От растворимого кофе до интернета: какими технологиями мы обязаны космосу
Исследования космоса дают человечеству не только новые знания о Вселенной, но и полезные изобретения для жизни на Земле. Некоторые привычные вещи изначально создавались для обслуживания космонавтов, ракет и спутников, а затем стали частью быта. Правда, вокруг таких технологий хватает мифов. Например, знаменитая застежка-липучка появилась до космической эпохи — ее изобрели в Швейцарии в 1941 году, а не на орбите. Космическая гонка лишь помогла ей прославиться: NASA и другие агентства начали применять липучки на борту кораблей и станций, после чего они стали популярны по всему миру. Ниже — про технологии, за которые стоит поблагодарить именно космонавтику.
GPS-навигация
Сегодня миллионы людей пользуются GPS-навигаторами, не задумываясь, что эта система родом из космической отрасли. GPS (Global Positioning System — «глобальная система позиционирования») — это сеть из почти трех десятков спутников на орбите на высоте около 20 200 км и миллионов приемников на Земле. Эта технология родом из военного космоса. Изначально ее разработали в 1970-х для Министерства обороны США: нужно было отслеживать перемещение войск и техники. В 1990-х система заработала для гражданских задач, а с 2000 года точные GPS-координаты стали доступны всем желающим. Сейчас модуль GPS встроен в каждый смартфон. По сигналам со спутников телефон вычисляет свое местоположение с точностью до метров. Люди используют эту технологию каждый день: строят маршруты в навигаторах, ищут ближайшие кафе или следят за пробками.
Собственный аналог GPS есть у России — это система ГЛОНАСС. Она насчитывает 27 аппаратов и несколько наземных станций. Это уже зрелая технология: ее разработкой начали заниматься в 1976 году, а первые спутники запустили в 1982-м. Полного покрытия Земли удалось достичь к 2010 году. Отечественная система почти не уступает заграничным аналогам по точности координат, хотя спутники ГЛОНАСС движутся в трех орбитальных плоскостях, а спутники GPS — в шести.
Есть и другие национальные аналоги этой технологии: европейская Galileo, китайская BeiDou, японская QZSS и индийская IRNSS.
Цифровые камеры в смартфонах
Практически все современные камеры, от профессиональных до тех, что стоят в телефонах, используют CMOS-матрицы. Это крошечные электронные сенсоры, которые превращают свет в цифровое изображение. Их история тесно связана с космосом. В середине XX века в фото- и видеотехнике господствовали аналоговые пленки и первые электронные матрицы CCD. Но для космических миссий требовались компактные и экономичные камеры, способные работать в условиях ограниченной энергии и пространства.
Инженеры NASA нашли решение: в 1960-х они заложили принципы технологии CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor), а в 1990-х довели ее до практического использования. В 1995 году лабораториям NASA понадобилась замена дорогим CCD-матрицам, и результатом исследований стал новый тип сенсора. CMOS-датчик оказался дешевле в производстве и потреблял меньше энергии, поэтому быстро получил распространение во всем мире. Сегодня именно CMOS-матрицы стоят в камерах почти каждого смартфона.
Беспроводные инструменты
Еще полвека назад все дрели, отвертки и пылесосы работали от розетки или имели громоздкие батареи. Поворотным моментом стала лунная программа «Аполлон». Астронавтам требовался легкий переносной бур, чтобы сверлить лунный грунт и забирать образцы породы с глубины. В сотрудничестве с NASA компания Black & Decker в конце 1960-х создала первую в мире аккумуляторную дрель. Этот прибор работал от компактного батарейного блока и мог бурить без проводов.
Технология успешно справилась с задачей на Луне — астронавты получили образцы грунта с глубины нескольких метров. После успеха NASA разработку передали в гражданский сектор. Black & Decker на основе космических наработок выпустила целую линию бытовых беспроводных инструментов. Так появились первые аккумуляторные шуруповерты и ручные пылесосы. Сегодня никого не удивишь дрелью или отверткой на батарейках — такой инструмент есть почти в каждом доме.
Невидимые брекеты
Ортодонтические брекеты — вещь полезная, но долгое время они были заметны невооруженным глазом и доставляли неудобства. Космические технологии помогли сделать брекеты более эстетичными и комфортными. Во-первых, появилась возможность выпускать прозрачные брекеты. Компания, работавшая по контракту с NASA, изобрела особую поликристаллическую керамику — прочный материал, который практически не виден на зубах. Из этой прозрачной керамики в 1980-х сделали первые «невидимые» брекеты, быстро ставшие хитом на рынке стоматологии.
Во-вторых, военный космос подарил брекетам умную проволоку. Раньше дуги для брекетов делали из стали: она гнулась и теряла форму, из-за чего врачам приходилось часто подтягивать систему. В начале 1960-х военные открыли редкое свойство сплава титана с никелем: если проволоку из этого материала согнуть, она вскоре будет стремиться вернуться в исходное положение. Сплав, названный Nitinol (от сочетания формулы NiTi и сокращения названия лаборатории, где был разработан (Naval Ordnance Laboratory — NOL)), передали в NASA, где он с 1970-х широко использовался для антенн спутников, которые должны автоматически раскрываться в космосе.
Теперь его применяют в брекетах: одна эластичная дуга может служить весь период лечения без замены. Пациентам такие «космические» брекеты приносят меньше боли и неудобств, а выравнивание зубов идет быстрее.
Матрасы с эффектом памяти
Пену с памятью формы тоже придумали ради космоса. В 1960-х NASA искало способ защитить астронавтов и летчиков от перегрузок при взлете и посадке. Сначала хотели делать индивидуальные кресла по слепкам тела, но это было слишком дорого и долго. Тогда инженеры разработали универсальный материал – особый пенополиуретан, который под воздействием веса и тепла принимает форму тела человека. Так появился знаменитый Memory Foam. В кораблях и самолетах начали устанавливать кресла с такой набивкой: при ударе или тряске пена гасила энергию и равномерно распределяла давление, повышая шансы экипажа пережить аварии. К тому же сидеть на таком кресле было намного удобнее, чем на жестком.
Через пару десятилетий технология вышла за пределы космодромов и аэропортов. Пенополиуретан с эффектом памяти начали использовать в медицинских подушках, а затем в бытовых матрасах. Такие матрасы идеально повторяют контуры тела, поддерживают позвоночник, не вызывают аллергию. В них не заводится плесень и пылевые клещи, а служат они годами.
Фильтры для воды
Чистая питьевая вода — базовая потребность и на Земле, и в космосе. Однако на космическом корабле каждая капля на счету, ее нужно многократно очищать и использовать заново. В 1960-х, готовясь к длительным лунным экспедициям, советские и американские инженеры пересмотрели подход к «системе водоподготовки». До этого воду на Земле обычно обеззараживали хлором, но он придает питью неприятный вкус и имеет другие недостатки. Для космоса создали и использовали емкости для длительного хранения воды с помощью ионов серебра. Они убивают бактерии так же эффективно, как хлор, зато без побочных эффектов. Технологию вскоре начали использовать в быту, изготовив фильтры — кувшины и насадки, в которых вода проходит через серебряный картридж и становится питьевой.
Подобные изобретения стимулировали развитие целого направления. Со временем появились еще более совершенные методы. Например, в 2000 годах в качестве фильтров научились использовать нанокерамические волокна. Когда вода просачивается через тончайшую сетку из керамики, волокна создают электрический заряд и притягивают даже мельчайшие частицы — вирусы и бактерии. Их размеры слишком малы для механического улавливания, но электрические силы задерживают загрязнения. Настолько продвинутые системы разрабатывали с прицелом на долгие экспедиции и обитаемые базы в космосе. Теперь они находят применение и на Земле.
Солнечные батареи
Солнечные панели сегодня устанавливают на крышах домов и автомобилей, но их путь в массовое применение проложил космос. Первые фотоэлектрические элементы появились еще в 1950-х, однако были слишком дорогими и малоэффективными. Их КПД составлял не более 6%.
Настоящий прорыв случился с началом космической эры. Чтобы спутники и космические аппараты могли работать долго и автономно, инженеры улучшали технологию кремниевых солнечных батарей. Уже советский «Спутник-3», запущенный в 1958 году, нес на борту панельку из фотоэлектрических элементов для питания бортового радиопередатчика. Начиная с 1960–1970-х практически все спутники разных стран снабжаются солнечными батареями. Это стимулировало конкуренцию и быстрый прогресс. КПД панелей рос, а стоимость понемногу снижалась. Постепенно технология созрела для применения на Земле.
Сегодня лучшие образцы кремниевых панелей преобразуют в электричество почти 30% энергии солнечного света — в пять раз больше, чем первые образцы.
Спутниковая связь и интернет
Глобальная связь — еще один подарок космической эпохи. До запуска первых спутников сигнал приходилось передавать по радиорелейкам или кабельным линиям связи. Связать разные континенты было трудно. Все изменилось в июле 1962 года, когда NASA совместно с телеком-компаниями запустило спутник Telstar-1. Этот аппарат первым в истории транслировал живой телевизионный сигнал через Атлантический океан. Миллионы зрителей в Европе и Америке увидели прямую трансляцию благодаря спутнику на орбите. Правда, основной задачей Telstar-1 была ретрансляция телефонных звонков и даже факсимильных изображений. Началась новая эпоха глобальной коммуникации.
Следующий рывок произошел вскоре благодаря развитию компьютерных сетей. В конце 1960-х, на волне холодной войны и космических проектов, в США создали экспериментальную сеть ARPANET — прообраз современного интернета. Изначально сеть связывала университеты и научные центры. Она была проектом Министерства обороны. ARPANET заложила основы протоколов передачи данных, из которых позже вырос Интернет — всемирная сеть, объединяющая сегодня практически все компьютеры и смартфоны. Нельзя сказать, что интернет придумали исключительно для космоса, но исследования космической связи и необходимость обмениваться данными между центрами NASA сыграли свою роль в его становлении.
Сублимированная еда
Многие нынешние продукты, такие как сухие супы, растворимый кофе и протеиновый батончики, обязаны своим происхождением космической индустрии. Речь о сублимированной еде, то есть продуктах, высушенных методом сублимации. Суть метода заключается в следующем: продукт сначала замораживают, а затем помещают в вакуум, где лед испаряется (сублимирует), минуя жидкую фазу. В итоге пища теряет почти всю влагу, но сохраняет структуру и до 95% питательных веществ.
Эта технология, именуемая лиофилизацией (сублимационной сушкой), существовала и раньше, но именно космос дал толчок к ее развитию. В 1970-х годах и США, и СССР начали искать альтернативу тяжелым консервам для космонавтов. Сублимированные продукты весили в разы меньше и хранились годами без холодильника — идеальное решение для длительных космических экспедиций. Уже на орбитальных станциях «Салют» и Skylab космонавты потребляли сушеные первые и вторые блюда, тоже касалось соков, кофе и чая — «просто добавь воды».
Метод прижился: сублиматы до сих пор широко используются в космических экспедициях. А главное — они вышли на общий рынок. Начиная с 1970-х мы привыкли к растворимому кофе, и сегодня совершенно не думаем, каким способом он получен. Сейчас любой желающий может купить сублимированную еду в туристическом магазине или даже в супермаркете.
Космические программы часто оправдывают не только научными открытиями, но и побочными инновациями для земной жизни. Примеры выше показывают: инвестиции в ракеты и спутники окупаются технологиями, которые делают нашу жизнь удобнее, безопаснее и приятнее.
