Гравитация — явление настолько естественное, что мы его почти не замечаем. Тем не менее земное притяжение играет важную роль в функционировании живых организмов — буквально все наши системы (опорно-двигательная, вестибулярная, сердечно-сосудистая и другие) зависят от величины гравитационной силы. Длительное пребывание в невесомости вредит нашему организму: мышцы ослабевают, сердце работает менее активно (а это, в свою очередь, негативно влияет на приток кислорода к мозгу), а прочность костей снижается. Последнее может повысить риск получить травму или привести к развитию остеопороза.

Студенты и сотрудники ИТМО решили исследовать, как именно пониженная гравитация влияет на формирование костной ткани в специально подобранных реакционно-диффузионных системах. Для этого в рамках научно-инженерной программы «Стратосферный спутник» они запустили в стратосферу пробирки, в которых в полете формировались паттерны из гидроксиапатита — минерала, который выступает основным компонентом скелета и зубов.

«Все началось с предмета smart materials, в рамках которого нужно было разработать умный материал, позволяющий выживать одноклеточным организмам в космосе. Мы реализовали его и подумали: а можно ли этот эксперимент провести в реальности? Я собрал команду, с которой мы долго работали над поиском научных статей и спустя месяц поняли, что по этой тематике уже проведено много экспериментов. Но мне не хотелось расставаться с идеей, и на одной из научных конференций я предложил реализовать похожий эксперимент. На мое предложение откликнулись космические инженеры из МГТУ им. Н.Э. Баумана — и мы решили подать заявку на конкурс “Стратосферный спутник”», — рассказывает руководитель проекта, студент химико-биологического кластера SCAMT Дауди Дауддин.

В команду проекта входят сотрудники и студенты ИТМО, а также участники из других вузов и школы. Студент направления инфохимии Даниил Силин отвечает за химическую часть эксперимента в лаборатории, руководит проектом студент химико-биологического кластера SCAMT Дауди Дауддин, а научными руководителями команды выступают директор научно-образовательного центра инфохимии Екатерина Скорб и доцент научно-образовательного центра инфохимии, руководитель группы биомиметических материалов Светлана Уласевич. Также к команде присоединились Герман Янгалин из МГТУ имени Баумана и Рамиль Гайнутдинов из Московского авиационного института, занимавшиеся проектированием и сборкой кубсата (спутника, к которому крепились экспериментальные образцы), и учащиеся технопарка «Кванториум Башкортостана» Азамат Нураев и Роман Ардуванов, отвечавшие за программное обеспечение.

Как проходил эксперимент

Чтобы изучить особенности формирования костной ткани в условиях сниженной гравитации, ученые наблюдали процесс образования периодических осадков гидроксиапатита не только в стратосфере, но и в лаборатории на Земле при комнатной и пониженной температурах. Сначала исследователи приготовили гидрогель агара с фосфатом натрия и прямо перед запуском спутника добавили в систему раствор хлорид кальция. То же самое повторили в лаборатории, чтобы наблюдать эту реакцию на Земле.

В результате такой химической реакции образуются кольца Лизеганга — концентрические кольца, или ритмически перемежающиеся полосы осадка гидроксиапатита, возникающие при реакциях периодического осаждения. В повседневной жизни кольца Лизеганга можно наблюдать в осадочных породах агата и яшмы, послойную окраску которых и объясняют периодическим осаждением. Это явление используют для изучения различных процессов в физике и химии, в прикладном искусстве и для украшения многих изделий. Известно, что в нормальных земных условиях эти кольца образуются в среде из желатина с коллагеном. Но как их кристаллизация будет происходить в условиях стратосферы, было неизвестно. Сейчас ученые анализируют результаты, чтобы понять особенности формирования колец на Земле и в стратосфере.

Чтобы узнать, как происходит этот процесс в стратосфере, одну из колб с растовором прикрепили к кубсату — так называют формат сверхмалого искусственного спутника Земли для исследования космоса, устройство имеет форму куба. В него встроили камеру и различные датчики: GPS, индикаторы температуры и радиации и другие, чтобы отслеживать атмосферные характеристики, которые в онлайн-режиме передавалась на компьютер. Также кубсат снабдили прицепом для полезной нагрузки — в данном случае прицепом выступили колбы с раствором. Модель прицепа на 3D-принтере разработал студент из МГТУ имени Баумана, в составе этой детали две запчасти: одна цепляется сверху, другая — закручивается.

Кубсаты всех участников прикрепили к специальной платформе аэростата — летательного аппарата, подъемная сила которого создается за счет нагретого воздуха в оболочке (простой пример таких устройств — воздушный шар). Во время подъема за счет уменьшения атмосферного давления шар постоянно расширялся — и когда зонд поднялся до 25 км, шар лопнул и опустился на землю на стабилизирующей системе. От места запуска аэростат улетел на 90 км в горизонтальном направлении — его нашли с помощью GPS-датчика и передали образцы материала с кубсата на анализ в лабораторию. Всего аэростат летел около трех часов.

Студенты сравнили полученные образцы и обнаружили существенную разницу в том, как кристаллизовались кольца Лизеганга на Земле и в стратосфере. Исследователи предполагают, что в стратосферном экземпляре образовались структуры Тьюринга — особые упорядоченные формирования, возникающие в результате реакционно-диффузионного механизма.

Что дальше

Следующий шаг ученых — изучить полученные образцы материалов. Сотрудники лаборатории научно-образовательного центра инфохимии займутся исследованием и изучат коэффициент разнесения структуры, фазовый и кристаллический состав вещества. Это позволит проверить, действительно ли в пробирке образовались структуры Тьюринга, как предположили изначально. Параллельно они будут изучать кольца, образовавшиеся на Земле.

Эксперимент позволит понять, каким образом условия стратосферы, а именно определенные показатели радиации, давления и температуры, влияют на формирование упорядоченных структур гидроксиапатита. Полученные данные помогут объяснить процесс формирования костной ткани в условиях пониженной гравитации — эти данные могут пригодиться при проектировании космических станций в будущем. По окончании исследования ученые планируют написать научную статью, в которой опишут результаты эксперимента.

«Стратосферный спутник» — это всероссийская научно-инженерная программа для школьников и студентов. Ее цели — привлечь учащихся в инженерно-техническое творчество, заинтересовать передовыми исследования в аэрокосмической области и дать возможность получить предпрофессиональный опыт в области инженерии. Команда ИТМО стала одной из десяти, чьи проекты прошли в финал и были запущены в стратосферу. Все команды получили специальные наборы-конструкторы функциональных моделей спутников современного космического стандарта «кубсат». Участники самостоятельно собирали, программировали конструктор спутника и интегрировали в него свою полезную нагрузку.