана, в галактике насчитывается более миллиона цивилизаций. И во всех этих мирах есть вода. В космосе ее много, она «путешествует» между мирами, переносясь астероидами и другими космическими телами. Но даже такие «плавающие» по космическому пространству и переносчики «жизни» не могут сравниться с нашей Землей. Именно наша планета, по мнению скептиков, является уникальной и не имеет аналогов во всей Вселенной.

Путешествие воды

Астрономы доказали, что вода в космосе разносится кометами. Есть даже мнения, утверждающие, что вода на Земле зародилась именно благодаря кометам. Учеными неоднократно был проведен анализ звездной системы Гидры, расположенной на расстоянии 176 световых лет. Вокруг звезды располагается протопланетный диск радиусом около 200 астрономических единиц (1 единица равна расстоянию от Солнца до Земли). Возраст этого объекта составляет около 10 млн лет. При анализе диска специалисты обнаружили в нем следы воды в том месте, где образуются кометы. По их мнению, жидкость находится в состоянии льда, который покрывает космическую пыль.

Вода у черной дыры

На расстоянии 12 млрд световых лет от нас располагается Квазар. Это уникальный мощный источник энергии во Вселенной: он излучает в 65 тыс. раз больше энергии, чем весь Млечный Путь. Светимость возникает из-за поглощения черной дырой различных объектов. Масса этой дыры в 20 млрд раз больше, чем масса Солнца.

Расстояние до Квазара очень велико, из-за чего астрономы могут наблюдать объект таким, каким он был на ранних стадиях эволюции, когда возраст Вселенной составлял около 2 миллиардов лет. По мнению ученых, вода в космосе могла существовать даже в то время, хотя обнаружить ее пока не удавалось. И только двум независимым группам ученых удалось установить, что вокруг Квазара располагается огромная водная оболочка в виде пара. Это открытие доказывает, что даже в такие давние времена вода уже была в космосе и что она распространена повсюду.

Солнечная система и вода

Считается, что вода в космосе - это основа жизни. Было время, когда ученые предполагали, что эта живительная влага содержится только на Земле, а на других планетах Солнечной системы ее нет. Однако исследования показали, что вода есть и на других планетах. Не так давно космическим зондом была обнаружена С этой планетой связано существование жизни, также Марс является вероятным объектом, куда предстоит первое пилотирование при полете на другую планету.

После многочисленных анализов удалось выяснить, что вода в космосе встречается и на других планетах. Ее много на Уране, Нептуне, хоть и в виде льда. Помимо планет Солнечной системы, воду нашли на их спутниках. На многочисленных спутниках Сатурна и Юпитера на Луне находится вода. Несмотря на большие космические запасы влаги, ученые все еще не могут понять, куда подевалась вода с Венеры, хотя есть мнение, что ее просто еще не нашли.

«Жидкая» Вселенная

Оказывается, космос - под водой, так как в нем находится это вещество в самых разных состояниях - где-то в виде жидкости, льда, а где-то в виде пара. Через телескопы ученым удается оценить самые разные планеты и их составляющие. Так, среди горячих юпитеров была обнаружена планета, на которой находятся огромные запасы воды в газообразном состоянии.

Это открытие доказывает, что воды во Вселенной больше, чем считалось. Она присутствует везде, в том числе и в межзвездных облаках. Предполагают, что даже возле нашего Солнца есть планеты земного типа со скалистой поверхностью, на которой плещутся океаны.

Случайное открытие

Совсем неожиданно ученые сделали открытие, найдя воду на расстоянии 64 световых лет от нас. Вода на ней располагается в газообразном состоянии. Проходя по орбите, планета была подсвечена своим светилом так, что жидкость дала о себе знать. На снимках она выглядит как черная вода. Космос содержит немало таких объектов. Все они изучаются учеными.

Что пьют космонавты

В космосе вода необходима так же, как на Земле. Это важнейший источник жизни для астронавта. Ее частично доставляют на орбиту грузовыми кораблями, а частично космонавты используют переработанную, очищенную воду.

Источниками воспроизводства воды являются конденсаты, отходы топливных элементов, моча астронавтов. После очистки, проводимой в космосе, в воде для космонавтов не остается вредных веществ и различных примесей. В результате очистки жидкость становится такой же, как бутилированная на Земле.

Сколько нужно воды человеку в космосе? Для каждого космонавта рассчитано определенное ее количество для питья в течение суток. С учетом чего жидкость поставляется на борт станции. Так, в день на одного астронавта приходится 2,2 литра воды. У американцев этот показатель выше - 3,6 л.

Добывать такие объемы из космоса человечество пока еще не умеет, но может перерабатывать «грязную» воду специальными устройствами. Получаемая вода используется не только для питья, но и для гигиены, нормального функционирования различных систем на станции и не только. Чтобы воды хватало, разработаны методики ее экономии, рационального использования. К примеру, космонавты не стирают, не принимают привычный на Земле душ. В космосе эти процедуры выполняются иначе.