За пределами земной атмосферы многие привычные технологии перестают работать. Невесомость, радиация, вакуум, экстремальные температуры приводят к тому, что даже простейшие техпроцессы приходится переизобретать — освоение человеком космоса без этого попросту невозможно. Над тем, как справиться с подобными вызовами, ломали головы инженеры в советских КБ и НИИ еще в прошлом веке. Теперь их идеи достают из пыльных архивных папок и соотносят с цифровыми решениями, стартап-культурой и венчурными инвестициями.
Вместе с основателем научно-технологической гильдии «Рубежи науки», инженером и предпринимателем Ильей Чехом разбираем пять советских концептов — от гравитационных центрифуг до замкнутых экосистем, — которые сейчас обретают новые перспективы в космонавтике.
- как создать на орбите искусственную гравитацию;
- зачем печатать в космосе белковые структуры;
- что общего у инженерии протезов и космических проектов;
- какие водоросли подходят для фотобиореактора.
Как я стал работать с проектами для дальнего космоса и при чем тут протезы
Сегодня я мало связан с прикладной инженерией. Моя основная деятельность — поддержка наукоемких стартапов и разработок, в том числе направленных на покорение других планет. Для этого в 2023 году я основал научно-техническую гильдию «Рубежи науки». Но возможность инвестировать в такие проекты у меня появилась именно благодаря прикладной инженерии — идеи сделать протезирование проще, а сам протез не только медицинским изделием, но и удобным гаджетом.
Замысел со временем вырос в коммерческий проект, а затем в серийное производство протезов.
«Рубежи науки» — проект совсем иного рода. Это организация некоммерческая и с особой миссией: платформа, привлекающая деньги инвесторов и меценатов на три ключевых направления.
Первое — поддержка фундаментальных исследований
Гильдия выдает гранты и стипендии, оплачивает участие в научных конференциях и сейчас поддерживает около 25 студентов физфака МГУ — от первокурсников до аспирантов. Все они занимаются теоретической, а не наблюдательной астрофизикой: изучают гравитационные волны, формирование галактик, поведение черных дыр и так далее.
Стипендии финансируют меценаты, которым интересно вкладываться в развитие самой науки, а не в конкретный стартап. И это очень важно: без фундаментальной базы через 10−15 лет инженерам попросту будет нечего проектировать.
Второе направление — технологии для дальнего космоса
Это инвестиции в команды, которые занимаются наукоемкими прикладными разработками. Финансирование обеспечивают инвестиционные фонды и бизнес-ангелы, которых мы подключаем к проектам. А в некоторые стартапы гильдия инвестирует и сама, я вкладываю в проект свои личные средства.
Третье направление — просветительские проекты
Это всё, что способствует популяризации науки. К этому направлению можно отнести подкасты и интервью, конференции и хакатоны с учеными, которые помогают сделать сложные научные темы понятными и интересными для широкой аудитории. Нам важно не только поддерживать сами исследования и разработки, но и создавать вокруг них среду, в которой наука становится частью общественной дискуссии.
При выборе проектов мы ориентируемся на три условия. Во-первых, технология должна быть востребована в дальнем космосе. Во-вторых, иметь потенциал коммерческого применения и на Земле. В-третьих, речь должна идти о действительно прорывных разработках. Но под «прорывом» далеко не всегда подразумевается изобретательство — он может стать результатом инженерного переосмысления.
И как инвестор, и как популяризатор науки я ловлю себя на мысли, что едва ли не всё уже изобрели до нас, но мы смотрим только вперед и не хотим оборачиваться. Для российских инженеров, работающих с космическими технологиями, это особенно актуально: они наследники огромного советского инженерного задела.
Многие идеи, которые сегодня выглядят как перспективные направления космической техники, появились еще десятилетия назад, но легли в архивы — не хватало вычислительных мощностей, материалов, частного капитала и венчурного мышления, чтобы довести их до практического применения.
Многие архивы закрыты, но другие доступны для изучения. Описанные в них проекты можно заново оценить с учетом современных технологий, проверить с помощью цифрового моделирования и адаптировать под новые задачи. Именно поэтому я убежден: 1960-е и 1970-е были временем смелых изобретателей, но теперь пришло время инженеров.
Ниже разберем самые интересные, на мой взгляд, проекты на основе советских разработок, которые обретают вторую жизнь в современной космонавтике.
Фотобиореактор — чтобы дышать без запасов кислорода
Перед покорителями новых планет сейчас стоят две фундаментальные задачи — добраться до места назначения и выжить там. К способам транспортировки мы еще вернемся, а начнем с проекта, в котором я участвую как инвестор и который отвечает на базовый вопрос выживания человека в космосе: чем ему там дышать?
Самый логичный ответ — кислородом, доставленным с Земли — не вариант. Кислород оказывается одним из самых неудобных грузов в космонавтике. Он нужен постоянно, расходуется быстро, и чем дальше летит корабль, тем меньше смысла везти его с собой в огромных количествах. На МКС еще можно регулярно доставлять запасы с Земли и получать кислород из воды с помощью электролиза. Для полета к Марсу — нет.
Поэтому возникает естественная идея: замкнуть цикл и заставить углекислый газ, который выдыхает экипаж, снова превращаться в кислород прямо на борту. Для этого можно использовать растения — большую космическую оранжерею — или микроводоросли. Они занимают гораздо меньше места и при этом способны не только перерабатывать углекислый газ, но и давать биомассу.
На основе этих рассуждений и сформировалась концепция фотобиореактора — прозрачной емкости с водой, светом и микроводорослями внутри, которые поглощают углекислый газ, растут и выделяют кислород.
Но этим функции фотобиореактора не ограничиваются. В замкнутой системе, которой будет являться любая обитаемая инопланетная станция, он может быть одновременно источником биомассы и системой по очистке воды.
Какие микроводоросли подходят для космических фотобиореакторов
Что было в СССР и что изменилось сейчас
Еще в 1964 году в советской системе БИОС-1 замкнули по газообмену двухзвенную схему «человек — хлорелла». В герметичной камере объемом 12 м³ установили специальный культиватор для выращивания хлореллы. В ходе экспериментов человек свободно дышал в такой системе до 90 суток.
В 1980-х Институт медико-биологических проблем РАН доработал концепцию и одним из первых в мире собрал биологическую систему жизнеобеспечения на основе нескольких фотобиореакторов. Она получила название «Сирень»: реакторы работали на очень тонких слоях водорослей, помещенных в воду. Это позволило свету равномерно проникать в глубину культуры, и фотосинтез шел максимально эффективно.
А дальше уперлись в дефицит энергии: тогдашние установки освещали ксеноновыми лампами. Источник питания для такой системы занимал втрое больше места, чем сам реактор. На бумаге цикл прекрасно замыкался, но в реальной конструкции получалось слишком много лишнего оборудования.
Примени они сразу подход № 4 из моего списка, испытания, возможно, вообще бы не проводились. К счастью для нас, этого не случилось — исследования подытожили и положили идею в архив. Сейчас мы возвращаемся к ней уже с другой элементной базой.
Команда проекта 435nm взяла ключевую идею советской установки «Сирень»: культура выращивается очень тонким слоем, чтобы свет равномерно проникал во весь ее объем.
Принцип остался прежним, но начинка изменилась. Вместо ксеноновых ламп используются светодиоды, а процессы автоматизированы. В результате энергопотребление удалось снизить примерно в 30 раз. Это тот случай, когда одна вроде бы небольшая технологическая перемена меняет всю экономику разработки.
Еще один буст старой идее придает автоматика. Система сама поддерживает необходимые параметры: регулирует освещение, следит за состоянием культуры и позволяет управлять ее ростом. Человеку уже не нужно постоянно следить за тем, что происходит внутри реактора.
Что дальше: микрофлюиды и синтетика
В июле 2026 года прототип впервые показали публично. Испытание длилось около 45 минут, и после выхода системы на рабочий режим уровни кислорода и углекислого газа стабилизировались, почти не меняясь до конца эксперимента.
Но это пока лишь демонстратор принципа, а не готовая космическая система. В дальнем полете установка должна месяцами и годами работать почти без обслуживания, спокойно переживать отказы отдельных компонентов и при этом занимать минимум места.
Именно поэтому следующий шаг — микрофлюидика, то есть управление очень небольшими потоками жидкости. Она должна помочь сделать реактор компактнее, экономичнее и, в конечном счете, пригоднее для реального космического полета.
Однако с ростом эффективности возникает другая проблема. У замкнутой системы есть простое правило: нельзя постоянно производить что-то, чему потом некуда деваться. Фотобиореактор, перерабатывая углекислый газ, одновременно наращивает биомассу. И рано или поздно встанет вопрос: что делать с избытком водорослей.
Что делают в мире
У подобных систем в космосе есть еще одна проблема, о которой на Земле легко забыть: перемешивание. Для нормального роста культура должна двигаться в объеме, что в земных условиях происходит благодаря конвекции, оседанию и всплытию. Но в невесомости привычная физика исчезает, и перемешивание приходится организовывать отдельно.
В 2019 году на МКС отправили фотобиореактор PBR@LSR, разработанный немецким DLR совместно с Институтом космических систем Штутгартского университета и Airbus. Система объединяет физико-химический и биологический контуры: техника собирает углекислый газ от экипажа, а его часть поступает водорослям.
На российском сегменте МКС также проводятся эксперименты с фотобиореактором, где изучают, как невесомость влияет на рост биомассы и выделение кислорода.
Японские разработчики пошли по другому пути: выращивают спирулину на биопленке с питательной поверхностью, почти без воды. Получается компактнее и легче, хотя скорость переработки среды при этом ниже.
Оранжерея — чтобы не доставлять с Земли еду
Если фотобиореактор отвечает на вопрос, чем дышать, то оранжерея указывает, чем на другой планете питаться. При этом мысль о маленькой космической теплице, кажется, приходит в голову сама собой — как развитие концепции БИОС. В 1968 году в красноярском Институте биофизики СО РАН заработал экспериментальный комплекс БИОС-3. В его стенах провели десять экспериментов с экипажами от одного до трех человек — все по трехзвенной системе «человек — микроводоросли — высшие растения». Самый продолжительный продлился 180 суток.
Результат: газовый и водный циклы обмена удалось практически полностью замкнуть. Собственная оранжерея обеспечивала до 80% потребностей экипажа в пище. Выращивали пшеницу, сою, картофель, морковь, редис, огурцы, капусту и зелень.
Для БИОС-3 использовали специально выведенные карликовые сорта пшеницы с минимальным количеством несъедобной биомассы.
Ежедневный урожай составлял 600 грамм зерна и немногим более килограмма овощей, но масса и габариты самой оранжереи при этом оставались серьезной проблемой. Весь комплекс занимал около 315 м³. Для сравнения: вся обитаемая площадь МКС составляет 388 м³.
Современная российская версия БИОС-3 — «Витацикл-Т» — построена на идее превратить оранжерею в компактную систему, где растения высажены не на плоскости, а внутри вращающегося цилиндра с шестью корневыми модулями.
Барабан поворачивается, подставляя следующую секцию для посадки, а через несколько дней — для сбора урожая. В этом и заключается главное преимущество: растения можно высаживать партиями и получать урожай постепенно, а не разом. Для космоса, где дорог каждый ватт и каждый кубический сантиметр, это особенно важно.
Один из самых масштабных мировых проектов в этой сфере — американская «Биосфера-2» — показал, насколько непредсказуемым может быть замкнутый контур. Внутри комплекса, занимающего несколько корпусов и этажей, вдруг начал падать уровень кислорода.
Как выяснилось, причина оказалась не в поломке оборудования, а в микроорганизмах почвы. Они активно потребляли ценный газ — бесшумно и неведомо для экипажа.
Это довольно наглядное инженерное предупреждение: в замкнутой системе участником распределения ресурсов становится практически всё — почва, стекло, бетон, микроорганизмы, растения и, конечно, сами люди.
Следующий большой шаг — проверить, насколько хорошо такая система будет работать на Луне, где придется учитывать местные особенности: радиацию и лунную гравитацию, которая примерно в шесть раз слабее земной. Последнее — иногда плюс, а иногда и минус.
Центрифуга малого радиуса — чтобы имитировать искусственную гравитацию
Принцип работы центрифуги знаком нам из школьного курса физики: если заставить объект вращаться, он будет испытывать ускорение. Для человека внутри вращающейся системы оно ощущается как нагрузка, очень похожая на привычную земную тяжесть. Эта идея появилась практически вместе с мечтами о космических станциях. Еще Циолковский представлял вращающиеся конструкции, которые позволили бы создать искусственную тяжесть.
Но и спустя десятилетия вращение целой станции остается сложной инженерной задачей. По сути, это огромный гироскоп: при стыковках и маневрах меняется поведение всей конструкции, а любое движение внутри начинает влиять на систему. Причем проблемы движения возникают даже на невращающейся МКС. Не зря беговую дорожку снабжают специальной системой виброизоляции, а возникающие нагрузки измеряют и контролируют.
Это хорошо показывает масштаб проблемы: если даже одного космонавта, бегущего по дорожке, приходится «изолировать» от станции, то что же будет, если заставить вращаться многотонный жилой модуль? Отсюда родилась идея локальной центрифуги — отдельного устройства, которое можно поставить, испытать и при необходимости изменить.
В ИМБП РАН разработаны центрифуги короткого радиуса — до 2,5 м. На орбите подобные системы уже работают как научные установки. Например, в японском модуле «Кибо» на МКС находится CBEF — биологический инкубатор с центрифугой, создающей искусственную гравитацию от 0,1 до 2g. Это удобный эксперимент: образцы находятся в одном полете, получают одинаковую радиацию, освещение и вибрации, но разную гравитацию. Так изучают, в частности, влияние искусственной тяжести на клетки, растения и животных.
Главная проблема при создании искусственной гравитации — радиус центрифуги, ведь чем она меньше, тем быстрее ее приходится вращать для получения нужного ускорения. Для производства возникает и другая трудность: если искусственная тяжесть нужна всему технологическому процессу, вращать придется весь агрегат вместе с системой подачи материала. А вращающаяся масса неизбежно создает вибрации — те самые, от которых мы пытались выше избавиться.
При этом эксперименты с растениями показали важную вещь: для многих задач им искусственная гравитация, похоже, вообще не нужна. А значит, если лунной оранжерее центрифуга не потребуется, из будущей системы можно будет убрать целый узел — вместе с массой, энергопотреблением и механикой.
И это хорошая иллюстрация к еще одному инженерному закону: отрицательный результат при разработке проекта иногда не менее ценен, чем положительный, так как позволяет не добавлять новую деталь, а просто убрать ненужную.
При этом не стоит забывать: есть области, где отсутствие гравитации становится не проблемой, а преимуществом. Например, биофабрикация.
Биофабрикация — чтобы выращивать то, что на Земле не получается
На Земле живые ткани приходится постоянно удерживать в какой-то форме, ведь клетки оседают, жидкости перетекают, а гибкая конструкция может деформироваться под действием земного притяжения. В невесомости, а точнее микрогравитации, часть этих ограничений исчезает, и для биопринтинга это лучшая рабочая среда.
В чем суть? Еще советские эксперименты с кристаллами и биологическими смесями показали, что в условиях микрогравитации вещества не оседают вниз и почти не перемешиваются под действием конвекции. При биофабрикации, то есть создании тканей из живых клеток по заранее заданной форме, При биофабрикации, то есть создании тканей из живых клеток по заранее заданной форме, это позволяет отказаться от твердой подложки и собирать клеточную конструкцию прямо внутри сложной полости. С помощью магнитного поля ее формирование происходит бесконтактно и одномоментно, а не послойно, как в случае 3D-печати.
В российском биопринтере «Орган.Авт», например, клетки предварительно намагничивают специальными наночастицами. После этого магнитное поле перемещает их и удерживает в нужных местах, пока они не сформируют объемную клеточную конструкцию.
Иными словами, биопринтер в этом случае не столько «печатает» ткань, сколько собирает ее из клеток. А микрогравитация убирает главный фактор, который на Земле постоянно мешает такой сборке, — собственный вес материала.
«Орган.Авт» доставили на МКС в конце 2018 года. С того момента на нем уже «напечатали» хрящевую ткань человека и ткань щитовидной железы мыши, а также проводили эксперименты с белковыми кристаллами.
Американская Redwire пошла по другому пути. В 2023 году ее установка BioFabrication Facility напечатала на орбите человеческий мениск. После печати его еще две недели доращивали на станции, а затем вернули на Землю для анализа.
Биопечать в условиях микрогравитации постепенно перестает быть экспериментальной и превращается в отдельное направление космической биотехнологии. Пока речь идет в основном о небольших и относительно простых структурах, таких, как мениск.
Ближайшее практическое применение — печать тканей для испытания лекарств. Такие модели потенциально способны точнее воспроизводить свойства живого организма, чем обычные плоские клеточные культуры. Следом могут появиться импланты и другие медицинские конструкции, где важны сложная геометрия и свойства живой ткани. Другое направление — выращивание белковых кристаллов. В микрогравитации они могут формироваться более равномерно, что позволяет точнее изучать структуру молекул и использовать эти данные при разработке лекарств.
Получается, что речь идет уже не только о выживании человека в дальнем космосе, но и о его здоровье на Земле.
Ядерный буксир — чтобы дальний космос стал ближе
До сих пор мы говорили о том, как сделать дальний космос более пригодным для жизни человека: обеспечить его воздухом, едой, искусственным притяжением и даже возможностью выращивать себе на замену мениски. Но все эти технологии имеют смысл только при одном условии — если он вообще доберется до места назначения. Необходима ракета, способная перемещать большие грузы на огромные расстояния, не таща за собой запас топлива на каждый маневр.
Обычная — на химическом топливе — для этого не слишком удобна. Она дает огромную тягу, но работает недолго и расходует много топлива. В межпланетном пространстве выгоднее другой подход: разгонять аппарат медленно, зато постоянно. Именно так работают электроракетные двигатели — они выбрасывают небольшое количество рабочего тела с очень высокой скоростью и могут работать неделями, месяцами и даже дольше. Проблема только в одном: им требуется очень много электричества.
И здесь самое время вспомнить про советскую идею ядерного буксира. Название немного смущает: можно подумать, что реактор в такой системе нужен для создания тяги, однако это не так. Ядерный буксир — это мощная космическая электростанция. Его задача — выработать столько электричества, чтобы им можно было долгое время питать электроракетные двигатели.
Получается своеобразный космический тягач: его можно вывести на орбиту отдельно, а затем использовать для перемещения грузов между орбитами и для межпланетных перелетов.
Для советской инженерной школы это направление не было научной фантастикой. СССР еще с 1960-х годов создавал космические ядерные энергоустановки. К примеру, реакторы «Бук» и «Топаз» использовались для получения электроэнергии на орбите, а к 1970−1980-м годам уже существовали проекты космических аппаратов, в которых ядерный источник энергии должен был работать в связке с электрореактивными двигателями.
Сегодня эта логика получила развитие в проекте ТЭМ — транспортно-энергетическом модуле с ядерной энергодвигательной установкой мегаваттного класса. В такой системе реактор, система преобразования энергии и электроракетные двигатели должны работать как единый комплекс.
Яркий представитель этого направления — российский «Нуклон», аванпроект ядерного буксира для полетов в дальний космос. Здесь особенно интересна сама концепция, согласно которой буксир не обязательно должен каждый раз отправляться с Земли вместе с грузом. Груз можно вывести на орбиту обычной ракетой, состыковать с буксиром и отправить дальше. А после завершения перелета сам буксир потенциально остается в космосе и получает следующий груз.
В этом смысле «Нуклон» интересен не только как отдельный космический аппарат. Концепция возвращает нас к идее постоянной транспортной инфраструктуры в космосе.
Российский проект ТЭМ разрабатывается с конца 2000-х годов с участием предприятий космической и атомной отраслей. Отдельные элементы ядерной энергодвигательной установки и электроракетной системы проходят наземную отработку, но полноценный межпланетный буксир пока остается делом будущего.
Поэтому сегодня правильнее говорить не о готовой «космической железной дороге», а о технологической базе для будущей транспортной системы. Концепция «Нуклона» показывает, как она может работать: ракеты доставляют грузы на орбиту, буксиры увозят их дальше, замкнутые биологические системы обеспечивают людей воздухом и ресурсами, а производство на месте постепенно сокращает список того, что приходится везти с Земли.
Но такая технологическая база не сформируется сама по себе — ее будут строить новые поколения инженеров, молодые ребята, которые сегодня только начинают свой профессиональный путь или выбирают будущую профессию. Где им нарабатывать компетенции?
Самые масштабные в стране космические проекты реализуются в организациях «Роскосмоса» и крупных научных центрах, таких как Курчатовский институт. Но развиваются и частные инициативы: появляются компании, работающие с ракетами и спутниками, а вокруг них формируется новая среда для молодых инженеров. Помимо этого, в Москве работает Национальный центр космических компетенций. На его площадке проводятся хакатоны, кейс-чемпионаты, просветительские мероприятия.
Молодой человек, желающий строить карьеру в космической сфере, может, к примеру, проявить себя на хакатоне и попасть на практику в государственный проект, где есть сложные реальные задачи. Начинающий специалист — наработать компетенции в госкорпорации, а затем применять их в частном секторе, который постепенно расширяется.
Вероятно, именно по такому пути и будет развиваться отечественная космическая индустрия — в движении от наукоемких государственных институтов к инициативам частных компаний и небольших инженерных команд. Вместе они однажды могут сделать дальний космос частью повседневной реальности.
Не знаю, как скоро это произойдет, но если мне однажды посчастливится покинуть нашу планету ради путешествия к другим мирам, я бы точно прихватил с собой папки из архивов советских КБ. Уверен, российской космонавтике они еще пригодятся.
