Эксперимент в космосе показал, почему поливать растения на Луне будет сложнее, чем на Земле
Учёные впервые исследовали поведение воды в условиях, близких к лунной гравитации, во время реального космического полёта. Эксперимент показал, что при слабом притяжении распределение жидкости заметно меняется, а взаимодействие воды с поверхностью становится особенно важным. Это придётся учитывать при создании будущих лунных теплиц и систем выращивания растений.
Эксперимент провели Карл Хазенштейн из Университета Луизианы в Лафейете, Джон Кисс из Флоридского технологического института и Кристофер Маккей из Исследовательского центра Эймса NASA. Установка отправилась в космос 4 февраля 2025 года на корабле New Shepard в рамках миссии NS-29 компании Blue Origin. После отделения капсулы от ускорителя её раскрутили примерно до 11 оборотов в минуту. Благодаря центробежной силе внутри возникло ускорение 1,76 ± 0,02 м/с² — примерно на 8% больше реальной лунной гравитации, составляющей около 1,625 м/с².
Условия, близкие к лунной гравитации, сохранялись около 2,3 минуты. За это время камера сделала 86 снимков экспериментальных камер с жидкостями. Учёные сравнивали деионизированную воду, водный раствор с 30% глицерина и раствор с 0,8% хлорида натрия. Затем учёные сравнили форму поверхности жидкости с её поведением при земной гравитации и рассчитали, насколько сильно вода изгибается у стенок ёмкости.
При земной гравитации поверхность жидкости оставалась сравнительно ровной, а в условиях лунной гравитации она заметно сильнее изгибалась у стенок ёмкости. При одинаковом объёме жидкости менялась и высота её столба, поскольку на стенках камеры образовывался более толстый слой. В условиях слабой гравитации влияние поверхностного натяжения, смачивания и микроскопической структуры поверхности становится существенно важнее для распределения воды.
Особенно интересные результаты дал раствор с 30% глицерина. Он лучше смачивал поверхности экспериментальной камеры. Исследователи предполагают, что вещества, повышающие смачиваемость, или гидрогели в будущем могут помочь воде проникать в лунный реголит и равномернее распределяться возле корней растений. Глицерин рассматривается как один из возможных вариантов, поскольку он также может использоваться при выращивании растений.
Проблема особенно важна из-за свойств самого лунного грунта. Сухой поверхностный реголит обладает гидрофобными свойствами и в основном состоит из частиц микрометрового размера. В сочетании с гравитацией, составляющей примерно одну шестую земной, это может сильно ограничивать проникновение воды в грунт. Вода на Луне также может распределяться значительно медленнее, чем в земной почве.
Неправильное распределение жидкости создаёт ещё одну опасность — нехватку кислорода в зоне корней. В условиях микрогравитации эта проблема уже известна по экспериментам с растениями: вода может заполнять поры субстрата и вытеснять из них воздух. На Международной космической станции для решения этой задачи используют пористый субстрат с частицами размером примерно 1–2 мм, позволяющими сохранять воздушные промежутки. Для Луны оптимальный размер частиц пока неизвестен; авторы предполагают, что он может находиться примерно в диапазоне 0,5–1 мм.
Полученные результаты пока нельзя считать готовой инструкцией по устройству лунного огорода. Авторы отмечают ограничения эксперимента: шероховатость напечатанных на 3D-принтере камер влияла на смачивание, один из отсеков протекал, а измеренные характеристики поверхностного натяжения заметно отличались от справочных значений. Поэтому следующим важным этапом должны стать эксперименты непосредственно с водой и аналогами лунного реголита при пониженной гравитации.
Такие исследования необходимы для долговременных лунных баз. Растения смогут обеспечивать экипажи не только пищей: они поглощают углекислый газ, выделяют кислород, участвуют в очистке воды и могут стать частью замкнутой системы жизнеобеспечения. Но эксперимент показывает, что даже такая привычная на Земле задача, как доставка воды к корням, в лунной гравитации потребует специально разработанных технологий.
Исследование в журнале Microgravity Science and Technology.