10 изобретений для космоса, изменивших жизнь на Земле
Молнии и липучки
Сложно поверить, но привычные застежки — молния и липучка — своей популярностью во многом обязаны космонавтике. Но их история началась далеко не в космосе.
Первую молнию, точнее «застежку для обуви», разработал американский инженер Уиткомб Лео Джадсон в 1891 году. Публика увидела изобретение в 1893 году, но конструкция оказалась ненадежна. Джадсону пришлось найти партнеров, один из которых пригласил инженера шведского происхождения Гидеона Сундбэка доработать механизм застежки. В 1917 году, после нескольких усовершенствований, версия, максимально похожая на современную, получила патент. Первая неудачная попытка усложнила процесс внедрения, но позже все наладилось: уже в 1918 году продали 24 000 застежек для денежных поясов военных моряков.
Дальше новинку приметили дизайнеры: Эмиль-Морис Эрме, один из потомков основателя модного дома Hermès, предложил использовать молнию при производстве сумок, а Эльза Скиапарелли первой применила ее в одежде. Но настоящий бум на застежки-молнии случился во времена освоения космоса. Например, скафандр модели A7L с проходящей от паховой области до шеи молнией был на Ниле Армстронге в экспедиции «Аполлон-11».
А вот липучка появилась благодаря случаю: в 1941 году инженер Жорж де Местраль вернулся с прогулки с собакой и, очищая шерсть питомца от репейника, решил рассмотреть головки растения под микроскопом. Оказалось, причиной цепкости репейника являются маленькие крючки. Так зародилась идея, на реализацию которой ушли годы. Жорж запатентовал липучку в 1955 году. Первыми новинку оценили космонавты, которые используют застежку не только в одежде: на МКС стены покрыты тканью с микропетлями, а чтобы держать предметы на местах, к ним приклеивают небольшие кусочки материи с крючками. Это и есть составные части липучки.
Так совсем не космические разработки сначала освоили космос, чтобы потом принести пользу на Земле.
Беспроводные ручные пылесосы
В условиях космического полета и ограниченного пространства особенно ценятся предметы без проводов. Современная техника на батарейках и аккумуляторах обязана своему появлению развитию космической отрасли. А у ручных пылесосов особая история.
В начале 60-х годов ХХ века, когда планировалась программа космических миссий «Аполлон», команда NASA искала технологии, которые позволили бы астронавтам собрать образцы грунта с поверхности Луны. Представить, что от космического корабля тянется провод от громоздкой буровой машины или мощного пылесоса, было невозможно, к тому же это было бы небезопасно. Совместно с инженерами компании Black & Decker ученые NASA поработали над эргономичностью аппаратов и сделали их беспроводными за счет работы на батарейках.
Позже компания Black & Decker продолжила применять технологию для производства бытовой техники, включая автомобильные пылесосы, дрели и т. д. В 1961–1962 годах на рынке появилась первая в мире аккумуляторная дрель, работающая на никель-кадмиевой батарее. К концу 1962 года модельный ряд дрелей пополнился четырьмя экземплярами, а кроме того, компания стала производить беспроводные газонокосилки.
За выдающиеся успехи и участие в создании аккумуляторных приборов для программ NASA «Джемини» и «Аполлон» компания Black & Decker удостоена места в Зале славы NASA в США.
Интересно, что iRobot Corporation, один из самых популярных производителей современных напольных роботов-пылесосов, начинал с космических разработок и сотрудничал с NASA.
Когда в следующий раз будете пылесосить салон автомобиля, клавиатуру или собирать крохотным пылесосом крошки со стола, вспомните, что у этого изобретения есть космические корни.
Фильтры для воды
Вода — основа жизни. Пока ни на одной другой планете жизни не обнаружено, а длительные космические экспедиции не позволяют взять с собой огромные запасы воды, ведь на счету каждый килограмм. Но безвыходных ситуаций не бывает: так появились фильтры для воды.
В 50-е годы ХХ века появилась еще одна легендарная разработка NASA, позволившая преобразовывать грязную воду в пригодную для питья. Принципиально новым в фильтрах для воды, установленных на МКС, стало использование ионов серебра, безопасных для человека, так как очистка хлором для этих нужд не подходила. Серебро позволяет нейтрализовать болезнетворные бактерии и предотвратить их дальнейший рост.
Позже, в 1970-х годах, в NASA стали использовать систему, перерабатывающую использованную воду в пригодную для повторного употребления. Очистка воды в таком случае происходит на базе процесса обратного осмоса, что позволяет удалять из жидкости частицы с размерами 0,0001-0,001 мкм. Так можно очистить и морскую воду от соли. Правда, медики не рекомендуют ей увлекаться, так как полезных минералов в такой воде тоже не остается.
В итоге астронавты во время экспедиции пьют воду, получаемую из жидкости, выпитой ими ранее. Согласно расчетам NASA, в 12-месячной экспедиции на каждого члена экипажа МКС в среднем необходимо по 730 литров питьевой регенерированной воды. Круговорот воды в замкнутом пространстве.
Технологии не стоят на месте: в 2013 году миру была представлена бутылка для воды с системой фильтрации ÖKO на базе разработок NASA. Трехуровневая фильтр-система внутри этой бутылки, по заявлениям разработчиков, превращала сладкую газировку в чистейшую воду. В ходе публичного эксперимента выяснилось, что фильтр не всемогущ, а жидкость остается сладковатой. Но если пропускать через фильтр не газировку, то аппарат должен работать. В продажу, правда, он так и не поступил.
Последние 20 лет методы тканевой инженерии активно используются в исследованиях по изучению воздействия невесомости и космической радиации на организм человека. Глубокое погружение в этот вопрос позволило понять, что и тут космос поможет совершить прорыв на Земле.
Невесомость создает благоприятные условия для формирования сфероидов (строительных материалов для биопечати) из клеток и для их слияния между собой. Ученые предполагают, что созревание напечатанных тканей и органов в условиях невесомости будет происходить намного быстрее и эффективнее.
В условиях земной гравитации используют послойную биопечать, а в космосе можно применить магнитную биопечать. Ранее несколько научных групп смогли получить тканевые сфероиды с помощью магнитного воздействия, что легло в основу разработки принципов использования нанотехнологий для биопечати сложных тканей и органов.
Российская компания 3D Bioprinting Solutions, основной инвестор которой — «Инвитро», разработала новый подход к магнитной трехмерной биопечати. Ученые выяснили, что помещенные в неоднородное магнитное поле тканевые сфероиды формируют биоконструкт более эффективно. В настоящее время компания проводит первый в мире эксперимент по магнитной биопечати на орбите на магнитом 3D-биопринтере, который отправили в космос в начале декабря.
Результаты эксперимента можно будет оценить после возвращения напечатанных тканей и органных конструктов на Землю и проведения гистологических исследований. И уже начале 2019 года они будут обнародованы. В случае успеха эксперимент позволит усовершенствовать технологии трехмерной биопечати. Вместо твердых биодеградируемых каркасов будут магнитные поля. Это даст возможность печатать сложные по строению ткани и органы, а также позволит проанализировать процессы тканевого метаболизма в условиях космического полета. В будущем это поможет совершать космонавтам длительные перелеты, и будет востребованным в сфере трансплантологии и позволит испытывать влияние лекарственных препаратов на распечатанные образцы тканей. Например, можно будет протестировать влияние препаратов на злокачественные опухоли, взятые у человека и распечатанные на принтере.
Космические разработки обладают огромным запасом потенциала и еще не раз внесут изменения в нашу жизнь. Дальше — только интереснее.
Очиститель воздуха или скруббер
Благодаря разработкам для МКС произошла настоящая революция в системах очистки воздуха для больниц, школ, офисов, домов и других помещений с внутренней системой кондиционирования воздуха.
Проблема замкнутой или частично замкнутой системы кондиционирования, когда по помещениям циркулирует один и тот же воздух, к сожалению, обусловлена прогрессом, строительством высотных зданий, улучшенной теплоизоляцией и т. д. Особенно тяжело находиться в подобной обстановке людям, страдающим астмой или аллергией. В стандартных системах кондиционирования нередко забывают менять фильтры — различные аллергены, пыль, плесень и бактерии оседают на стенах и приводят к возникновению неприятного запаха и развитию заболеваний.
Настоящую революцию в очистке воздуха произвело изобретение скруббера — аппарата, способного отфильтровать воздух до практически стерильного состояния без использования химических реагентов. Технология Airocide, которая позволяет очищать даже поверхности в помещении (например, столы в пищевых зонах или сидения унитазов), сокращая загрязнения до 99%, была разработана NASA для МКС. Необходимость в таком устройстве появилась, чтобы избавить воздух от этилена, вырабатываемого растениями. С 1998 года прибор стали в качестве эксперимента устанавливать в продуктовых магазинах, а с 2003-го — в медицинских учреждениях. Одноименный бытовой очиститель воздуха — Airocide — поступил в продажу в 2013 году.
На базе технологии NASA была разработана новая система ActivePure, которая легла в основу устройства Air Scrubber Plus. Производители уверяют, что его легко подключить практически к любой системе отопления и охлаждения. Принцип работы скруббера основан на соединении УФ-излучения, кислорода, молекул воды, пропускаемых через соты, покрытые диоксидом титана и другими металлами, вступающими в реакцию. Дополнительная очистка воздуха происходит за счет окисления ионами супероксида, гидроксила и перекиси водорода.
Так МКС поделилась с человечеством одним из самых жизненно важных изобретений, позволив дышать полной грудью.
Автомобильные шины по типу конструкции делятся на диагональные и радиальные. Последним отдается предпочтение, так как они способны выдерживать более 70 000 км пробега. Но так было не всегда: прочные и износостойкие шины миру подарила экспедиция на Марс.
Космическая программа NASA по изучению Марса готовилась с конца 60-х годов, а запуск с мыса Канаверал состоялся в 1975 году. Миссия получила название «Викинг» и включала отправку двух идентичных аппаратов «Викинг-1» и «Викинг-2» на орбиту и поверхность планеты. При работе над созданием космических аппаратов ведомство сотрудничало со знаменитым производителем шин — компанией Goodyear. Специалистам предстояло разработать ультрапрочные парашютные стропы для высадки на Красной планете.
Волокнистый материал строп стал в итоге базой для производства современных радиальных шин. Он в пять раз прочнее стали, что позволило увеличить пробег резины до 16 000 км. Изобретатели рассчитывали на более короткий срок службы, так что испытания в космосе их приятно удивили.
Секрет радиальных шин кроется в расположении нитей корда под углом 90º вдоль всего шинного протектора, а сталью усилены места сцепления с поверхностью. В наше время практически все заводы выпускают легковые автомобили с радиальными шинами.
С прошлого года NASA снова тестирует новый сверхэластичный материал для миссий на Марс, а использовать его можно будет и на Земле. Конструкция выполнена из сплава металлов, обладает эффектом памяти (первоначальной формы) и способна выдерживать высокие нагрузки. Эластичная она потому, что может менять свою жесткость, контролируя количество передаваемой транспорту энергии.
Сублимационная сушка продуктов
Космические технологии «приложили руку» и к пищевой промышленности. Растворимый кофе, ягоды в сухих завтраках и многое другое проходит процесс лиофилизации, прежде чем попасть к нам в чашки и на тарелки. Технология сублимационной сушки была известна задолго до освоения космоса, но использовалась в основном в медицине, а вот космическая отрасль перенесла метод в пищевую сферу.
В условиях микрогравитации нужно было придумать такой способ питания, при котором еда бы не разлеталась по внутренним помещениям корабля. Помимо того, что это просто неудобно, это еще и опасно, ведь частички пищи могут попасть в дыхательные пути и механизмы. Такая пища должна иметь долгий срок хранения при больших колебаниях температур, а также оставаться безопасной, питательной и вкусной.
Перед стартом космической программы «Аполлон» NASA, по одним данным, сотрудничала с крупнейшим в мире производителем продуктов питания — компанией Nestle. По другой информации, компания Whirlpool произвела первое обезвоженное мороженое как раз для миссии «Аполлон». Как бы там ни было, исследователи в ходе экспериментов применили способ сухой заморозки, основанный на свойстве льда испаряться, минуя жидкую фазу. В результате происходит дегидратация исходного продукта, подверженного шоковой заморозке, с минимальной усадкой, а дальнейшая вакуумизация позволяет сохранить его вкус, запах и питательные свойства. Перед употреблением в еду надо «просто добавить воды».
Технология лиофилизации позволяет закрыть в тюбике с космическим питанием практически любое блюдо — даже супы, котлеты и каши. Приготовленные таким методом блюда и продукты можно хранить до пяти лет при колебаниях температур от -50 до +50°С. Рацион американских астронавтов в настоящее время на 50% состоит из сублимированных продуктов, а вторая половина приходится на полуфабрикаты.
Так технология сублимационной или лиофильной сушки попала и в наш рацион. Быстрорастворимый кофе, производство которого основано на этом методе, сегодня есть в каждом доме.
Инциденты на МКС не редкость, и безопасности экипажа уделяется особенно пристальное внимание. Космическая индустрия подарила нам огнеупорную краску и датчики дыма. Последние появились задолго до покорения космоса, а вот современный компактный и едва заметный вид обрели благодаря разработкам для астронавтов.
Случилось это в 1970-х годах, когда специалисты NASA совместно с компанией Honeywell, специализирующейся на электронных системах управления и автоматизации, разработали компактную версию датчика дыма. Подобные детекторы обеспечивали пожарную и газовую безопасность на борту «Скайлэб» — первой и единственной орбитальной станции США.
Новинка работала на самозаряжающейся никель-кадмиевой батарее, а также имела несколько уровней чувствительности во избежание ложного срабатывания. С помощью датчика экипаж мог узнать о возгорании или о присутствии токсичных газов в атмосфере корабля.
На счету космической индустрии еще одна противопожарная разработка — огнеупорная краска. Корпорация AVCO придумала защитный материал для запуска капсулы «Аполлон», чтобы ее обшивка не расплавилась при вхождении в плотные слои атмосферы. Покрытие было создано из материала, который при нагревании расширяется, сгорает и рассеивает тепло. Позднее на его базе разработали краску с аналогичными свойствами. Теперь такой краской покрывают несущие конструкции высотных строений, печи, мангалы и многое другое.
Так космические технологии помогают обеспечивать безопасность и на Земле.
Лазерная коррекция зрения
Операция по лазерной коррекции зрения считается несложной, но вы удивитесь, когда узнаете, что основана она на принципе стыковки космических кораблей.
Название технологии лидар (LIDAR — англ. light identification, detection and ranging, то есть «обнаружение, идентификация и определение дальности с помощью света») стало именем нарицательным. Она помогает получить информацию об удаленности объектов с помощью активных оптических систем, использующих явления поглощения и рассеивания света в оптически прозрачных средах, с точностью до миллиметра.
В 1960-х лидар с лазерными излучателями стали использовать для исследования атмосферы. А в 1969 году его установили на «Аполлоне-11», чтобы оценить расстояние от Земли до Луны. Доставленные в эту миссию «мишени», оставленные на поверхности Луны, до сих пор используют для наблюдений за ее орбитой.
На лидарах основаны системы космической стыковки, их нередко используют в геодезии и картографии для оценки поверхности Земли, а также для измерения глубины моря, спасения людей, предупреждения лесных пожаров и многого другого.
Пригодился LIDAR и в медицине: раньше во время операции по коррекции зрения хирурги с помощью видеокамер направляли лазер на нужные участки роговицы, но глазное яблоко человека совершает огромное количество не улавливаемых камерами микродвижений. Иногда операцию приходилось останавливать из-за повышенного риска. Технология космической стыковки позволила решить эту проблему, так как с ее помощью лазер сам ловит перемещения глаза и позволяет не навредить пациенту.
Так технология для стыковки космических кораблей стала настоящим прорывом в офтальмологии и помогла многим людям навсегда решить проблемы со зрением.
Роботизированная рука Canadarm
13 ноября 1981 года космический челнок Columbia доставил на орбиту одну из самых амбициозных разработок канадских ученых Canadarm. Длина манипулятора составляла 15,2 м, диаметр — 38 см, а вес — 410 кг. Механическая рука была даже маневреннее человеческой, все три «сустава» имели шесть степеней свободы, то есть могли двигаться вперед/назад, вверх/вниз и влево/вправо.
Первый Canadarm и его потомки, Canadarm 2 и Dextre, в значительной степени помогли в строительстве и эксплуатации Международной космической станции. Роботизированные руки доставляли оборудование в нужную позицию, с помощью камер обеспечивали детальный контроль за процессом и даже «держали» человека в скафандре.
После 30 лет успешной работы в космосе технология механической руки нашла применение и на Земле. Манипуляторы используются для работы на атомных электростанциях, дистанционного обслуживания линий электропередач, очистки радиоактивных и других опасных отходов. Но революцию Canadarm совершила в области медицины: на базе этой системы создали роботов-ассистентов для хирургических вмешательств.
В 2008 году компания MD Robotics совместно с исследователями из университета Калгари создали манипулятор NeuroArm, предназначенный для операций на мозге. В 2014 году канадские ученые разработали IGAR — автономную хирургическую платформу для диагностики и лечения рака груди. Робот собирает информацию, которую можно проанализировать с помощью прибора МРТ. Еще через год Synaptive Medical представили робот-микроскоп BrightMatter Drive, а позже его усовершенствованную модель Modus V. Эти роботизированные системы позволяют получить детальное изображение внутренних органов пациента и повышают точность операций.
Так космическая технология Canadarm стала шагом в будущее, где врач сможет положиться на робота-ассистента, а сложные операции будут выполняться с нечеловеческой точностью.
Современные исследования показывают, что человек забывает около 70% увиденной и услышанной за день информации. Предлагаем вам пройти тест и закрепить знания о важных космических изобретениях, чтобы лучше понимать нашу жизнь и при случае блеснуть эрудицией в кругу друзей.
Источник