ГЭС-2

С небес на Землю.
Как стремление в космос упрощало наш быт и рутину

Мысль человека всегда была устремлена в космос. И к XX веку ученые и инженеры наконец воплотили в жизнь мечты о путешествиях за пределы Земли, заодно подстегнув технологический прогресс. Благодаря им у нас есть селфи, пылесосы, некоторые инструменты спасателей и даже солнцезащитные очки. N + 1 рассказывает, как космические технологии возвращались с небес на Землю. А о том, как люди грезили о космической утопии и порой в ней разочаровывались, — вы можете узнать на выставке «Закат в сто сорок солнц».

[ 1 ]

[ 1 ]

[ 1 ]

Делать цифровые снимки

В 1968 году астронавты отправились к Луне на корабле «Аполлон-8». На тот момент это была самая сложная пилотируемая космическая миссия в истории человечества, которое впервые покинуло гравитационное поле Земли. Тем временем астронавты ориентировались в космическом пространстве с помощью навигационного телескопа и секстанта. Разумеется, современные корабли обладают более продвинутыми навигационными системами, а первые шаги к их созданию были сделаны еще до полета «Аполлона-8».

В 1961 году сотрудник Лаборатории реактивного движения (Jet Propulsion Laboratory, JPL) NASA Юджин Лалли опубликовал свою самую известную научную статью — «Mosaic Guidance for Interplanetary Travel». Инженер предложил определять местоположение в космосе с помощью электрооптических датчиков, подключенных к бортовому компьютеру, которые должна были фиксировать относительное движение звезд и планет. В сущности, Лалли выдвинул идею цифровой фотографии.

Концепция опередила время. В 1960-х люди все еще фотографировали на пленку. Это была понятная и доступная технология, которая, однако, не позволяла мгновенно видеть изображение. В 1975 году компания Eastman Kodak получила первую цифровую фотографию. Прототип камеры отражал идеи Лалли — вместо пленки он использовал CCD-матрицу, которая фиксировала изображение. Eastman Kodak не стала развивать технологию, а вскоре на рынке появились камеры Sony, Canon и Nikon — именно с этими компаниями сейчас ассоциируется цифровая фотография.

В 1990-х годах Лаборатория реактивного движения, где тридцать лет назад работал Юджин Лалли, решала совсем другую задачу. Команде инженеров под руководством Эрика Фоссума необходимо было уменьшить цифровые камеры для установки на космические аппараты. И сделать так, чтобы качество изображения не стало хуже. Задача была нетривиальной, и в успех верили немногие. «Люди говорили мне: „Ты идиот, если работаешь над этим“», — вспоминал Фоссум.

Слово «фотография» пришло в русский язык из французского, а французское photographie образовано от двух греческих слов — φῶς («свет») и γράφω («пишу»). Буквально — рисунок светом.

К тому моменту большинство камер использовали CCD-матрицы. Они обеспечивали необходимое качество изображения, но требовали чересчур много ресурсов. При этом еще в 1967 году инженер Фрэнк Уонласс изобрел перспективную технологию, которая могла бы решить эту проблему — структуру «металл — оксид — полупроводник» (CMOS). Инженеры экспериментировали с CMOS в устройствах для получения изображения, но матрицы, созданные на ее основе, не могли обеспечить достойную картинку.

CMOS-матрица похожа на человеческий глаз. Только вместо палочек и колбочек она использует множество фотодетекторов — пикселей. Они улавливают частицы света (фотоны), которые затем преобразуются в электрический сигнал, который процессор собирает в изображение. Эрик Фоссум усовершенствовал технологию, сделав пиксели активными. Его команда разработала усилитель, который повышал мощность выходного сигнала — изображение обрабатывалось быстрее, качество становилось лучше, а энергии требовалось меньше.

Сегодня CMOS-сенсоры используются, например, в цифровых камерах и смартфонах. Так навигация в космосе стала прологом к истории селфи.

Позже, как Юджин Лалли пишет в материале для журнала Space Times, NASA также использовало его идеи, изложенные в научной статье 1961 года, для создания системы автономной навигации AutoNav. Она позволила космическим кораблям определять относительное местоположение в пределах Солнечной системы, отслеживая движение известных ярких астероидов на фоне звезд. Впервые AutoNav испытали в 1998 году.

[ 2 ]

[ 2 ]

[ 2 ]

Защищать от царапин

Первые солнцезащитные очки современного образца появились в конце XIX века. И с самого начала основным материалом для линз, обеспечивающих защиту глаз от ультрафиолетового излучения, было стекло. Однако в 1972 году Управление по санитарному надзору США постановило, что линзы должны быть ударопрочными.

Производители решили использовать пластик. Он обходился дешевле, был легче и лучше защищал глаза от ультрафиолета. Впрочем, оказалось, что пластиковые линзы, в отличие от стеклянных, быстро покрываются царапинами и солнцезащитные очки приходят в негодность.

На помощь вновь пришли космические технологии: там, где от солнечного света не защищает атмосфера Земли, точно так же нужны солнечные очки. Правда, сперва астронавты пользовались очками, разработанными для ВВС. И только позже NASA разработало собственные линзы, а также устойчивый к механическому воздействию визор для шлема астронавта.

В конечном итоге NASA объединило усилия с компанией Foster-Grant, которая в 1983 году получила от космического агентства лицензию на особое покрытие, защищающее от царапин. Она утверждает, что линзы ее очков служат в 10 раз дольше, чем стандартные пластиковые. Разумеется, если специально не пытаться их поцарапать.

Пластиковые покрытия, будь то визор или поверхность оборудования, покрывали материалом на основе органосиланов — соединений, которые содержат углерод и кремень, образующие прочные связи как с поверхностями, так и друг с другом. Этот слой придавал пластику устойчивость к царапинам, что оказалось кстати как для астронавтов, так и для любителей солнечных очков.

Солнечные очки, которыми пользовался экипаж Аполлон-11
Фото: Smithsonian National Air and Space Museum

[ 3 ]

[ 3 ]

[ 3 ]

Согревать и разрезать

Фольгированное одеяло помогает сохранять тепло — им пользуются врачи, спасатели и спортсмены. Разработка материалов, которые затем легли в его основу, началась в 1964 году. NASA нуждалось в компактном, легком и прочном материале, который бы отражал инфракрасное излучение. Так появилась прочная пластиковая пленка с алюминиевым напылением, предназначанная для космический кораблей, оборудования и персонала. Она могла защищать от инфракрасных лучей или служить пассивной системой обогрева.

В начале 1990-х правительство США запустило комплекс инициатив Technology Reinvestment Program (TRP). После Холодной войны оборонным предприятиям требовалась поддержка, чтобы перенаправить мощности на коммерческий рынок. Эту задачу должны были решить гранты на переориентацию военных технологий на гражданский сектор. В частности, по заказу 40 тысяч пожарных команд NASA вместе с корпорацией Hi-Shear Technology разработала более современный и эффективный инструмент на замену гидравлическим ножницам — резак Lifeshear. Он был на 50 процентов легче аналогов и на 70 процентов дешевле.

Материал использовался практически во всех миссиях NASA. И вскоре ему нашлось применение на Земле — изотермическое одеяло из технологичного материала начали применять в экстренных ситуациях. Например, чтобы быстро согреть или охладить пациентов или людей, пострадавших в несчастных случаях.

Кстати, одеяло — не единственное изобретение NASA, которое позаимствовали работники спасательных служб. Космическая индустрия обеспечила их гидравлическими ножницами, которые также называют jaws of life, «челюсти жизни». Считается, что прототип этого инструмента в 1961 году собрал механик Джордж Херст. Он наблюдал за работой спасателей, которые более часа извлекали водителей из разбитых автомобилей. У «челюстей жизни» были недостатки: инструмент стоил дорого, а тяжелым гидравлическим механизмом порой не удавалось работать достаточно быстро. Поэтому спасателям нужен был более компактный и доступный инструмент.

Инструмент с пиротехническим приводом использовал модифицированную миниатюрную версию силового блока В такой же устанавливается в разделительный механизм ракет-носителей. Инженерам NASA, которые прежде не имели дело с подобным оборудованием, помогали в разработке спасатели — пожарная служба города Торранс, Калифорния.

Летательный аппарат Cassini c теплоизоляционной защитой из космических одеял
Фото: NASA

[ 4 ]

[ 4 ]

[ 4 ]

Бурить и пылесосить

В ходе миссии «Аполлон-15» перед астронавтами стояла важная задача: собрать образцы лунных камней и грунта. Однако материалов с поверхности NASA было недостаточно — нужно было забрать образцы керна. В условиях лунной атмосферы сделать это было непросто, поскольку астронавтам требовалось просверлить отверстие глубиной почти в три метра.

По просьбе NASA компания The Black & Decker разработала сверло для лунного бура — ALSD (Apollo Lunar Surface Drill). Инструмент был портативным — он работал на батарейках, а двигатель обеспечивал минимальное электропотребление. Бур помог астронавтам собрать необходимые образцы. После этого у компании появились и другие коммерческие предложения.

Вскоре компания представила еще одно изобретение, в котором использовала наработки бура для NASA, — портативный пылесос. За первый год The Black & Decker продала миллион экземпляров. Покупатели вряд ли догадывались, что в инструменте для уборки пыли применяются технологии лунной программы.

Бур ALSD
Фото: Smithsonian National Air and Space Museum

[ 5 ]

[ 5 ]

[ 5 ]

Возвращать слух

В апреле 2003 года Адам Киссиа вошел в Зал славы космических технологий США Космического фонда. В 2019 году по всему миру людям было имплантировано примерно 737 тысяч кохлеарных устройств.

В 2023 году рынок кохлеарных имплантов составил 2,3 миллиарда долларов. Эти протезы возвращают людям слух и позволяют слышать даже тем, кто лишен его с рождения. Такая возможность появилась сравнительно недавно — прототип современных кохлеарный имплантов в 1970-х разработал инженер NASA Адам Киссиа.

К тому моменту Киссиа перенес три неудачные операции по восстановлению слуха и ничего не понимал в медицине. Однако технических знаний у него было предостаточно — инженер работал над сенсорами и телеметрией для программы Space Shuttle. Разработкой устройства он занимался прямо на рабочем месте в Космическом центре Кеннеди. Свободное от основной работы время он посвящал книгам по биологии и физике, которые брал в местной библиотеке.

Наконец, в 1977 году при поддержке NASA Киссиа получил патент на кохлеарный имплантат. А спустя несколько лет продал права на технологию компании BIOSTIM. В отличие от стандартного слухового аппарата, который просто усиливает звук, кохлеарный имплантат улавливает и преобразует звук в последовательность электрических импульсов, которые попадают напрямую в слуховой нерв. По сути, имплантат целиком повторяет функцию реального органа.

Кохлеарный имплант, который инженер Космического центра Кеннеди Адам Киссиа разработал благодаря опыту работы в программе Space Shuttle
Фото: Yahoo! Accessibility Lab, CC BY-SA 2.0

Материал подготовила редакция N+ 1