В один прекрасный день у тебя в доме начинается капитальный ремонт систем водоснабжения и водоотведения. Рабочие снимают старые стояки подачи воды и канализации, и на несколько дней ты становишься чуть-чуть космонавтом — обтирание влажными салфетками вместо душа, ёмкости питьевой, технической и отработанной технической воды, ассенизационная ёмкость с хлоркой от запаха и прочие неудобства. К счастью, более чем полувековая история космических полётов хранит достаточно историй для отвлечения и поднятия настроения. В самом деле, любой ремонт меркнет перед неудобствами, выпавшими на долю, например, Фрэнка Бормана и Джима Лоувелла на «Джемини-VII».

Несовершенство человека

Первые туалетные проблемы появились уже в самом начале космических полётов. 5 мая 1961 года. Астронавт Алан Шепард должен стать первым американцем в космосе. По плану суборбитальный полёт должен продлиться всего пятнадцать минут, поэтому никто из инженеров не стал задумываться о человеческих потребностях. Однако, из-за проблем с погодой и техникой старт задерживался, и в какой-то момент Алан, просидевший в кабине уже больше четырёх часов (а в скафандре больше восьми), сообщил по радио, что ему категорически необходимо сходить по малой нужде.

Перед ЦУПом возникла совершенно реальная проблема — попытка помочиться в скафандр могла привести к отказу датчиков телеметрии, проблемам с системой терморегуляции скафандра, в самом худшем (пусть и маловероятном) случае — к короткому замыканию. Альтернативой была бы только отмена полёта — подать башню обслуживания на пару минут, сходить в туалет и вернуться в кабину не было никакой технической возможности. А, учитывая публичность запуска, представьте себе заголовки газет, если бы полёт отменили по такой причине. Решили рискнуть — Шепарду разрешили справить нужду в блестящий гламурный скафандр. Аварии не произошло, и обратный отсчёт продолжили. К чести Алана Шепарда, он отнесся к ситуации с юмором и пошутил, что вот теперь-то он является «мокрой спиной» (жаргонное обозначение нелегальных мексиканских мигрантов, переплывавших Рио-Гранде). Полёт прошёл успешно, но все-таки при просмотре кадров торжественной встречи на авианосце немного забавно знать, что спина-то у Шепарда мокрая…
На второго американского астронавта Гаса Гриссома надели двухслойное трико, чтобы моча содержалась между слоями. Решение было неудачным, и уже к первому орбитальному полёту Джона Гленна был разработан простой мочеприемник (UCD — Urine Collection Device) из презерватива, трубки и емкости для мочи:

К последнему полёту корабля «Меркурий» систему немного изменили. Мочеприёмник на скафандре дополнили стационарной ёмкостью. Астронавт должен был ручным насосом перекачивать мочу из ёмкости на скафандре в стационарную. Шепард, провожавший в полёт Купера, подшутил над ним, положив в кабину вантуз. Шутка оказалась пророческой — насос работал плохо, шланги протекали, в кабине летали шарики мочи. Как минимум, часть коротких замыканий на последних витках полёта устроила протекающая ассенизационная система, серьезно осложнив полёт.
А для большой нужды в кораблях «Меркурий» не было ничего — астронавты за три дня до полёта переходили на специальную диету, сокращающую объем каловых масс. В случае задержки полёта (а такое было регулярно), диета продлевалась.

Советское значит отличное

Корабли «Восток» проектировались для многосуточных полётов, поэтому вопросы космического туалета были решены заранее, и даже Гагарин отправлялся в 108-минутный полёт с полностью комплектным туалетом, которого хватило бы на несколько дней. Конструкция позволяла справлять большую и малую надобности и была сравнительно простой:

1 – приемник; 2 – сборник урины; 3 – воздушный фильтр; 4 – вентилятор;5 – сборник каловых масс; 6 – выход чистого воздуха; 7 – гибкий шланг; 8 – сигнальная лампа.

Вентилятор создавал поток воздуха, который, как пылесос, втягивал отходы и не давал им разлететься по кораблю. Жидкие фракции по трубе попадали в сборник урины, где фиксировались в губчатом материале. Твердые фракции задерживались в сборнике каловых масс в сменном пакете. Затем пакет закрывался и убирался в отсек для отходов. Воздушный фильтр обеспечивал очистку воздуха от неприятного запаха. Большим достоинством туалета была пригодность как для мужчин, так и для женщин, что обеспечивали сменные насадки:

Сверху мужская насадка, снизу женская

Первым космонавтом, сходившим в космосе по-большому, стал Валерий Быковский на «Востоке-5», и это не произошло без курьёза. Доклад Быковского на земле услышали как «был космический стук», очень сильно перепугались и даже собрали рабочую группу для расчётов массы метеорита, с которым мог бы столкнуться Быковский, чтобы услышать стук. Но через виток, на следующем сеансе связи, ситуация разрешилась ко всеобщему облегчению.
Конструкция оказалась настолько удачной, что не претерпела принципиальных изменений уже больше полувека. На современных «Союзах» стоит почти такой же туалет, отличающийся только формой отсека каловых масс:

Здесь можно посмотреть на демонстрацию работы туалета в невесомости («Союз ТМА-14», 2009 год):

Туалеты советских космических станций и МКС работают на том же принципе пылесоса и отличаются только полноценным сиденьем и более сложной системой обработки жидких отходов. Губчатый наполнитель имеет сравнительно небольшой ресурс, поэтому на орбитальных станциях жидкие отходы идут в специальные баки (которые затем загружаются вместе с прочим мусором в грузовой корабль «Прогресс» и сгорают с ним в атмосфере) или в систему регенерации, которая получает из мочи питьевую воду или кислород для дыхания.
На МКС два туалета отечественного производства:

Слева туалет в модуле «Звезда», справа — в модуле Destiny

Видео из фильма «Космическая одиссея, век XXI» (туалет с 4:30):

Туалеты иногда ломаются (как и любая другая техника) и попадают в новости, но на самом деле это весьма надежные и удобные устройства.

Две недели в мусорном баке

В отличие от конструкторов СССР/России, американская конструкторская мысль в ассенизационных вопросах прошла долгую и трудную дорогу и, несмотря на все старания, создавала сложные, неудобные и неприятные устройства. Корабли «Джемини» должны были летать долго, до двух недель, и тут уже эрзацами в виде UCD было не обойтись. Собственно говоря, UCD никуда не делись и использовались на «Джемини», «Аполлонах» и «Спейс Шаттлах» на старте. Астронавты-мужчины проходили процедуру подбора презерватива к UCD (рекомендую почитать Майка Маллейна «Верхом на ракетах», он её очень красочно описывает) и могли выбирать, стартовать с UCD или памперсом (Маллейн советует выбирать UCD, памперс неудобнее). Однако уже на орбите надо было использовать какой-то более долговременный туалет.

UCD времён «Джемини»

Первоначальная конструкция требовала, чтобы астронавт мочился в мочеприемник, одновременно вручную создавая тягу, растягивая гармошку приемного устройства:

Слева мочеприемник, справа гармошка приемного устройства

Идея оказалась никуда не годной. Во-первых, тянуть гармошку самостоятельно было нереально, требовалась помощь второго астронавта. Во-вторых, система часто выбрасывала мочу вместо всасывания — гармошка не вентилятор, одного неосторожного движения было достаточно для создания избыточного давления, а не разрежения.
Начиная с «Джемини-V» систему изменили — мочеприемник сделали плотно прилегающим и надевающимся как презерватив. В шланг добавили обратный клапан, защищающий от выбросов мочи, и заменили приемное устройство на простую мягкую ёмкость:

В таком виде система была более-менее пригодна для использования. Начиная с «Джемини» моча (кроме небольших пакетов для последующего медицинского анализа) не хранилась на борту, а сбрасывалась через специальный клапан с подогревом (жидкость в вакууме мгновенно испаряется и превращается в лёд, без подогрева клапан бы забило). По рассказам астронавтов, одно из самых красивых зрелищ в космосе — сброс мочи на закате. Урина превращалась в лёд и красиво разлеталась ледяным облаком. В принципе, вместо мочи подошла бы любая другая жидкость, но обычную воду, например, за борт не сбрасывали.

С твердыми отходами ситуация была гораздо, гораздо хуже. Для них в NASA придумали специальные пакеты:

Пакет имел клейкую горловину и должен был приклеиваться к ягодицам вокруг ануса. После дефекации нужно было просунуть пальцы в специальный мешочек, отделить фекалии от тела и протолкнуть их дальше в мешок, чтобы не вылетели. Затем необходимо было разорвать пакет с дезинфицирующим средством, поместить его в большой пакет с фекалиями и перемешать — это было необходимо для того, чтобы убить бактерии и не допустить газообразования в пакете. Потом наступала очередь туалетной бумаги и влажных салфеток, и, наконец, надо было поместить всё это в ещё один пакет и упаковать в контейнер для мусора.
В целом идея оказалась по-настоящему жуткой. Клей на горловине вырывал волосы на коже, фекалии вылетали из пакета, чтобы сходить в туалет требовалось порядка 45 минут, и не было никакой возможности не заполнить кабину неприятными запахами.

В программе «Джемини» было два длительных полёта — «Джемини-V» (почти 8 дней) и «Джемини-VII» (две недели). Оба полёта потребовали недюжинной силы воли от астронавтов. Хуже всего пришлось Френку Борману и Джиму Лоувеллу на «Джемини-VII». Уже спустя неделю кабина заполнилась вонью мочи (не всё можно было вытереть) и немытых тел (не было ни сменной одежды, ни возможности помыться). Астронавты терпели как могли — первый раз по-большому сходили только на десятый день. А последние несколько дней стали по-настоящему неприятными. Но в то время это стало большой победой — США обогнали СССР по длительности полётов, и двух недель хватало, чтобы слетать на Луну.

На Луну с мешками для фекалий

Программа «Аполлон» базировалась на ассенизационных наработках «Джемини». Жидкие отходы собирались в такие же надевающиеся приёмники с ёмкостями и сбросом за борт. На каждого астронавта хранился запас в 10 сменных манжет для мочеприемника.

И с большой нуждой было всё так же плохо — мешки для фекалий остались практически неизменными:

Расшифровки переговоров астронавтов регулярно содержат обсуждения «чья это какашка летает по кабине»:

Поскольку программа «Аполлон» была предназначена для высадки на Луну, пришлось добавить системы сбора мочи и кала для скафандров. Мочу собирали в обычный UCD, а для фекалий сделали что-то типа памперса:

Особенностью американской космической программы был детальный анализ отходов — образцы мочи и кала привозили обратно на Землю, и, по слухам, они до сих пор хранятся где-то в холодильниках NASA.

Гигантский скачок вперед «Скайлэба»

Только на станции «Скайлэб» американцы приблизились к советскому уровню туалетного комфорта. В ассенизационной системе наконец-то появился вентилятор. Правда, вместо воронки мочеприемника использовались такие же манжеты, как и на «Аполлоне», но, по крайней мере, вентилятор надежно создавал разрежение для всасывания мочи. Зато в деле сбора твердых отходов появился туалет со сменными мешками:

На уровне колена виден приемник для твердых отходов

И откат назад шаттла

А вот с туалетом для Спейс Шаттла получился инженерный конфуз. Исходная идея была замечательная — давайте сделаем туалет, в котором потоки воздуха будут сами помещать фекалии в приемное устройство без участия астронавта. Однако добиться надежной работы не удалось — фекалии постоянно задевали стенки тоннеля, и астронавтам приходилось постоянно его чистить. Система упаковки фекалий работала недостаточно надежно, туалет достаточно регулярно выходил из строя. Также, для пользования туалетом приходилось проходить специальную подготовку. На тренажере в тоннеле стояла камера с подсветкой. Перед лицом астронавта стоял монитор с прицелом. Тренировка заключалась в том, чтобы поместить свой анус в центр прицела и запомнить положение тела, чтобы уже в невесомости фекалии начинали свой путь максимально близко к центру тоннеля. Относительно предыдущих американских космических туалетов система была прогрессивной, вентилятор и сменные насадки позволяли пользоваться туалетом и мужчинам и женщинам. Но туалет получился слишком сложным и недостаточно надежным. По воспоминаниям астронавта Майка Маллейна перед пользованием туалетом лучше всего было полностью раздеться. Утечки мочи и улетающие фекалии были не таким уж редким делом. Маллейн вспоминает одну достаточно неаппетитную шутку, которую устроил его коллега-астронавт. Он взял сосиску с обеда, спрятал её в кармане и пошёл в туалет. Выждав некоторое время, он выбросил сосиску в общий отсек и стал за ней гоняться с салфеткой (астронавты как могли уворачивались, не узнав сосиску в летающем предмете), а догнав, съел…

Туалет Спейс Шаттла. На переднем плане гибкий шланг мочеприемника

Видео тренажерной туалета Спейс Шаттла. В фильме участвует Майк Массимино, который «летал» на МКС с Говардом в «Теории Большого взрыва»:

Невысокая надежность туалета шаттла означала, что там всегда ждали своего часа пакеты для фекалий времен «Аполлона». И остается только надеяться, что эти неприятные ассенизационные архаизмы совсем сошли со сцены и не отправятся в космос на «Орионах» и других новых американских кораблях.

А теперь вернемся немного раньше в этом процессе жизнедеятельности и узнаем, чем питаются космонавты.

Ботва с аджикой в хлорелловом бульоне или чем питаться по дороге к Марсу

Современное состояние ракетных двигателей говорит нам, что дорога к Марсу будет долгой. Перелёт по баллистической траектории без включения двигателей займет примерно два года, а имеющие небольшую тягу электрореактивные двигатели не смогут сильно сократить срок полёта. В таких условиях в списке важных вопросов оказывается организация питания. Еда, к сожалению, имеет вес, который надо разгонять к Марсу, экипаж производит отходы, которые надо выбрасывать или рециркулировать, в целом, различных инженерных вызовов эта проблема создает немало. О них мы и поговорим.

История космической еды

Использующаяся сейчас еда на МКС слабо отличается от обычной земной. Консервы, сублимированные продукты, с грузовым кораблём привозят свежие фрукты. Разве что качество гарантировано и консервы, наверняка, не просроченные. Такая пища, безусловно, вкусная и питательная, она разнообразная, содержит немного деликатесов и хорошо воспринимается с точки зрения психологии. Но она не очень эффективна с точки зрения максимальной экономии веса и объема для длительного полёта. Но для начала давайте посмотрим на её историю, какие изменения она претерпела, и как стала такой какая есть.

Первые эксперименты

Главным фактором, который принимался во внимание разработчиками космической еды по обе стороны океана была невесомость. Еда не должна была крошиться, проливаться или рассыпаться, чтобы не вызвать короткое замыкание. Поэтому и решения, что в СССР, что в США были одинаковые — некрошащийся хлеб (в США его ещё покрывали специальной смесью против крошек), расфасованный в пластик небольшими кусочками и пюре в тюбиках:

Решение оказалось так себе. Во-первых, после знакомства с невесомостью оказалось, что она не такая уж страшная. Про силы поверхностного натяжения разработчики еды, судя по всему, забыли. Потому что именно они гарантируют, что вода не рассыпется на тысячи капель устраивать короткие замыкания, а будет вполне культурно висеть шаром, с которым уже можно управляться. Даже рис можно есть в невесомости, причем даже с ложки, почти как на Земле, если склеить его соусом. Во-вторых, питательность этой еды оказалась недостаточной. Несмотря на расчеты калорий, космонавты жаловались на голод. В-третьих, еда была не особенно вкусной. Жировая оболочка бутербродных кубиков США портила вкус, а пюре были лишены текстуры «нормальной» еды и напоминали соус. Самый длительный полёт на такой еде составил две недели («Джемини-7») и потребовал от астронавтов определенной силы воли.

Сублимация и разведение

Крайне полезной для космоса стала технология сублимации. В физике сублимация — это переход вещества из твердого состояния в газообразное. Если мы заморозим еду и поместим её в вакуумную камеру, то водяной лёд испарится, минуя жидкую фазу. Продукты сохранят свою форму, запах, цвет, и полезные вещества. Высушенную таким образом еду можно поместить в пластик, уже в космосе развести горячей или холодной водой и получить полноценное питание.

В СССР к сублимированным продуктам добавили обычные консервы в банках

Рационы этого типа летали на американских «Аполлонах» и советских «Союзах».

Богатство орбитальных станций

На орбитальных станциях было больше места, можно было повисеть у стола с собственным подносом еды. Рацион же практически остался неизменным. Разве что на станции «Скайлэб» хотели добавить в меню столовое вино, но из-за возмущения общественности, эти планы были отменены:

Шаттлы и МКС

Современная еда построена на тех же принципах. Рацион собран из сублимированных продуктов, обычных консервов (у американцев в пакетах, у нас в банках), хлеба (в США используются некрошащиеся лепёшки, у нас — порционный хлеб), печенья и конфет, а также сухих напитков или пакетиков чая в пластике.

Консервы с термической обработкой в пакетах

Сублимированные продукты

Соусы, печенье, шоколад

Упакованные напитки

Коробка с российским рационом. Отличается консервами в банках вместо пакетов и национальной кухней — у нас наверняка больше чая в напитках.

Результаты

Конечно, не все типы продуктов есть на МКС, и космонавты иногда скучают по пельменям или жареной картошке, но в целом еда не сильно отличается от земной. Но это имеет свою цену — еда много весит, ещё часть веса добавляет упаковка. За 2013 год на МКС отправились 4 «Прогресса», по одному HTV, ATV, Dragon и Cygnus. Т.е. на орбиту было доставлено примерно 4*2500+6000+5500+3300+2000=26800 кг груза. Конечно, не всё это еда, но около 15 тонн еды и воды на МКС привезли. Если же мы летим на Марс на два года, то масса составит порядка 30 тонн. Прямо скажем, цифры неприятные. А есть ли какие-то способы уменьшить этот груз? Ученые со всего света много об этом думали.

Альтернативные диеты

Ещё до первого полёта в космос человека, различные люди и организации разрабатывали программы питания в космических полётах. Таких программ было создано очень много: жидкие диеты (молочные коктейли, эгног-диета), питательные палочки, кубики и шарики, но все их отличало то, что они плохо показывали себя на тестах. Нельзя не сказать о том, что люди, в этих тестах участвующие, проявляли героизм едва ли не больший, чем астронавты, потому что им приходилось питаться этими экспериментальными диетами дольше, чем длились тогдашние космические полёты.
Ничем не сдерживаемая фантазия рисовала всё более экзотические идеи — мышиные фермы как источник мяса, съедобные бумага, одежда и детали космического корабля, но это не дошло даже до стадии эксперимента.

Замкнутый цикл

Особняком стоит идея использования на корабле замкнутого цикла жизнеобеспечения. Растения/водоросли потребляют углекислый газ и отходы жизнедеятельности экипажа, а выделяют кислород и производят еду. В теории это самый выгодный вариант. Но, конечно же, попытки реального воплощения столкнулись с различными проблемами.

Хлорелла подвела

Ученые и фантасты ставили на трон системы жизнеобеспечения замкнутого цикла одноклеточную водоросль хлореллу. Действительно, неприхотливая, живущая в лужах и канавах водоросль производит кислород и размножается, требуя только воду, свет, углекислоту и немного минералов. Хлорелла теоретически питательней пшеницы, так как содержит 45% белка, 20% жиров и 20% углеводов. Но все эти мечты оказались разбиты тем фактом, что хлорелла человеком не усваивается — слишком плотная клеточная стенка недоступна для расщепления человеческими ферментами. В принципе, современная технология может предложить как минимум три пути решения этой проблемы: расщепление клеточной стенки технологическими методами (термообработка, мелкий помол или что-то ещё), биологическими методами (взять с собой ферменты, расщепляющие стенку и добавлять их в еду) или же вывести ГМО-хлореллу с доступной для расщепления стенкой. К сожалению, в настоящее время какие-то заметные работы с хлореллой ведут только коммерческие фирмы, которые продают её как БАД (статья в Википедии, отредактированная летом 2013 года) или как добавку для животноводства, что достаточно печально с точки зрения обеспечения космических полётов.

Моральная проблема

На форуме «Новостей космонавтики» я как-то читал такой пост сотрудника ЦУП (привожу по памяти): «Тяжелый рабочий день — прибежали фанаты замкнутого цикла жизнеобеспечения, поили всех рециркулированной мочой, к счастью, я смог тихо сбежать». Увы, необходимость пить рециркулированную мочу вызывает психологическое отторжение, что осложнит и так психологически тяжелый длительный полёт. Система, которая регенерировала воду из воды, выдыхаемой с воздухом, и другого конденсата воспринимается нормально, поэтому СРВ-К (система регенерации воды из конденсата) работала с первых орбитальных станций «Салют» и стоит сейчас на МКС. А вот СРВ-У (система регенерации воды из урины) стояла только на станции «Мир», а на МКС рециркулированная вода из урины идёт на электролиз и из неё получают кислород для дыхания.

Успешные эксперименты

В то же время, в СССР были достаточно успешные эксперименты по замкнутым системам: БИОС-2 и БИОС-3. БИОС-3 начал работу в 1972 году и функционирует сегодня (на сайте отчет за 2012 год, новостей о закрытии в Сети нет). Изначально проект имел четыре герметизируемых отсека (два фитотрона для выращивания растений, один культиватор для водорослей — регенерация атмосферы и жилой отсек) общим объемом 315 м^3. В фитотронах выращивался обширный набор специально подобранных растений (пшеница, соя, салат, чуфа, морковь, редис, свёкла, картофель, огурцы, щавель, капуста, укроп, лук) и проводились эксперименты по «автономному полёту» длительностью до полугода. Результаты впечатляют — по воздуху и воде достигнут практически 100% замкнутый цикл, по пище — 50-80%. Комплекс пережил перестройку и кошмар 90-х, и, согласно информации на официальном сайте, модернизируется и принимает участие в международных программах.

Общий вид комплекса

Фитотрон

Выводы

В целом, в части обеспечения едой длительной экспедиции, у человечества достаточно неплохие позиции. Даже на уровне технологий 70-80-х годов эксперимент БИОС-3 вселяет оптимизм, а распространение технологии генной модификации может дать нам ещё более эффективные космические растения. Также постоянно ведутся работы с растениями на МКС.

Дополнительные материалы

Очень интересный фильм «Пути жизнеобеспечения в космосе», рассматриваются и физико-химические (СРВ-К, У) и биологические (БИОС-3) методы

Недавний выпуск передачи «Космонавтика». Стоит отметить положительный эффект работы с растениями на психику и порадоваться за молодое поколение, которое стремится работать по этому направлению в будущем.

«Космическая одиссея, век XXI», вопросы еды с 14 минуты.