Плазма вместо порошка: как в космосе будут стирать без воды

Пока астронавты готовятся к длительным миссиям на Луну и Марс, поддержание жизни вдали от Земли будет зависеть от решения целого ряда технологических задач. Да, исследователям необходимо довести до совершенства огромные ракеты и футуристические жилища, которые обеспечат безопасность экипажа на пути к другим мирам, — но им также придется придумать, как стирать белье.

Новый лабораторный эксперимент, протестировавший безводный метод космической стирки с использованием контролируемых струй сверхзаряженной плазмы, показал: эта технология способна помочь справиться с проблемой.

Стирка в космосе звучит утомительно — ровно так же, как и на Земле, — однако от нее в буквальном смысле зависит здоровье астронавтов и предотвращение загрязнения других миров земными микробами-«безбилетниками».

На Международной космической станции (МКС) астронавты обычно носят одну и ту же одежду, пока она не становится слишком грязной, а затем выбрасывают ее — впоследствии она сгорает в атмосфере Земли при входе в плотные слои. Тем не менее, несмотря на строгие протоколы очистки по всей станции, пробы, взятые с поручней и вентиляционных решеток, выявили плотные популяции микробов на поверхностях, которые выглядят безупречно чистыми, причем некоторые из этих микробов даже адаптировались к процветанию на металлических поверхностях.

Однако будущие длительные миссии на Луну или Марс не смогут рассчитывать на регулярные рейсы снабжения с Земли, а значит, потребуется некая форма устойчивой «космической прачечной».

Удобная одежда и предметы обстановки, способные сделать многомесячные миссии более обитаемыми — например, диван, на котором можно сидеть, или нормальная кровать вместо спального мешка, — могут быстро превратиться в рассадники микробов, которых человек постоянно переносит на себе и выделяет в повседневной жизни. И хотя большинство из них безвредны — более того, даже полезны, — исследования показывают, что некоторые адаптируются к стрессам космического полета и ведут себя иначе в условиях микрогравитации, потенциально становясь более склонными вызывать заболевания или даже повреждая системы космических кораблей, разъедая металлические поверхности.

Однако санитарная обработка этих многослойных «мягких материалов» особенно сложна в условиях космоса, где ограниченные запасы воды делают традиционную стирку нецелесообразной.

«Представьте себе диван, на котором шесть астронавтов — или сколько их там — сидят изо дня в день. Как содержать эту вещь в санитарном состоянии, чтобы они не передавали друг другу микробы?» — рассказал Live Science Гейб Зу, профессор Университета Алабамы, возглавивший лабораторный эксперимент. «Это сложная задача, но нам действительно придется с ней справиться».

Вопрос здоровья, а не пятен

Многие дезинфицирующие средства, широко используемые на Земле, — например, «Лизол», — плохо подходят для космических полетов: в замкнутых жилых отсеках капельки аэрозолей и химические пары могут задерживаться в воздухе и представлять опасность для здоровья экипажа, отметил Зу.

В ходе лабораторного эксперимента Зу и микробиолог Челси Кэссилли, инженер по планетарной защите из NASA, проверили, способна ли плазма — ионизированный газ, напоминающий управляемую форму молнии, — предложить решение проблемы.

Исследователи нарезали обычную хлопковую футболку на небольшие образцы и засеяли их Staphylococcus caprae — распространенной кожной бактерией, которая также была обнаружена на борту МКС. Затем с помощью устройства размером с мобильный телефон команда обработала образцы струей заряженного газа, или плазмы, толщиной с карандаш и ярко-фиолетового цвета, чтобы проверить, насколько эффективно она убивает микробы.

Результаты показали: эта технология уничтожает бактерии эффективнее, чем методы, используемые в настоящее время на МКС, включая сухую уборку пылесосом и химические салфетки для поверхностей.

«Она не удалит кофейные пятна с чьей-либо футболки, — сказал Зу в интервью Live Science, — но она удалит то, что может вызвать у вас болезнь».

При направлении на ткань плазма генерирует высокореактивные формы кислорода и азота, которые проникают в волокна и разрывают клеточные мембраны бактерий посредством окислительного стресса. В ходе тестов длительностью от 30 секунд до пяти минут обработка не показала заметного повреждения волокон ткани, сообщил Зу.

«Мы полагаем, что это, вероятно, не страшнее обычного износа», — сказал он Live Science.

Новизна метода, добавил он, в том, что для него не требуется почти ничего, кроме электричества и рабочего газа, — а значит, отпадает нужда в водоемких системах очистки. Сейчас команда расширяет исследование, тестируя воздействие плазмы на дополнительные виды микробов, которые, как известно, процветают в человеческой среде и на борту космических аппаратов.

«Мы фокусируемся на том, что, как мы знаем, присутствует там, наверху, или на том, что люди производят просто в процессе своей повседневной жизнедеятельности, — поскольку именно это, вероятнее всего, и окажется в космической среде обитания», — пояснил Зу.

В перспективе исследователи предполагают масштабировать технологию до портативного устройства, которое астронавты смогут использовать в рамках рутинного хозяйственного обихода на борту космических кораблей и будущих баз, сообщил Зу. Предварительные результаты команда представила на Астробиологической научной конференции в Мэдисоне.

От футболки до марсианского дома: плазменная гигиена будущего

Идея использовать плазму для дезинфекции не нова: в земных больницах плазменные стерилизаторы уже обрабатывают хирургические инструменты, а в пищевой промышленности холодная плазма продлевает срок хранения продуктов. Но космос предъявляет к технологии совершенно особые требования. Устройство должно быть компактным, легким, потреблять минимум энергии и, главное, не выделять токсичных побочных продуктов в замкнутый объем жилого модуля. Именно поэтому команда Зу и Кэссилли остановилась на так называемой холодной плазме атмосферного давления — она работает при комнатной температуре и использует обычный воздух в качестве рабочего газа.

«Красота подхода в том, что нам не нужно везти с собой баллоны с аргоном или гелием, — объясняет Зу. — Атмосфера внутри космического корабля — это уже готовый газ для плазмы. Мы просто пропускаем его через разрядник и получаем дезинфицирующий факел».

Челси Кэссилли, чья работа в NASA посвящена планетарной защите, смотрит на технологию под особым углом. Ее задача — не допустить, чтобы земные микроорганизмы попали на Марс или Европу и исказили поиски внеземной жизни. «Представьте: мы десятилетиями готовим миссию по поиску марсианских микробов, тратим миллиарды долларов, а потом обнаруживаем, что нашли всего лишь Staphylococcus caprae, который прилетел с нами на ботинке астронавта, — говорит она. — Плазменная обработка скафандров и оборудования перед выходом на поверхность может стать важнейшим барьером».

Впрочем, до марсианской прачечной пока далеко. Следующий этап исследований — проверка плазменного устройства на реалистичных материалах и в условиях, приближенных к космическим. Команда планирует тестировать обработку не только хлопка, но и синтетических тканей, из которых шьют современную космическую одежду, а также многослойных композитов обивки. Отдельный интерес представляет вопрос, как плазма воздействует на биопленки — плотные колонии бактерий, которые особенно трудно уничтожить обычными средствами и которые неоднократно обнаруживали в системах водоснабжения МКС.

Еще один неожиданный поворот: плазменная обработка может оказаться полезна не только для уничтожения микробов, но и для устранения запахов. На МКС, где вода для душа отсутствует как класс, а одежду носят неделями, запахи становятся не просто бытовым неудобством, но и психологическим фактором, влияющим на работоспособность экипажа. Плазма, разлагая летучие органические соединения, ответственные за неприятные запахи, могла бы освежать одежду и текстиль без стирки.

«Мы пока в самом начале пути, — признает Зу. — Но если подумать: когда первые люди отправятся к Марсу, им предстоит провести в одной и той же одежде и в одном и том же жилом модуле больше двух лет. Без надежного способа поддерживать чистоту это будет не экспедиция, а биологическая бомба замедленного действия». И, возможно, через десятилетие плазменный «факел» станет таким же привычным предметом космического быта, как сегодня — тюбик с зубной пастой.