Kosmos

Uwaga! Zbliżamy się do stacji… ISS

Numer 6/2020
Międzynarodowa Stacja Kosmiczna (ISS) okrąża Ziemię co półtorej godziny na wysokości ok. 400 km. Międzynarodowa Stacja Kosmiczna (ISS) okrąża Ziemię co półtorej godziny na wysokości ok. 400 km. Andrey Armyagov / Shutterstock
Niedługo minie 20 lat od chwili, gdy pierwsza stała załoga zamieszkała na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS). Przez ten czas setki astronautów przebywały 400 km nad Ziemią, gdzie przeżywały swoją wielką naukową przygodę.

Plany budowy stałej stacji kosmicznej na orbicie okołoziemskiej powstały jeszcze w latach 80. XX w. Własne zamierzenia realizowały Stany Zjednoczone (stacja Freedom), państwa europejskie (Columbus) zrzeszone w ESA oraz Rosja (Mir-2). W końcu postanowiono połączyć wysiłki i poszerzyć grono uczestników projektu. Łącznie zaangażowało się 16 państw.

Stację, która oficjalnie nazywa się Międzynarodową Stacją Kosmiczną (ISS), skonstruowano w końcu lat 90. Do rosyjskiego modułu Zarja systematycznie dołączano kolejne, których obecnie jest 16. ISS to teraz potężny obiekt o masie 417 t, zasilany przez liczne baterie słoneczne i krążący wokół Ziemi na wysokości 402–408 km. Jego prędkość to ponad 27 tys. km/h. Okres orbitalny stacji wynosi 91 min, co oznacza, że obiega ona Ziemię mniej więcej 15 razy na dobę. W listopadzie 2000 r. do ISS dotarła pierwsza ekspedycja – trzech astronautów, którzy stanowili jej pierwszą stałą załogę. Dopiero po 2009 r., czyli rozbudowie stacji, jej obsługę powiększono do zazwyczaj sześciu astronautów. Obecnie realizowana jest już 63. ekspedycja.

Zasadniczym celem ISS jest badanie możliwości długotrwałego przebywania człowieka w kosmosie oraz prowadzenie eksperymentów naukowych w warunkach mikrograwitacji. Stacja realizuje też różnego rodzaju obserwacje Ziemi i wykonuje pomiary oddziaływań kosmicznych.

Ziemia i zwierzęta

Już w 2013 r. na pokładzie stacji w oknie modułu badawczego Destiny zamontowano tzw. disaster camera, czyli czułą i szybką kamerę do monitorowania ziemskich kataklizmów. Jej oficjalna nazwa to ISERV’s Pathfinder. Na podstawie lokalizacji i trajektorii stacji ISERV’s Pathfinder obliczyć może bardzo dokładnie, kiedy nastąpi jej przelot nad wybranym regionem, a wtedy kamera wykonuje serię zdjęć o wysokiej rozdzielczości. Nadaje się więc znakomicie do śledzenia takich zjawisk jak powodzie, pożary, osuwiska ziemi czy zanieczyszczenie środowiska, a my wiemy dokładnie, jakie są skala i struktura obserwowanych wydarzeń. To dość ważne zadanie realizowane przez kolejne załogi ISS.

Z kolei w 2018 r. rakieta firmy SpaceX dostarczyła na stację urządzenie do tropienia atmosferycznych duszków, elfów i dżetów, czyli Amosphere-Space Interactions Monitor (ASIM). Zostało ono przytwierdzone na zewnątrz modułu Columbus. Wspomniane dżety, duszki i elfy to niezwykłe zjawiska fizyczne towarzyszące burzom, lecz widoczne tylko ponad chmurami. Obserwowane nieraz przez pilotów oraz przez satelity, są bardzo trudne do zbadania z Ziemi, ponieważ dochodzi do nich w górnej części stratosfery i ponad nią. Wraz z nimi pojawiają się bardzo krótkie błyski gamma. Niebieskie dżety to silne wyładowania atmosferyczne, przybierające postać długich i cienkich wąsów powstających na szczytach chmur i skierowanych ku górze, ku wyższym partiom atmosfery. Wyżej pojawiają się czerwone rozbłyski przypominające opadające luźno brody skrzatów, a nad nimi również czerwone lub białe aureole zwane elfami. Wszystkie te zjawiska mają duży wpływ na naszą atmosferę i decydują m.in. o tym, jak skutecznie chroni nas ona przed wysokoenergetycznymi cząstkami promieniowania kosmicznego. A stacja z niskiej okołoziemskiej orbity może je dokładnie śledzić dzięki monitorowi ASIM. Pierwsze dane z tego urządzenia napłynęły już latem ub.r.

W tym czasie zaczęto testować na ISS również program ICARUS. Dzięki pokładowemu komputerowi oraz antenie zamocowanej na zewnątrz stacji można śledzić przemieszczanie się dzikich zwierząt na Ziemi. Oczywiście muszą one najpierw otrzymać transmitery, których sygnały odbiera ICARUS. Po przekazaniu danych na Ziemię tworzone są mapy lokalizacji zwierząt. Na tej podstawie wiemy, jak zachowują się one w swoich habitatach, w jakiej są kondycji, jak kształtują się trasy ich migracji itd. Ułatwia to przyrodnikom tworzenie programów ochrony wielu zagrożonych gatunków. To bardzo ciekawe narzędzie, zwłaszcza że dane z ICARUS-a będą już niedługo powszechnie dostępne w ramach projektu „Movebank 2.0”, przygotowanego przez naukowców z Niemiec i z Rosji. ICARUS ma też śledzić pewne migracje i dziwne zachowania dużych skupisk niektórych ptaków oraz nietoperzy, ponieważ podejrzewa się, że może mieć to związek ze zbliżającymi się trzęsieniami Ziemi.

Trzeba jeszcze wspomnieć o eksperymentach na glonach. W 2016 r. niemiecki Fraunhofer-Institut für Molekularbiologie und Angewandte Oekologie IME wysłał na ISS organizmy z rodzaju Sphaerocystis. Wcześniej glony zostały odwodnione i zapadły w stan podobny do hibernacji. Przebywały na stacji w różnych warunkach przez 16 miesięcy; były np. poddawane silnemu promieniowaniu ultrafioletowemu lub wystawiane na temperatury od –22 do 40ºC. Następnie przeniesiono je na wiele miesięcy poza stację, w kosmiczną próżnię. W końcu zabrano z powrotem na Ziemię, gdzie w odpowiednich warunkach odżyły i zaczęły prawidłowo funkcjonować. Niektóre organizmy ziemskie są zatem odporne na ekstremalne warunki panujące na stacji i poza nią. Dowodzi to, że życie potrafi być niewiarygodnie wytrzymałe.

Człowiek

To rzecz jasna jeden z najważniejszych celów badawczych ekspedycji przebywających na ISS. Astronauci nie obserwują jednak ludzi zamieszkujących Ziemię, lecz samych siebie. Trzeba bowiem ustalić, jak zmienia się nasz organizm podczas długotrwałego przebywania poza Ziemią, jak długo bez drastycznego uszczerbku na zdrowiu można przebywać w kosmosie, na co jesteśmy głównie narażeni i jak radzić sobie zagrożeniami. A niebezpieczeństw jest wiele, np. śladowa grawitacja, która osłabia kości, przyspiesza zanik mięśni i dysfunkcję stawów oraz zmienia wydolność układu immunologicznego, a także zwiększone dawki promieniowania kosmicznego, izolacja w niewielkiej przestrzeni i problemy psychiczne wynikające z oddalenia od Ziemi, domu i bliskich.

Ale właściwości ludzkiego organizmu są badane także w inny sposób. W marcu br. na ISS przetransportowano niewielki (rozmiarów telefonu komórkowego) czip tkankowy, wytworzony przez naukowców z Johns Hopkins University, który ma odpowiedzieć na pytanie, jak radzą sobie w kosmosie specyficzne komórki sercowe człowieka (kardiomiocyty, rytmicznie kurczące się pod wpływem impulsów elektrycznych). Badania te mają rzucić światło na procesy starzenia się komórek, ponieważ przebywanie w kosmosie w pewnym stopniu je przyspiesza. Pozwolą też ustalić, czy funkcje ludzkiego serca podlegają istotnym ograniczeniom w warunkach pozaziemskich, np. czy dochodzi w nim do częstych arytmii. To z kolei umożliwi odpowiednie przygotowanie astronautów do przyszłych długich misji.

Badacze z Johns Hopkins University użyli tutaj indukowanych pluripotencjalnych komórek macierzystych (komórki IPS). Posłużyły one do otrzymania kardiomiocytów, które następnie uformowano w tkankę mającą naśladować tę z serca człowieka. Wcześniej już przeprowadzano na ISS podobne eksperymenty z użyciem komórek macierzystych do wytworzenia tkanki kardiomiocytów, ale ich hodowla odbywała się na płaskiej powierzchni, co nie dawało badaczom odpowiedniego wglądu. Obecny czip tkankowy to twór trójwymiarowy, wyhodowany na specjalnym rusztowaniu i funkcjonujący jak prawdziwa tkanka w ludzkim ciele. Niezwykły eksperyment, na którego wyniki niestety będzie trzeba jeszcze poczekać.

Notabene już w 2018 r. na pokładzie ISS znalazły się podobne czipy, tyle że z wyhodowanymi komórkami ludzkiego układu immunologicznego (m.in. szpiku kostnego oraz ścianek naczyń układu krwionośnego). Poddano je początkowo inkubacji, następnie zamrożono i przechowywano. Później przetransportowano z powrotem na Ziemię w celu ustalenia, jak przyspieszone przez mikrograwitację procesy starzenia się komórek wpływają na układ immunologiczny organizmów. Eksperyment przygotowali uczeni z amerykańskich Narodowych Instytutów Zdrowia (NIH, National Institutes of Health).

Fizyka i kosmos

W sierpniu 2017 r. misja SpaceX dostarczyła na ISS skrzynkę wielkości małej lodówki – to tzw. Cold Atom Laboratory (CAL). Urządzenie zaczęło pracować na pokładzie stacji po roku, bo przygotowanie takiego laboratorium, kalibracja laserów i noży elektromagnetycznych trwa długo. Uruchomienie trzeba poprzedzić licznymi testami i próbami i konsultować ich wyniki ze specjalistami na Ziemi. Astronauci nie są zwykle specjalistami w zakresie kriofizyki czy termodynamiki gazów. Wykonują tylko bardzo dokładne instrukcje przekazywane z Ziemi, w tym przypadku z Jet Propulsion Laboratory i California Institute of Technology.

Laboratorium posłuży naukowcom do wykreowania najzimniejszego miejsca we wszechświecie. Zawiera komorę próżniową, lasery i elektromagnetyczny nóż, który ma utrzymywać atomy gazu w komorze tak, by nie stykały się z jej ściankami. W tym małym laboratorium atomy zostają schłodzone do miliardowej części stopnia Kelvina, czyli temperatury 100 mln razy niższej od tej, jaka panuje w najzimniejszych rejonach kosmosu. Dla przypomnienia: temperatura zera bezwzględnego, czyli zera stopni w skali Kelvina, to –273,15ºC. W skrzynce temperatura będzie tylko odrobinę wyższa. W takich warunkach atomy gazu ulegają tak wielkiemu schłodzeniu, że powstaje tzw. kondensat Bosego-Einsteina, egzotyczny stan skupienia materii, w którym przechodzi ona w stan nadciekłości. W kondensacie tym niektóre mocno schłodzone atomy osiągają zerowy stan pędowy, co oznacza, że wszystkie mają taki sam pęd. Wszystkie zachowują się jak jeden atom, poza tym są obserwowane jako fale, a nie cząstki. Od 1995 r. udało się uzyskać kondensat Bosego-Einsteina dla wielu pierwiastków w eksperymentach ziemskich, nigdy jednak nie przy aż tak niskich temperaturach. Poza tym w warunkach ziemskich z powodu grawitacji falowe atomy wchodzące w skład kondensatu mogą być obserwowane jedynie przez ułamek sekundy. W Cold Atom Laboratory można je analizować przez kilka sekund.

Po co to wszystko? Otóż fizycy uważają, że kondensat Bosego-Einsteina dałoby się wykorzystać do budowy komputerów kwantowych. Poza tym niektóre wielkości, np. sekunda czy stała grawitacyjna, mogą być zmierzone znacznie precyzyjniej, jeśli użyje się do tego nie atomów zwykłego gazu, lecz atomów w formie skondensowanej.

Warto wspomnieć o najdroższym badawczym urządzeniu stacji, czyli Alpha Magnetic Spectrometer (AMS). AMS został umieszczony na ISS w 2011 r., co kosztowało, bagatela, aż 2 mld dol. Jest to potężny i skomplikowany detektor cząstek kosmicznych, którego celem jest przede wszystkim poszukiwanie kosmicznej antymaterii. Z prac teoretycznych, poczynionych jeszcze przez ojców mechaniki kwantowej, wynika, że materii barionowej (a więc tej, z której składa się wszystko wokół i my sami) powinno być tyle samo, ile antymaterii (składa się ona niemal z tych samych cząstek, tyle że obdarzonych odwrotnym ładunkiem elektrycznym). Niestety wszystkie nasze dotychczasowe obserwacje i badania kosmosu dowodzą, że we wszechświecie istnieje wyraźna asymetria na linii materia–antymateria, czyli że tej pierwszej jest zdecydowanie więcej. AMS ma więc dokładnie zbadać strumienie cząstek promieniowania kosmicznego i dzięki temu odpowiedzieć na pytanie, jak dużo jest cząstek antymaterii, które docierają z kosmosu w pobliże Ziemi. Za pomocą spektrometru poszukuje się przede wszystkim jąder antyhelu.

Przez osiem lat AMS pracował dobrze, niestety w zeszłym roku zawiódł jego system chłodzenia i trzeba było go wymienić, co stało się celem największej w historii badań kosmosu misji naprawczej, do której doszło na przełomie 2019 i 2020 r. Naprawy dokonała dwójka astronautów z 61. ekspedycji na ISS, co wymagało kilkakrotnego wyjścia w przestrzeń kosmiczną (patrz artykuł „Przejdźmy się wśród gwiazd”, „WiŻ” 4/2020).

Spójrzmy na ISS

Co ciekawe, każdy z nas może na stację popatrzeć, ponieważ w określonym czasie widać ją z każdego miejsca na naszej planecie. Z Polski także co kilka tygodni przez trzy, cztery wieczory. Nieuzbrojonym okiem zobaczymy tylko wyraźny jasny punkt szybko przemieszczający się po niebie. Ale już przez dobrą lornetkę albo amatorski teleskop dostrzeżemy więcej, mianowicie maleńki zarys całej stacji. Obserwacje teleskopowe są utrudnione z racji prędkości obiektu – szybko ucieka on z pola widzenia – trzeba więc umiejętnie i z refleksem operować sprzętem. Każdy, kto chciałby znać dokładne daty i koordynaty pojawienia się stacji na naszym niebie, powinien wejść na stronę spotthestation.nasa.gov.

Przemek Berg
dziennikarz naukowy, związany na stałe z redakcją tygodnika „Polityka”

01.06.2020 Numer 6/2020

Czytaj także

Reklama
Reklama

Ta strona do poprawnego działania wymaga włączenia mechanizmu "ciasteczek" w przeglądarce.

Powrót na stronę główną