Впервые исследователи изучили поведение водной среды в условиях, имитирующих лунную гравитацию, непосредственно во время космического полёта. Проведённый эксперимент продемонстрировал, что при слабом притяжении наблюдаются существенные изменения в распределении жидкости, а взаимодействие воды с поверхностью приобретает особенное значение. Эти данные необходимо учитывать при проектировании будущих лунных теплиц и систем для выращивания растений.

Экспериментальную работу осуществили Карл Хазенштейн из Университета Луизианы в Лафейете, Джон Кисс из Флоридского технологического института и Кристофер Маккей, сотрудник Исследовательского центра Эймса NASA. Научное оборудование было доставлено на околоземную орбиту 4 февраля 2025 года на борту ракеты New Shepard в рамках миссии NS-29 компании Blue Origin. После отделения капсулы от ускорителя она была подвергнута вращению примерно до скорости 11 оборотов в минуту, что создало центробежную силу, эквивалентную ускорению 1,76 ± 0,02 м/с² — на 8% превышающему реальную лунную гравитацию, составляющую около 1,625 м/с².

Условия, приближенные к лунной гравитации, поддерживались в течение примерно 2,3 минут. В этот период экспериментальные камеры зафиксировали 86 снимков с жидкостями. Для анализа были использованы деионизированная вода, водный раствор глицерина (с концентрацией 30%) и раствор хлорида натрия (с концентрацией 0,8%). Затем исследователи сравнили форму поверхности жидкости в условиях слабой гравитации с её поведением при земной гравитации и определили степень отклонения воды от горизонтали у стенок контейнера.

В условиях земного притяжения поверхность жидкости оставалась относительно ровной, тогда как в условиях лунной гравитации она значительно сильнее изгибалась вдоль стенок ёмкости. При неизменном объёме жидкости менялся и уровень её столба, поскольку на стенках камеры формировался более толстый слой. В условиях слабой гравитации поверхностное натяжение, смачивание и микроскопическая структура поверхности оказывают значительно большее влияние на распределение воды.

Заметные результаты были получены при использовании раствора с концентрацией глицерина 30%. Он демонстрировал улучшенное смачивание поверхностей экспериментальной установки. Ученые высказывают предположение, что соединения, увеличивающие смачиваемость, или гидрогели, в перспективе, могут способствовать проникновению воды в лунный реголит и более равномерному распределению влаги вокруг корней растений. Глицерин рассматривается как один из потенциальных вариантов для этой цели, учитывая его применимость также в процессе выращивания сельскохозяйственных культур.

Особую актуальность эта проблема приобретает в связи с характеристиками лунного грунта. Сухой поверхностный реголит обладает гидрофобными свойствами и преимущественно состоит из частиц микроскопических размеров. В совокупности с гравитацией, составляющей примерно одну шестую от земной, это может существенно затруднять проникновение воды в почву. Кроме того, на Луне вода может распределяться значительно медленнее, чем в условиях земного грунта.

Неравномерное распределение жидкости создает дополнительную угрозу – дефицит кислорода в корневой зоне. В условиях микрогравитации эта проблема уже была зафиксирована в ходе экспериментов с растениями: жидкость может заполнять поры субстрата, вытесняя из них воздух. На Международной космической станции для решения этой задачи применяется пористый субстрат с частицами размером около 1–2 мм, что позволяет сохранять воздушные карманы. Оптимальный размер частиц для лунных условий пока не определен; исследователи предполагают, что он может находиться в пределах от 0,5 до 1 мм.

Представленные данные нельзя рассматривать как окончательное руководство по созданию лунной оранжереи. Исследователи указывают на ряд факторов, повлиявших на результаты эксперимента: неровности поверхности камер, изготовленных методом трехмерной печати, негативно сказались на способности к смачиванию, один из отсеков оказался непрочным и протекал, а полученные показатели поверхностного натяжения существенно расходились с общепринятыми данными. В связи с этим, следующим приоритетным шагом станет проведение опытов с использованием воды и материалов, имитирующих лунный грунт, в условиях пониженной гравитации.

Подобные исследования представляются необходимыми для создания долгосрочных лунных поселений. Растения смогут обеспечивать экипажи не только продуктами питания: они поглощают углекислый газ, выделяют кислород, участвуют в очистке воды и могут стать частью замкнутой системы жизнеобеспечения. Однако эксперимент демонстрирует, что даже такая обыденная на Земле задача, как доставка воды к корням растений, в условиях лунной гравитации потребует разработки специализированных технологий.

Исследование опубликовано в журнале Microgravity Science and Technology.