Примерно в 400 километрах над поверхностью Земли летает Международная космическая станция, окружённая своеобразной космической погодой.

Она находится не в пустом космосе, а в тонком верхнем слое атмосферы, в которой солнечный свет разделяет молекулы кислорода на одиночные атомы. Эти атомы реактивны, имеют высокую скоростью и сильно влияют на материалы поверхности космического аппарата.

Атомарный кислород не проедает МКС подобно кислоте, этот процесс медленнее и малозаметнее, он обладает более тонкими свойствами. Но за годы нахождения на низкой околоземной орбите он способен разрушать полимеры, делать матовыми покрытия и влиять на оптику, что заставляет проектировщиков тщательно продумывать каждое защитное покрытие, слой краски, уплотнение, плёнку и композитную панель.

Самая распространённая частица на низкой орбите одновременно одна из самых агрессивных

Здесь, на поверхности Земли, вдыхаемый людьми кислород в основном представляет собой O₂: два связанных друг с другом атома. На низкой околоземной орбите ультрафиолетовое излучение Солнца может разделять эти молекулы на отдельные атомы кислорода.

Такие одиночные атомы химически реактивны. К тому же, космический аппарат на низкой орбите движется со скоростью примерно восемь километров в секунду, так что столкновение между поверхностью и средой атомарного кислорода достаточно энергично для того, чтобы со временем повреждать уязвимые материалы.

В собственных трудах НАСА по изучению материалов эта проблема формулируется прямо: полимеры и другие окисляемые материалы на поверхности космического аппарата, находящегося на низкой околоземной орбите, могут разрушаться из-за реакции с атомарным кислородом. Именно поэтому, прежде чем использовать материалы при изготовлении длительно используемого аппарата, инженерам необходимо собрать полётные данные.

Как инженеры научились воспринимать эту угрозу серьёзно

Опасность становится более явной, когда космический аппарат начинает возвращаться с низкой околоземной орбиты и состояние его поверхностей изменилось непредсказуемым для инженеров образом.

Материалы, казавшиеся на Земле стабильными, могут терять массу, становиться шероховатыми, темнеть, трескаться или менять свои оптические свойства. Сторона аппарата, направленная по его движению, обычно подвергается самому сильному воздействию атомного кислорода. Задние поверхности обычно страдают меньше.

Исследовательский центр Джона Гленна в НАСА десятки лет занимался преобразованием информации об орбитальных повреждениях в инженерные данные. В рамках его работы с Materials International Space Station Experiment (MISSE) контейнеры испытательных образцов были закреплены на поверхности МКС для измерений реального поведения полимеров, композитов, покрытий и других материалов в среде низкой околоземной орбиты.

И такие исследования важны. В наземных камерах можно симулировать наличие атомарного кислорода, ультрафиолетового излучения и тепловых колебаний, но в космосе материалы подвергаются этим воздействиям в сочетаниях, которые сложно воссоздать на Земле идеально. MISSE предоставил инженерам непосредственные полётные данные из той же самой орбитальной среды, в которой должны будут выживать многие будущие космические аппараты.

Кого съедают первым

Атомарный кислород особенно сильно влияет на полимеры на основе углерода. Один из классических примеров этого — полиимидовая плёнка каптон, широко используемая в космических аппаратах для изоляции. Она ценна тем, что позволяет компенсировать сильные колебания температур, но если её оставить на низкой орбите, то атомарный кислород может её разрушить.

Материалы страдают в разной степени. Углеродные композиты могут терять массу. Покрытия могут терять отражающие свойства. Некоторые оптические поверхности способны приобретать шероховатость. Проблема не в том, что все материалы аппарата быстро деградируют, а в том, что один материал в неподходящем орбитальном направлении и при неподходящей длительности миссии может разрушаться быстрее, чем ожидают проектировщики.

Именно поэтому поверхностные полимеры так часто защищают тонкими неорганическими покрытиями. Диоксид кремния, оксид алюминия и другие твёрдые защитные слои могут использоваться в качестве барьеров, позволяя атомарному кислороду атаковать более устойчивую цель, прежде чем он достигнет материала под ней.

Нельзя окутать аппарат однородным волшебным щитом, требуется куча маленьких решений: какой полимер, какое покрытие, в каком направлении, каков ожидаемый срок миссии и какая степень разрушения допустима, прежде чем поверхность перестанет справляться со своей задачей.

Японский спутник, специально летавший низко

Чем ниже летит космический аппарат, тем плотнее окружающая его атмосфера. Обычно это повышает силу трения, усиливает реакции с атомарным кислородом и подвергает поверхности бóльшим нагрузкам.

Для изучения этой проблемной области был создан японский спутник Super Low Altitude Test Satellite, также известный, как SLATS или TSUBAME. Миссия проводилась на сверхнизкой околоземной орбите, в ней использовались инструменты для исследования плотности атмосферы, атомарного кислорода и деградации материалов.

В исследованиях, основанных на данных SLATS, говорится, что этот спутник стал испытательным стендом для изучения поведения материалов на сверхнизкой орбите. Это важно потому, что сверхнизкоорбитальные спутники могут позволить более чётко наблюдать за Землёй и обеспечить другие преимущества; однако это возможно только в том случае, если инженеры смогут решить проблемы трения и деградации поверхностей, неизбежно связанные с перемещением так близко к верхним слоям атмосферы.

Почему это становится всё важнее

Низкая околоземная орбита становится всё более тесной. Группы коммуникационных спутников, спутники наблюдения за Землёй, системы национальной безопасности и коммерческие аппараты зависят от материалов, способных выживать в окружающих Землю средах в течение месяцев или лет.

Особенно привлекательна сейчас сверхнизкая околоземная орбита, потому что летающие ближе к Земле спутники смогут делать более чёткие снимки и им может понадобиться меньше мощности для передачи данных. Но из-за этой близости повышается сила трения об атмосферу и концентрация атомарного кислорода.

Именно поэтому такие агентства, как DARPA, исследуют технологии для длительных операций на сверхнизкой околоземной орбите. Журнал Popular Science писал о Project Daedalus DARPA — программе, нацеленной на запуск спутников на более низких орбитальных высотах, где становятся проблемами трение, электризация, космическая погода и влияние атомарного кислорода.

Баланс легко сформулировать, но непросто реализовать: снижение спутников позволит видеть Землю лучше, но им придётся иметь дело с атмосферой.

Что это значит для МКС

МКС выживает в этих условиях, потому что она проектировалась, исследуется, ремонтируется и обновляется с учётом орбитальной среды.

Её внешняя оболочка — не одномерная «кожа», а сложное соединение алюминиевых конструкций, термоизоляции, иллюминаторов, материалов солнечных панелей, поручней, покрытий, уплотнений, антенн датчиков и внешних экспериментальных платформ. Каждая поверхность подвергается воздействию различных сочетаний атомарного кислорода, ультрафиолетового излучения, тепловых колебаний, заряженных частиц, микрометеоритов и орбитального мусора.

Ещё одна проблема — это механические повреждения. Станция подвергается ударам мелкого мусора и микрометеоритов. По сообщениям основателя Atomic-6 Тревора Смита, мусор диаметром от трёх миллиметров и меньше практически нельзя отследить, и в то же время он составляет основную часть мусора на низкой околоземной орбите.

Атомарный кислород создаёт медленное химическое воздействие. Микромусор — быстрое и механическое. Внешняя оболочка станции вынуждена выдерживать и то, и другое.

Как же станции удаётся выживать

Важнее всего не то, что атомарный кислород повреждает материалы космического аппарата, а то, что инженеры знают о характере этих повреждений достаточно, чтобы поддерживать работоспособность МКС.

Данные эксперимента MISSE помогают специалистам по планированию миссий оценивать время, в течение которого материалы смогут сохранять свои рабочие параметры. Защитные покрытия замедляют разрушение. Уязвимые компоненты можно размещать как можно дальше от поверхностей, подвергающихся самым суровым воздействиям. Состояние оборудования можно исследовать во время выхода в открытый космос. Некоторые компоненты можно заменять. Другие проектировались с достаточным запасом, чтобы выдерживать постепенную деградацию.

И это более интересная история о внешней оболочке МКС. Станцию не перестраивают каждые несколько месяцев, она постоянно защищена решениями, принятыми за годы до её запуска, и решениями по её обслуживанию, принимаемыми в течение срока жизни на орбите.

Надёжность космического корабля стала результатом не какого-то отдельного изобретения, а накопления целого спектра данных.

Странная полезность атомарного кислорода

У этой истории есть один неожиданный поворот: те же самые химические процессы, которые повреждают космические аппараты, могут быть полезны на Земле.

Исследователи центра Джона Гленна использовали контролируемую обработку атомарным кислородом для восстановления картин. В Technical Reports Server НАС описывается эта методика как способ восстановления повреждённых вандалами или огнём работ в случаях, когда традиционные методы могут оказаться непригодными.

Причина этого заключается в той самой селективности, из-за которой влияние атомарного кислорода оказывается столь важным на орбите: он атакует органические материалы на основе углерода. В контролируемой среде это позволяет хранителям музеев и инженерам устранять сажу и обуглившиеся остатки, обеспечивая при этом бóльшую сохранность некоторых неорганических пигментов.

На орбите атомарный кислород оказывается источником опасности, но в контролируемых условиях лаборатории он может становиться инструментом.

Что произойдёт, когда станция спустится вниз

После завершения срока службы МКС ей планируют свести с орбиты.

Когда это произойдёт, вернувшаяся в атмосферу конструкция будет нести в себе записи о десятилетиях, проведённых на низкой околоземной орбите. Часть материалов, с которыми её выводили на орбиту, всё ещё будет на ней. Часть внешних слоёв будет заменена, восстановлена, защищена, потемнеет, истончится или подвергнется химическому воздействию. Станция будет не совсем той, какой была при запуске первого модуля.

Вот, как влияет низкая околоземная орбита. С Земли она выглядит пустой, но космическим аппаратам приходится иметь дело с её активной средой: солнечным светом, атомами кислорода, частицами, мусором, теплом, холодом и временем.

Атмосфера не заканчивается резко на границе с космосом, а постепенно истончается. МКС проводит свою жизнь на этом тонком краю, способная выживать благодаря инженерам, знающим, что даже у почти полного вакуума есть зубы.