Новейшие искусственные материалы пригодятся в освоении космоса

У освоения космоса масса проблем, но есть одна фундаментальная — отсутствие кислорода в большей части Вселенной, что накладывает серьезные ограничения на наши возможности дышать за пределами Земли. Вместе с тем это ставит перед будущими колонизаторами других планет определенные задачи, которые необходимо решить.

Здесь, на Земле, у нас есть хорошо развитая природная система для поддержания человеческой жизни: атмосфера и биомы. В космосе у нас должны быть аналогичные системы жизнеобеспечения замкнутого цикла, которые будут поддерживать нас, и эта задача —  не из легких.

К счастью, успехи в развитии новых синтетических материалов могут открыть интересные возможности для пилотируемой космонавтики. Недавняя разработка может стать ответом на вопрос: как дышать там, где воздуха нет?

Не так давно мы писали, что ученые из Университета Южной Дании синтезировали кристаллический материал, который поглощает и сохраняет кислород в больших количествах. Его можно использовать для сбора, хранения и транспортировки кислорода, будто такой себе искусственный гемоглобин.

10-литрового ведра из твердого материала достаточно, чтобы хранить весь кислород в комнате. Несколько зерен сохранят достаточно кислорода для дыхания одного человека. После того как кислород оказывается в ловушке, его можно хранить до тех пор, пока материал осторожно не нагреют и не выпустят кислород.

«Этот материал может поглощать и выделять кислород многократно без потери способности. Это как погружать губку в воду, выжать из нее воду и повторить процесс снова и снова», — объясняет Кристина Маккензи, профессор физики из Университета Южной Дании, возглавляющая проект.

Будучи насыщенным кислородом, вещество можно сравнить с кислородным баллоном, который содержит чистый кислород под давлением. Разница в том, что этот материал сохраняет в три раза больше газа в цилиндре, который находится под давлением. Ключевой компонент нового материала — кобальт, связанный с особой органической молекулой.

«Кобальт придает новому материалу нужную молекулярную и электронную структуру, позволяющую ему поглощать кислород из окружающей среды. Этот механизм хорошо известен всем дышащим созданиям на Земле: люди и другие виды используют железо, в то время как другие животные, вроде крабов и пауков, используют медь. Небольшие количества металлов имеют важное значение для поглощения кислорода, так что нет ничего удивительного в том, что мы видим этот эффект в новом веществе».

Будучи связанным с веществом, молекулы кислорода в сумме занимают меньше места, чем когда находятся в газообразной форме. Этот же принцип позволяет гемоглобину вашего тела связывать в 70 раз больше кислорода, чем если бы он просто был растворен в крови.

В зависимости от атмосферных условий вроде концентрации кислорода, температуры и давления нужно от нескольких секунд до нескольких дней, чтобы поглотить кислород из окружающей среды. Различные вариации вещества могут с разной скоростью связывать кислород.

Представьте: маска, созданная на основе слоев из такого вещества, может активно поставлять кислород без необходимости насоса или оборудования для создания давления.

Маккензи и ее команда в настоящее время исследуют, может ли свет вызывать высвобождение кислорода из материала, что еще больше приблизит ученых к созданию искусственного фотосинтеза.

Возможность абсорбировать, хранить и выпускать кислород в плотной концентрированной форме — это круто. Но что, если место, где нам больше всего нужен кислород, — там, где вообще нельзя ничего абсорбировать из окружающего пространства?

Джулиан Мельхиорри из Королевского колледжа искусств разработал фотосинтетический материал, который живет и дышит подобно листу растения. Искусственный лист поглощает углекислый газ и воду и выпускает кислород. Лист работает на основе собрания хлоропластов (именно в них в растении происходит фотосинтез) в материале, изготовленном из протеинов шелка.

Мельхиорри видит использование такой технологии в фасадах зданий и абажурах ламп, которые могли бы выдыхать свежий воздух для нас. Он также предлагает использовать его в освоении космоса. Хотя растения отлично растут в условиях микрогравитации, такой материал может производить кислород с гораздо меньшими затратами времени и усилий, чем необходимы для выращивания растений.

Пока непонятно, какое количество кислорода такой лист может производить, как долго самоподдерживаются хлоропласты в протеинах шелка и что происходит с побочными продуктами фотосинтеза. С появлением новых материалов возникают и новые вопросы.

Но возможности использования таких материалов мы вполне в силах представить.

Если кислород можно будет создавать с помощью искусственного фотосинтеза в космосе, его можно будет и хранить более компактно, нежели в баллонах и цистернах.

Исследователи Массачусетского технологического института разработали новый дизайн скафандра, в основе которого лежит принцип «второй кожи» для космонавтов. Возможно, в будущем ткань, выпускающая, накапливающая и преобразующая другое вещество в кислород, ляжет в основу ткани самого скафандра.

Некоторые утверждают, что пилотируемое исследование нашей Солнечной системы — крайне сложная задача, которую мы пока не в силах решить при всех ее проблемах и препятствиях. В конце концов, космос — крайне недружелюбная для человека среда. Но мы обнаружили только один способ путешествия в космосе, и он очень привязан к Земле. Мы просто строим пузырь на Земле и остаемся в нем, чтобы выжить. В обозримом будущем это будет только так.

Но если мы хотим продолжить освоение космоса, нам понадобится разработка новых типов материалов, которые лягут в основу скафандров будущего и приблизят нас еще больше к тому дню, когда люди будут свободно перемещаться по Солнечной системе.

Вышеописанные разработки хороши тем, что им всегда найдется применение. И если это будет освоение космоса — тем лучше, в конце концов, это необходимо человечеству для выживания.