Идеи превращаются — 6

Скафандр, который перерабатывает мочу

В июле 2024 года американские исследователи из Корнеллского университета опубликовали статью в журнале Frontiers in Space Technology с описанием технологии переработки мочи, которую можно применить работая в космических скафандрах.

Дело в том, что астронавты NASA, которые во время длительного пребывания в открытом космосе вынуждены справлять нужду, жалуются на систему ассенизации. Это просто большой подгузник (он способен удерживать до одного литра мочи и 75 граммов фекалий), которого обычно хватает максимум на восемь часов. Затем подгузник отправляется в мусор, его забирает какой-нибудь космический грузовой корабль типа Cygnus американской компании Northrop Grumman или российского «Прогресса», и потом мусор сгорает в плотных слоях атмосферы. Если часто и долго использовать скафандровый подгузник, то можно подхватить инфекцию, не говоря уже о том, что подгузники время от времени протекают.

Поэтому ученые Корнеллского университета решили разработать удобные и комфортные скафандры с системой жизнеобеспечения для длительных работ вдали от туалета. Прототип разрабатываемого скафандра включает нижнее белье из многослойной мягкой ткани с антимикробным покрытием и содержит устройство для сбора мочи. Жидкость поступает в емкость из силиконовой резины, помещенную между ног, а насос и фильтрующая система весом около восьми килограммов находятся в рюкзаке за спиной.

Прототип устройства для превращения мочи в техническую воду и дальнейшего ее использования. Система создана в Корнеллском университете, и если она хорошо покажет себя при наземных испытаниях, ей светит слетать в космос

Изнутри емкость покрыта полиэфирной микрофиброй или смесью нейлона и спандекса, поэтому влага отводится от тела. На внутренней поверхности есть небольшой участок с абсорбирующим гидрогелем, к которому прикреплена RFID-метка. Она радиосигналом сообщает вакуумному насосу, что пора работать. Насос включается, забирает жидкость и гонит ее в систему фильтрации. Здесь моча очищается до дистиллированной воды, которая в качестве технической воды может быть использована в гидросистемах. Очистка полулитра мочи занимает пять минут. Система питается от аккумулятора напряжением 20,5 вольта и емкостью 40 ампер-часов.

Электрическая схема для управления насосами, датчиками и индикаторами, а также для синхронизации их работы уже готова. Теперь прототип нужно будет испытать сначала на Земле в условиях невесомости (полет самолета-лаборатории по параболе), а затем в космосе. Первые испытания запланированы на осень 2024 года, и не исключено, что компания Axiom Space, которая разрабатывает скафандры для лунных миссий программы «Артемида», использует эти наработки. Время еще есть, поскольку программа «Артемида» предполагает возвращение астронавтов на естественный спутник Земли в конце текущего десятилетия.

Возможно, что исследователи из Корнеллского университета в ходе разработки прототипа нового скафандра вдохновлялись научно-фантастической сагой «Дюна» Фрэнка Герберта, первая книга которой вышла в 1965 году. В книге речь идет о пустынной планете Арракис, она же Дюна, часть жителей которой (фримены) носят обтягивающие комбинезоны (дистикомбы, костюмы — перегонные кубы), преобразующие отходы метаболизма, и даже не в техническую воду, а в питьевую.

Спутник впервые передал солнечную энергию на Землю

В конце января 2024 года исследователи из Калифорнийского технологического института опубликовали статью в ArXiv о первых испытаниях технологии передачи энергии из космоса на Землю. Эту технологию они уже тестировали и на Земле, и в космосе.

Небольшой спутник-ретранслятор (кубсат) MAPLE (Microwave Array Power Transfer LEO Experiment) отправился на околоземную орбиту с помощью ракеты-носителя Falcon 9 компании SpaceX 3 января 2023 года, и спустя два месяца, 3 марта, ученые провели первый эксперимент по передаче энергии из космоса на Землю. Следующие попытки были сделаны в мае, июне и июле. Выяснилось, что спутник с антенной решеткой площадью почти полтора квадратных метра способен собирать солнечную энергию и преобразовывать ее в радиочастотную. Затем две кремниевые радиочастотные интегральные схемы (RFIC) синтезируют электромагнитный сигнал, который направляется на Землю. Специальное устройство на крыше лаборатории Мура Калифорнийского технологического института отслеживает местоположение MAPLE, а радиочастотный приемник получает поступающую от спутника энергию и преобразует ее в постоянный ток.

Концепт исследователей Калифорнийского технологического института по передаче солнечной энергии со спутника-ретранслятора MAPLE (Microwave Array Power Transfer LEO Experiment) на Землю

Спутник способен посылать с орбиты 100 милливатт мощности и быстро перенаправлять луч в другое место. Однако каждый раз на Земле удавалось получить всего один милливатт электричества, то есть 1% посланной мощности. Тем не менее исследователи считают, что эксперимент прошел успешно, поскольку продемонстрировал, что передача энергии из космоса в принципе возможна. По мнению авторов работы, в течение десяти лет можно создать космическую электростанцию, которая будет снабжать энергией до десяти тысяч домохозяйств. Конечно, хотелось бы для начала поднять КПД.

В наши дни в научной фантастике спутники, передающие солнечную энергию на Землю, стали настолько же обычным явлением, что и космические ракеты. Однако так было не всегда. Поклонники Айзека Азимова наверняка вспомнят его бессмертный рассказ «Логика» (1941). Космонавты Майкл Донован и Грегори Пауэлл работают на орбитальной станции, которая получает энергию от Солнца и передает ее на Землю. Это, казалось бы, прорывное описание технологии передачи энергии, и на него даже ссылается Юрий Синявский в статье «Гениальное пророчество: беспроводная передача солнечной энергии», опубликованной в сборнике материалов VII Азимовских чтений.

Однако Азимов был не первым, кто представил эту идею в научной фантастике. История спутников-электростанций в фантастике уходит куда глубже в прошлое, в 1931 год, когда в первом американском научно-фантастическом журнале Amazing Stories была опубликована повесть Мюррея Лейнстера (псевдоним Уильяма Фитцджеральда Дженкинса) «Power Planet» («Электрическая планета»).

Один из многих рисунков художника Фрэнка Рудольфа Пауля, которыми он проиллюстрировал роман Лейнстера «Электрическая планета» в 1931 году

«Электрическая планета, — пишет Лейнстер, — это огромный рукотворный металлический диск, вращающийся вокруг Солнца и снабжающий Землю энергией. Еще в учебниках начальной школы каждый читал о ее строительстве за пределами луной орбиты и о маневрах для перевода на нынешнюю орбиту, с огромным расходом ракетного топлива. Ее обращенная к Солнцу сторона расположена всего в сорока миллионах миль от него и почти докрасна раскалена его излучением. А теневая сторона, естественно, окутана космическим холодом. Перепад температур между сторонами составляет почти семьсот градусов, и элементы Уильямсона превращают эту разницу температур в электрический ток с эффективность 99%.

Затем большие трубки Дагалда — их длина на Электрической планете составляет двадцать футов — преображают электричество в луч, постоянно сфокусированный на Земле и передающий на различные приемники около миллиарда лошадиных сил энергии». Сама космическая станция имеет 10 миль в поперечнике и «вращается с тщательно рассчитанной скоростью, так что центробежная сила на наружном крае почти равна нормальному земному притяжению. По мере приближения к центру сила, конечно, уменьшается и соответственно уменьшается ощущение веса тела». Для 1931 года эти идеи были потрясающими; попутно автор изобрел то, что позже назовут «прямое преобразование», хотя и не дал развернутого описания.

Первое известное упоминание орбитальной космической станции встречается в рассказе Эдуарда Эверетта Хейла «Кирпичная луна» (1869), в котором построенный из кирпича спутник выносится на орбиту огромными маховиками. В 1897 году Курт Лассвиц в романе «На двух планетах» описывает расположенную над Землей марсианскую космическую станцию в форме колеса со спицами. Ни один из них, конечно, не упоминал производства энергии; первый писал в доэлектрическую эру, второй — на заре коммерческого использования электроэнергии.

За идеей спутника-электростанции придется обратиться к немецкому ракетчику и пропагандисту космических исследований Герману Оберту, к его книге 1929 года «Ракеты для межпланетного пространства». Книга развивала тезисы его докторской диссертации, представленной в 1922 году, которая была отвергнута университетом как «излишне утопическая». В этой книге он рассказывает об орбитальной станции, которая находится на высоте 1000 километров и посредством огромных зеркал направляет световые лучи на Землю, освещает и обогревает огромные территории. Лейнстер мог читать об орбитальной станции Оберта в журнале Хьюго Гернсбека Wonder Stories, поскольку Гернсбек следил за европейской футуристической мыслью и постоянно публиковал о ней статьи.

Также Лейнстер мог знать о работах Николы Теслы, уроженца Хорватии, изобретателя и физика, фонтанировавшего потрясающими, революционными научными идеями. Еще в 1890-х годах Тесла пытался разработать систему беспроводной передачи электроэнергии на большие расстояния. Хьюго Гернсбек был большим поклонником Теслы и часто представлял его в своем журнале Electrical Experimenter, который, вероятно, читал Лейнстер / Дженкинс. Молодой Айзек Азимов, как и все известные американские фантасты середины XX века, читал истории Лейнстера и черпал в них вдохновение. Не зря позже, в 1950-е годы, фантасты провозгласили Лейнстера основоположником американской научной фантастики.

У нас нет доказательств того, что «Электрическая планета» выросла из зерна, зароненного Хьюго Гернсбеком. Не менее вероятно, что Лейнстер, опытный техник-изобретатель (он запатентовал технологию, которую использовали для создания спецэффектов в кино) и автор оригинальных научно-фантастических историй, сам натолкнулся на идею спутниковых электростанций. В любом случае стоит признать, что именно он ввел эту идею в научную фантастику и сделал это весьма убедительно.

Остальные статьи из этой серии можно найти в подборке «Идеи превращаются…»