Удивительным образом на Хабре оказалась не затронута одна из крупнейших околокосмических новостей уходящего января: в Китае была создана микрогравитационная камера высотой 60 см, гравитация в которой уменьшена в 6 раз относительно земной. Этот симулятор, возведенный в городе Сюйчжоу, оборудован мощными магнитами. Установка работает по принципу, предложенному еще в 2000 году голландским физиком российского происхождения Андреем Геймом. Впоследствии, в 2010 году, Гейм получил половину Нобелевской премии по физике за исследование свойств графена, а в 2000 году был удостоен Шнобелевской премии за то, что при помощи магнитной левитации поднимал в воздух подопытных лягушек. Тот же самый принцип действует и в новоиспеченной китайской «микролуне». Пока камера настолько мала, что человек в ней просто не помещается, тем более – в скафандре. Китай, планирующий в 2030 году отправить на Луну пилотируемую экспедицию, пока тестирует в этой камере приборы и простейшую физику. Лиха беда начало.
Сначала я думал написать именно об этой конструкции, но в итоге у меня получилась статья, которая рассказывает не о самой китайской микролуне, а о феномене микрогравитации и его важности в прикладной науке. Микрогравитация всегда оставалась не только драгоценным, но и короткоживущим ресурсом, а важность условий микрогравитации для развития науки сложно переоценить. Именно об этом и пойдет речь в статье.
Мне показалось, что, сконструировав «симулятор Луны», Китай создал технологию и устройство-прототип не столько для подготовки пилотируемой лунной экспедиции, сколько для решения не менее важных задач, а именно для физико-химических опытов в условиях сниженной гравитации. В данном случае особенно важны опыты, связанные с выращиванием кристаллов и ранее проводившиеся в основном на орбите: в космической лаборатории Скайлэб и на МКС. Эта область фундаментальных исследований разрабатывается примерно с середины 1970-х. Здесь я сделаю краткий исторический обзор проблемы и обрисую, как подобные кристаллографические эксперименты постепенно распространились из физики и материаловедения в биологию и медицину.
Высококачественные кристаллы органических молекул могут способствовать разработке и открытию новых лекарств, уточнению сложных химических формул. Возможно применение растворов таких молекул и в агрономии, для получения новых веществ, усиливающих рост растений.
Аналогичные кристаллы, относящиеся к неорганике, могут помочь в электронике, обнаружении различного излучения и в металлургии.
В целом именно органические кристаллы, выращенные в микрогравитации, и фармацевтическое направление их использования, представляют больший интерес и уже дают первые результаты, поэтому именно этим вопросам я уделю основное внимание. Но начнем с того, что получить микрогравитацию на Земле очень сложно.
Как получить микрогравитацию на Земле
На Земле или вблизи от нее практически недостижима истинная микрогравитация. Например, на Международной Космической Станции, орбита которой проходит примерно в 400 километрах над уровнем моря, испытывает примерно 90% гравитации от той величины, что действует на нас на суше – это даже не миллигравитация. Невесомость на МКС возникает не потому, что станция очень далеко от Земли, а потому, что она фактически находится в состоянии непрерывного свободного падения. В результате воспринимаемое ускорение в центре тяжести МКС составляет около 10−6 от аналогичной величины на Земле. Поскольку орбита МКС стабильна, на станции удается в течение длительного времени воспроизводить такие процессы, которые на Земле могли бы поддерживаться на протяжении слишком кратких промежутков времени и, следовательно, не дошли бы до завершения. Одним из таких процессов является кристаллизация макромолекул.
Кристаллизация макромолекул – это процесс получения упорядоченной трехмерной решетки из крупных органических молекул (в частности, белковых). При успешной кристаллизации такие молекулы хорошо поддаются дифракции с использованием рентгеновских лучей или нейтронов. В результате удается хорошо «просветить» их структуру, получая информацию о биологических свойствах и молекулярных взаимодействиях белков. Чем выше степень упорядоченности кристалла, тем больше информации можно из него извлечь. На процессы кристаллизации при изменении ускорения влияет ряд фундаментальных процессов, относящихся к физике жидкостей: в частности, перенос макромолекул в растворе, образование зародыша кристалла (нуклеация), рост кристалла и седиментация. Другие силы, в частности, броуновское движение молекул и межатомные взаимодействия, напрямую не зависят от гравитации. Но кристалл, полученный в условиях микрогравитации, все-таки со временем «сминается», оказавшись вблизи от поверхности Земли – гравитация действует на него постфактум, и такой кристалл недолговечен.
Таким образом, для получения условий микрогравитации на Земле необходимо на относительно длительный период поместить образец в условия свободного падения. Наиболее изученным сеттингом для этого является параболический полет в стратосфере, когда самолет следует по кривой Кеплера. Самолет поднимается под углом 45 градусов, а затем резко выравнивается параллельно поверхности Земли, оказавшись в высшей точке параболы – после чего начинает «падать». В следующем видео показано, как это выглядит, а на 3.30-3.40 — даже в картинках.
Другой вариант получить условия свободного падения на Земле – просто падать с высоты, и для такой цели в американских парках развлечений возводятся все более циклопические и высокотехнологичные аттракционы под названием «drop tower». Кабина или ряд кресел с любителями острых ощущений срывается с высоты и отвесно падает, пока в самом низу башни этот падающий модуль не тормозят магниты. В большинстве из таких установок, о которых можно почитать здесь, дистанция, преодолеваемая в состоянии свободного падения, составляет немного менее 300 футов (100 метров), а время в свободном падении – десятки секунд.
Существуют и исследовательские установки такого рода. Например, в башне, установленной в Мадрасском центре по исследованию воспламенения, свободное падение в условиях микрогравитации продолжается в течение 2,5 с (чего как раз достаточно, чтобы исследуемый образец вспыхнул). Аналогичная башня ZARM, расположенная в Бремене, достигает высоты 146 м:
Здесь свободное падение продолжается 4,7 с. Сила тяжести уменьшается до 10-6g, практически как в центре тяжести МКС.
Еще раз отмечу, что все это — не настоящая микрогравитация, а аналогичное ей нестабильное состояние. Другое аналогичное состояние, гораздо более стабильное и функционально аналогичное микрогравитации, наблюдается в сверхтонких канальцах пористых биологических структур, где происходит биоминерализация. Исследователи из Высшей Технической Школы Цюриха обратили внимание на механизмы кристаллизации, действующие в панцирях диатомовых водорослей. Около года назад я уже публиковал пост, затрагивавший свойства этих водорослей. Швейцарские ученые попытались искусственно воспроизвести процесс образования такого панциря – и натолкнулись на феномен сетчатого твердого тела (reticular solid), толщина пор в котором сравнима с размером атомов жидкости. Соответственно, в них можно закачивать такие жидкости, сила вязкости в которых локально одолевают силу гравитации и обеспечивает рост кристалла. В качестве таких каркасов хорошо подошли металл-органические координационные полимеры.
Металл-органические координационные полимеры (MOF) – это микропористые вещества, в которых ионы металла, связывающиеся с органическими лигандами, образуют кристаллические структуры, в дальнейшем способствующие образованию сетчатых твердых тел именно так, как это происходит в природе. В лабораторных условиях можно контролировать форму пор и свойства лиганда, но не направление роста кристалла. Как только кристалл достигает макроскопических размеров – гравитация возобладает, и контролируемую форму поддерживать все сложнее. Кристалл «оседает». В неорганике подобные проблемы при выращивании кристаллов на Земле ощутимы, например, при производстве оптоволокна. Оптоволокно, по которому передается как свет, так и информация, должно иметь строго определенную правильную форму, иначе свет рассеивается, и передача информации становится неэффективной.
Микрогравитация, сопоставимая с лунной, на Земле достижима в микрофлюидных устройствах, также именуемых «лабораториями на чипе». В них жидкость закачивается в каналы толщиной примерно с человеческий волос, где можно проводить управляемую кристаллизацию вещества. Ключевую роль в биоминерализации играет наличие именно таких узких субмикролитровых пространств, где некоторые жидкости сближаются по свойствам с гелем. Так, швейцарская группа использовала для этого раствор ионов меди Cu2+ в трипептиде глицин-L-гистидин глицина (CuGHG). Из такого раствора-прекурсора удалось вырастить ярко-голубые кристаллы, управляя кинетикой и направлением их роста.
Возможности практического использования
Итак, потенциальное производство, связанное с выращиванием кристаллов или молекул с заданной ориентацией, натыкается не только на технические сложности, но и на бессердечную гравитацию. Если китайская микролуна и может производиться серийно как своеобразная IDE для специализированной прикладной кристаллографии, то при попадании в типичное гравитационное поле Земли полученные молекулярные структуры будут разрушаться. Поэтому просматриваются следующие направления для развития таких исследований.
В органической химии речь может идти о создании кристаллов и молекул для одноразового использования, например, для разработки лекарств.
Джимми Картер (род. 7.10.1924) является старейшим бывшим президентом США, как ныне живущим, так и за всю историю страны. В августе 2015 года у него была диагностирована меланома IV степени, а также метастазы в мозгу и печени — но еще до конца 2015 года он полностью излечился благодаря моноклональным антителам пембролизумаб, которые принимал в форме инфузионного препарата «Keytruda». Насколько мне удалось выяснить, это был первый известный случай выздоровления от такой тяжелой меланомы. Моноклональные антитела – это класс препаратов, мобилизующих иммунитет на уничтожение раковых клеток, тогда как без такой «наводки» организм воспринимает раковые клетки как родные и даже пытается защищать. У моноклональных антител принципиально важна и при этом крайне труднодостижима правильная форма молекулы. Химическая формула пембролизумаба — C6534H10004N1716O2036S46, а ориентация молекулы такова:
Keytruda для инфузий поставляется в виде охлажденного концентрата, который нужно растворить перед применением; это делается для как можно более долгого сохранения структуры молекул. В настоящее время одна доза Keytruda в России стоит около 185 000 рублей.
В 2019 году компания Merck Sharp & Dome Corp. (MSD), автор этого препарата, провела на МКС многообещающие опыты по получению Keytruda в условиях микрогравитации, где значительно ослабевает как седиментация молекул, так и сила конвективных потоков, благодаря чему формируется кристаллическая суспензия, насыщенная частицами препарата, размер которых близок к 39 мкм, тогда как в контрольном эксперименте на Земле размеры частиц варьировались от 13 до 102 мкм. Полученные в космосе образцы обладали приемлемыми реологическими и вязкостными свойствами, а также хорошей проходимостью через иглу. По данным авторов исследования, это был первый эксперимент по кристаллизации органических молекул в условиях микрогравитации, связанный не с рентгеновской кристаллографией, а с фармакологией. Производство моноклональных антител в условиях микрогравитации на Земле позволило бы значительно удешевить такие препараты, сделать их более удобными в хранении и применении.
Следующим шагом от выращивания больших органических молекул является выращивание «зародышей» искусственных органов. Искусственные органы до сих пор не выращиваются на Земле, поскольку на этапе их формирования необходимо обеспечить правильную стратификацию клеток и тканей, из которых они состоят. Но, если поместить клетки «будущей почки» в питательный раствор, то, когда зародыш органа достигает макроскопических размеров, в дело вступает седиментация: клетки просто выпадают на дно сосуда. Кроме того, любой орган может нормально функционировать, лишь если он как следует пронизан сетью кровеносных сосудов. А проблема прокладки сосудов фактически сводится к решению той задачи с сетчатым твердым телом, которой занимались ученые из Высшей Технической Школы Цюриха. В настоящее время NASA даже проводит конкурс по разработке искусственной ткани, обеспеченной нормальным кровоснабжением, так называемый «vascular tissue challenge». Премия в размере 500 000 долларов ожидает любую группу ученых, которой удастся сгенерировать лоскут живой ткани толщиной более 0,4 дюйма, который «проживет» на Земле более месяца. Условия конкурса подробнее изложены здесь. При дизайне искусственных органов, в том числе, не существующих в человеческом организме, также очень важно не допускать в них канцерогенных новообразований и перерождения клеток – то есть, производство опытных образцов может занимать длительное время, превышающее даже срок одной экспедиции на МКС.
Что касается неорганики, а также механики, строительства, инженерии и прочих смежных с ними дисциплин – микрогравитационная среда является тем фактором, который может использоваться только для орбитального или межпланетного применения. Иными словами, в тех целях, с которыми создавалась китайская микролуна. Выше я уже приводил пример с получением особо однородного и качественного оптоволокна. То же касается металлов и сплавов. Свойства некоторых потенциальных сплавов пока можно оценить только методом математического моделирования, но именно в микрогравитации они могут стать реальностью – например, гораздо более легкие и прочные сорта стали. Ситуация примерно такая же, как при выращивании органов: атомы в сплаве не переупорядочиваются под действием силы тяжести, а располагаются так, как задумал инженер.
Более того, кристаллизация в микрогравитации протекает не так быстро, как на Земле – то есть, весь процесс лучше контролируется и корректируется. Поэтому даже можно заставить такие субстанции, которые на Земле являются настоящими металлами, принимать аморфную или стекловидную форму. Формование такого «стеклометалла» возможно при гораздо более низких температурах, чем обычная ковка, а малая кристаллизация (и сравнительно крупный размер отдельных кристаллов) значительно улучшает антикоррозийные свойства стеклометалла. В Лаборатории Реактивного Движения NASA совместно с Калифорнийским технологическим институтом уже создан стеклосплав Liquidmetal. Он состоит из циркония, меди, никеля, ниобия и алюминия, а по прочности вдвое превосходит титан. Проектирование и даже создание опытных образцов подобных сплавов можно организовать на Земле, но крупномасштабное производство и испытания – только в условиях микрогравитации.
Может быть разработан целый класс таких стеклометаллов, из которых можно было бы собирать разнообразное оборудование для космических кораблей и станций: защитные экраны от космического мусора, панели, зеркала. Кроме того, в них сразу можно было бы предусматривать свойства, ориентированные на работу в космосе, например, защиту от жесткого излучения или от перепадов температур.
Заключение
До сих пор практически все вышеупомянутые эксперименты могли быть поставлены только на орбите, и поэтому они по определению необъективны. В отличном обобщающем обзоре по микрогравитации, которым я пользовался при подготовке этой статьи (университет Буффало, штат Нью-Йорк), отмечается:
При проведении эксперимента в условиях микрогравитации всегда существует фактор предвзятости исследователя: ожидается некоторый положительный результат, особенно в силу того, какие усилия были затрачены на постановку эксперимента. Любые, даже минимальные достижения, были бы четким и выразительным обоснованием того, что эксперимент поставлен не зря. Понимая природу той среды, в которой ставится эксперимент, исследователь может заранее формулировать гипотезу именно так, чтобы по результатам опыта она подтвердилась. Психологам известен обратный феномен: формулирование гипотез с учетом уже известного результата. Поэтому всегда существует опасность, что ты станешь доказывать свою гипотезу, а не проверять ее
Иными словами, в настоящее время изучение микрогравитации может оставаться фрагментарным и ограниченным именно по причине крайней сложности и дороговизны экспериментов, а также в силу необходимости «закрывать грант». Мне представляется, что именно эту порочную проблему уже сейчас могла бы сдвинуть с мертвой точки китайская микролуна или ее аналоги. Создав на Земле стабильные и легко корректируемые условия микрогравитации, мы избавились бы от необходимости гонять на орбиту грузы и реактивы, необходимые для столь сложных экспериментов. Удешевление таких моноклональных антител как Keytruda или ввод стеклометалла в широкое использование были бы только первыми плодами таких проектов. С другой стороны, стало бы гораздо проще разрабатывать на Земле материальное обеспечение для космонавтики и лунных или марсианских колоний – то есть, для освоения любых территорий, где гравитация значительно меньше земной. Безусловно, ключевым фактором научных исследований является достижение их объективности, и создание китайской микролуны кажется мне огромным шагом в этом направлении.
