Как в NASA сделали марсоход Perseverance самым чистым космическим кораблём в истории

Мы, жители Земли, сегодня одержимы идеей чистоты и уничтожения микроскопических вирусов, и здесь, возможно, нам помогут космические технологии, в частности опыт NASA.

30 июля 2020 года – в самый разгар глобальной пандемии коронавируса – NASA запустило на Красную планету марсоход Perseverance стоимостью 2,4 млрд. долл. На этой неделе аппарат, наконец, спустился на поверхность Марса. На Красной планете марсоход Perseverance займётся поисками микроскопической жизни и будет собирать образцы камней и почвы, которые когда-нибудь (пока не известно, когда) будут отправлены обратно на Землю для дальнейшего изучения.

Но одно нам известно наверняка – что марсоход не привезёт на Марс микроскопические земные организмы.

Способы очистки, санитарные процедуры и методы стерилизации, внедрённые в практику NASA несколько десятилетий назад, гарантируют, что на марсоходе не будет практически ничего, что может потенциально сделать эту космическую миссию опасной по отношению к соседней к нам планете.

"Вирусы, кишечные палочки, всё то, что, скапливается на нашей коже, – всё это маленькие убийцы", – говорит Мугега Стрикер (Moogega Stricker), инженер NASA по планетарной защите в Лаборатории реактивного движения в г. Пасадене. Программа была запущена семь лет назад, и, по её словам, за это время NASA сделало всё возможное, чтобы сделать космический аппарат устойчивым к любым загрязнениям.

С самого начала пути, когда мы только начали совершать путешествия в открытый космос, мы поставили себе цель спасти космос от земных бактериальных загрязнений.

"Наша планета – это целое скопище бактерий, – говорит Стрикер. И наша задача состоит в том, чтобы защитить Марс от нас [людей]".

Как создавалась чистая комната

Планетарная защита – это концепция предотвращения биологического перекрёстного заражения для защиты наших небесных соседей от нас и защиты от любых загрязняющих веществ, которые мы можем привезти с собой на Землю из космических путешествий.

Зимой 1967 года – более чем за два года до того, как Нил Армстронг впервые ступил на поверхность Луны, Соединённые Штаты Америки, Советский Союз и Великобритания подписали "Договор по космосу". С тех пор этот договор подписали более 100 других стран.

Помимо запрета на использование ядерного оружия в космосе и запрета странам оккупировать планеты в Договоре говорится, что подписавшие его страны обязаны "проводить исследования [Луны и небесных тел], чтобы избежать их вредного загрязнения".

Необходимость в определении такого условия в основном обусловлена двумя причинами. Первая причина – чисто научная.

Но откуда нам может быть известно, что именно мы на самом деле обнаружили? Ведь это может быть как что-то внеземное, так и просто ворсинка от чьих-то земных джинсов Levi’s!

Вторая причина – этическая. Наш земной опыт свидетельствует о том, что наши экосистемы в высшей степени восприимчивы к изменениям. Перенося микробы, даже считающиеся безобидными, в мир, в котором эти микробы никогда не обитали, мы можем, сами того не желая, уничтожить этот мир.

После запуска первого спутника Земли в 1957 году, открывшего космическую эпоху, NASA в попытках защитить космос пробовало применять самые разные подходы, и на этом пути его ждали как успехи, так и ошибки.

В 1959 году – как раз в то время, когда NASA готовило свои первые пилотируемые полеты в космос, – изданное Агентством распоряжение призывало к полной "стерилизации" всех предметов, запускаемых в космос. Проще говоря, это значило, что все микроорганизмы, находящиеся внутри или снаружи космического корабля, должны были быть уничтожены или любым способом удалены. За образец NASA взяло опыт предприятий пищевой промышленности, так как эти предприятия имели значительный опыт борьбы с загрязнениями.

Этот шаг оказался не слишком продуманным.

Во время реализации программы непилотируемых космических миссий "Рейнджер" в начале 1960-х годов NASA пыталось придерживаться правил полной стерилизации, подвергая космические аппараты интенсивной тепловой обработке, убивающей всё живое.

"Аппараты подвергались… очень жёсткой тепловой обработке", – вспоминает Эрик Конвей (Эрик Конвей), сотрудник Лаборатории реактивного движения NASA в г. Пасадене, штат Калифорния. Проблема была решена, но какой ценой! Она породила другую, более серьёзную проблему. "Тепловая обработка оказывала пагубное воздействие на электронные системы", – говорит Конвей.

Многие комментаторы называли жёсткую тепловую обработку космических кораблей причиной того, что у космических аппаратов "Рейнджер" возникали проблемы с функционированием (хотя никаких документальных подтверждений этому нет до сих пор).

NASA признаёт, что, по всей видимости, в результате слишком мощной тепловой обработки электронных систем космического аппарата "Рейнджер 3" этот аппарат на пути к Луне "промахнулся" на десятки тысяч миль, а расплавление микроскопических частиц, скопившихся внутри аппарата "Рейнджер 4", привело к тому, что он столкнулся с Луной. У аппарата "Рейнджер 5" была обнаружена неисправность системы питания.

После запуска NASA программ "Меркурий" и "Аполлон", то есть программ пилотируемых миссий, проблема стерилизации и борьбы с загрязнениями отошла на второй план, так как более важной стала проблема загрязнения Земли чем-то опасным, что мы можем привезти из космоса. В 1962 году Карл Саган писал о "призрачной возможности того, что исследователи Луны могут привезти с собой на Землю смертоносные организмы, способные уничтожить жизнь на Земле".

Правительство выделило около 8 млн. долл. на строительство Биологического карантинного комплекса LRL для астронавтов, прибывших с Луны, в котором в карантине находились бы не только астронавты, но и образцы лунного грунта, которые они собрали во время путешествия, чтобы убедиться, что они не станут причиной уничтожения жизни на Земле.

Как и следовало ожидать, на Луне не оказалось веществ, которые могли бы представлять опасность для нас, землян. С этими выводами, правда, не согласны авторы научно-фантастических произведений.

После свёртывания в 1970-х годах (на данный момент) пилотируемых миссий на Луну мы начали посылать космические корабли в более отдалённые уголки Солнечной системы. Соответственно, инженеры и учёные NASA большее внимание стали уделять гигиене космических кораблей, обратившись на этот раз за помощью к предприятиям оружейной отрасли.

Идея создания чистых комнат была предложена в последние годы программы "Рейнджер", суть которой состояла в запуске ракет на Луну. Идея была простой: легче не дать микробам проникнуть внутрь, чем избавляться от них, когда они уже внутри.

Лаборатория реактивного движения в г. Пасадене, открытая в 1961 году, до сих пор занимается проектами создания роботизированных космических аппаратов NASA. В этой лаборатории также были созданы первые чистые комнаты NASA. В 1973 году чистая комната High Bay 1 в Лаборатории реактивного движения (JPL) стала чистым помещением класса 10 000, другими словами, в ней содержится менее 10 000 частиц размером 0,5 микрона (что примерно в 200 раз тоньше человеческого волоса) или частиц, больших по размеру, на кубический фут воздуха в помещении.

NASA позаимствовало эту концепцию у предприятий по производству вооружения. "Ракеты также должны содержаться в чистоте. Они летят с очень высоким ускорением, и внутри отсеков для электрооборудования не должно быть никаких взвешенных частиц, которые могут где-нибудь застрять", – говорит Конвей.

При создании чистых комнат NASA использует системы детального мониторинга, мощные системы фильтрации, постоянной обработки дезинфицирующими средствами, перекисью водорода и спиртом, а также применяет тщательно продуманные процессы дезинфекции тех людей, которым приходится там работать (эти люди должны носить защитные комбинезоны, маски и сетки для волос).

И это не все требования. Есть ещё более строгие.

"Технические специалисты и инженеры, которые работают в комнате, должны принимать душ накануне вечером, чтобы на их коже не образовывались масла и чтобы частички кожи не отслаивались и не попадали в окружающую среду, – говорит менеджер по оборудованию High Bay 1 Роджер Фрэнсис (Roger Francis). – И, естественно, никаких духов, шампуней, лосьонов и дезодорантов… так как существует вероятность того, что летучие соединения (химические соединения с низкой температурой кипения) могут конденсироваться на металлических трубках".

Начиная с 60-х годов прошлого века все беспилотные космические аппараты NASA, которым предстояло совершить важные миссии, выдерживались в чистой комнате High Bay 1, а затем в чистой комнате High Bay 2 (которая в 1974 году была превращена в чистую комнату). Именно такую процедуру прошли космические аппараты "Вояджер 1", "Вояджер 2", орбитальный аппарат "Галилео", марсоход Curiosity, запущенный в 2011 году, а также новый марсоход Perseverance.

Марс должен оставаться чистым

Мугега Стрикер большую часть времени в течение последних лет провела в Лаборатории реактивного движения.

"Я всюду следую за космическими кораблями", – пошутила она в интервью Popular Mechanics ещё в мае 2020 года. До запуска оставалось  ещё чуть более двух месяцев, и на тот момент NASA завершила подготовительные работы на 95 %. "Но оставшиеся 5 % – это всё равно очень много".

Оставшиеся подготовительные работы включали непрерывное тестирование и отбор проб материалов, чтобы удостовериться в их чистоте. На данный момент с космического аппарата  собран 11 601 влажный мазок (swabs) и взяты 2543 обычных мазка (wipes) (это два разных метода сбора, поясняет Стрикер). Для сравнения: за весь период выполнения миссии Curiosity 2011 года было собрано 3208 влажных мазков и 942 обычных мазка.

Пандемия внесла изменения в работу Стрикер, в основном личного характера. По её словам, она как руководитель группы стала затрачивать гораздо больше времени на планирование графика работ, чтобы убедиться, что люди не вступают друг с другом в контакт, если в этом нет необходимости, и что в нерабочее время все сотрудники соблюдают нормы безопасности. "Себе мы стали уделять такое же внимание, как и нашему космическому кораблю", – шутит она.

Сегодня NASA знает, что уничтожить все микроорганизмы практически невозможно. "Мы не строим полностью стерильный космический корабль. Это совершенно невозможно, – говорит Стрикер, но практически [на космическом аппарате] микробов остаётся так мало… что, если их собрать все вместе, они едва смогут закрыть объектив камеры вашего мобильного телефона".

Такая степень чистоты достигается за счёт использования чистых комнат (как в Пасадене, так и во Флориде), а также за счёт применения более простых методов, сходных с теми, к которым мы привыкли за последние несколько месяцев. "Всегда все протирайте и дезинфицируйте изопропиловым спиртом, – говорит Стрикер. – Не важно, нравится вам это или нет, – протирайте в любом случае. Это должно стать вашей второй натурой".

Также применяется способ, который NASA использует уже несколько десятилетий. "Большую часть компонентов мы [подвергаем тепловой обработке] при 110 градусах по Цельсию (230 градусов по Фаренгейту) в течение 144 часов. Это несколько недель. Так что да, и в самом деле, мы убиваем микробов огнём", – говорит Стрикер.

Но что беспокоит NASA больше, чем обычные микробы (или вирусы), – это бактериальные эндоспоры, которые в основном исходят от нас, людей. Они обитают во внутренностях людей (и животных). Одной из наиболее известных бактериальных эндоспор является та, которая может вызывать ботулизм. "Эндоспоры – это покоящиеся формы бактерий, которые могут оставаться в бездействующем вегетативном состоянии… до 10 миллионов и даже более лет. Они очень выносливые", – говорит Стрикер.

Также существует проблема, связанная с изменением окружающей среды. Перед запуском космический корабль должен был перемещён из Лаборатории реактивного движения в Пасадене в Космический центр Кеннеди на юго-востоке штата Флорида, то есть в место, в котором присутствуют другие типы микробов. "Всё, что мы отслеживаем во внешней среде, может проникнуть на корабль, – говорит Стрикер, – и мы должны быть к этому готовы". Калифорнийские микробы отличаются от флоридских – обычно они обитают в сухой, пустынной среде, во Флориде же – другие микробы, чаще встречающиеся во влажной среде".

У Стрикер вызывают беспокойство возможные пилотируемые полёты на Марс, которые могут произойти уже в ближайшее десятилетие. Её беспокойство объясняется тем, что никаких способов контролировать популяции микробов и бактерий, выделяемых человеческим телом, пока не придумано. Людей нельзя подвергать ни тепловой обработке, ни запирать в чистой комнате, ни протирать спиртом десятки тысяч раз. В конце концов, все мы состоим из органических веществ.

Защита Марса от людей на практике может оказаться гораздо более трудной задачей, чем задача просто высадиться там. Но, независимо от того, каким способом люди туда попадут, NASA в очередной раз сделает то, что оно всегда делало отлично: адаптируется к изменяющимся условиям, чтобы достичь цели, ранее казавшейся невозможной.

Узнайте подробности, как получить Level Up по навыкам и зарплате или востребованную профессию с нуля, пройдя онлайн-курсы SkillFactory со скидкой 40% и промокодом HABR, который даст еще +10% скидки на обучение.

• Профессия Data Scientist

• Профессия Data Analyst

• Курс по Data Engineering