Rosjanie na Marsie
Odkrycie wody na Marsie i Księżycu przez sondy europejskie i amerykańskie to przede wszystkim zasługa rosyjskich naukowców
Poza regularnymi doniesieniami o coraz większej liczbie odkryć dokonywanych przez misje europejskie i amerykańskie, uwadze opinii publicznej umyka fakt, że wiele z tych odkryć zostało dokonanych dzięki pracy rosyjskich naukowców, inżynierów i projektantów. Wśród takich odkryć można szczególnie wyróżnić odkrycie śladów wody na najbliższych nam i, jak się wcześniej wydawało, całkowicie suchych ciałach niebieskich – Księżycu i Marsie. To właśnie rosyjskie detektory neutronów, pracujące na zagranicznych pojazdach, pomogły znaleźć tu wodę, a w przyszłości pomogą zapewnić ekspedycje załogowe. Dr Maxim Mokrousov, doktor fizyki i matematyki, powiedział Russian Planet, dlaczego zachodnie agencje kosmiczne preferują rosyjskie detektory neutronów.
- Statki kosmiczne - zarówno orbitalne, jak i opadające oraz łaziki planetarne - przewożą całe zestawy instrumentów: spektrometry, wysokościomierze, chromatografy gazowe itp. Dlaczego detektory neutronów na wielu z nich są rosyjskie? Z czym to się wiąże?
— Wynika to ze zwycięstw naszych projektów w otwartych przetargach organizowanych przez organizatorów takich misji. Podobnie jak nasi konkurenci składamy ofertę i staramy się udowodnić, że nasze urządzenie jest optymalne dla tego urządzenia. A teraz kilka razy nam się udało.
Naszym zwykłym rywalem w takich zawodach jest Laboratorium Narodowe Los Alamos, to samo, w którym zrealizowano Projekt Manhattan i stworzono pierwszą bombę atomową. Ale, na przykład, nasze laboratorium zostało specjalnie zaproszone do wykonania detektora neutronów dla łazika MSL (Curiosity), ponieważ dowiedzieliśmy się o nowej technologii, którą mamy. Stworzony dla amerykańskiego łazika marsjańskiego DAN stał się pierwszym detektorem neutronów z generowaniem cząstek aktywnych. W rzeczywistości składa się z dwóch części - samego detektora i generatora, w którym elektrony rozpędzone do bardzo dużych prędkości uderzają w tarczę trytową i w rzeczywistości z uwolnieniem neutronów zachodzi pełnoprawna, choć miniaturowa reakcja termojądrowa.
Amerykanie nie wiedzą, jak zrobić takie generatory, ale stworzyli je nasi koledzy z Moskiewskiego Wszechrosyjskiego Instytutu Automatyki im. Duchowa. W czasach sowieckich był kluczowym ośrodkiem, w którym opracowywano „bezpieczniki” do głowic nuklearnych, a dziś niektóre z jej produktów są przeznaczone do celów cywilnych, komercyjnych. Na ogół takie detektory z generatorami są wykorzystywane na przykład w eksploracji złóż ropy naftowej - ta technologia nazywa się rejestracją neutronów. Po prostu przyjęliśmy to podejście i użyliśmy go do łazika; jak dotąd nikt tego nie zrobił.
Aktywny detektor neutronów DAN
Zastosowanie: łazik Mars Science Laboratory/Curiosity (NASA), od 2012 do chwili obecnej. Waga: 2,1 kg (detektor neutronów), 2,6 kg (generator neutronów). Pobór mocy: 4,5 W (detektor), 13 W (generator). Główne wyniki: wykrycie wody związanej w glebie na głębokości do 1 m na trasie łazika.
Maxim Mokrousov: „Na prawie całej 10-kilometrowej ścieżce pokonywanej przez łazik woda znajdowała się zwykle w górnych warstwach gleby, 2–5%. Jednak w maju tego roku natknął się na obszar, w którym albo jest dużo więcej wody, albo obecne są jakieś niezwykłe chemikalia. Łazik został zawrócony i wrócił w podejrzane miejsce. W rezultacie okazało się, że gleba jest tam naprawdę niezwykła jak na Marsa i składa się głównie z tlenku krzemu.
- Z pokoleniem wszystko jest w przybliżeniu jasne. A jak przebiega detekcja neutronów?
— Niskoenergetyczne neutrony wykrywamy za pomocą liczników proporcjonalnych dla helu-3 — pracują w DAN, LEND, MGNS i wszystkich innych naszych urządzeniach. Neutron, który wpadł w hel-3, „rozbija” swoje jądro na dwie cząstki, które są następnie przyspieszane w polu magnetycznym, wywołując reakcję lawinową, a na wyjściu impuls prądowy (elektronowy).
Maxim Mokrousov i Sergey Kapitsa. Zdjęcie: z archiwum osobistego
Neutrony o wysokiej energii są wykrywane w scyntylatorze przez błyski, które wytwarzają, gdy w niego uderzają – zwykle w organiczny plastik, taki jak stilben. Otóż promienie gamma umożliwiają wykrywanie kryształów na bazie lantanu i bromu. Jednocześnie pojawiły się ostatnio jeszcze wydajniejsze kryształy na bazie ceru i bromu, które stosujemy w jednym z naszych najnowszych detektorów, w tym, który w przyszłym roku poleci na Merkurego.
- A jednak dlaczego w tych samych otwartych konkursach zachodnich agencji kosmicznych wybierane są zachodnie spektrografy, inne instrumenty też są zachodnie, a detektory neutronów wciąż i wciąż rosyjskie?
— Ogólnie rzecz biorąc, chodzi o fizykę jądrową: w tej dziedzinie nadal pozostajemy jednym z wiodących krajów na świecie. Nie chodzi tylko o bronie, ale także o masie powiązanych technologii, którymi zajmują się nasi naukowcy. Nawet w czasach ZSRR udało nam się tu osiągnąć tak dobry start, że jeszcze w latach 1990. nie można było całkowicie stracić wszystkiego, ale dziś znów przyspieszamy.
Jednocześnie należy rozumieć, że same agencje zachodnie nie płacą ani grosza za te nasze urządzenia. Wszystkie powstają za pieniądze Roskosmosu, jako nasz wkład w misje zagraniczne. W zamian otrzymujemy wysoki status uczestników międzynarodowych projektów eksploracji kosmosu, a dodatkowo priorytetowy bezpośredni dostęp do danych naukowych, które gromadzą nasze instrumenty.
Wyniki te przekazujemy po przetworzeniu, dlatego słusznie uważamy się za współautorów wszystkich ustaleń dokonanych dzięki naszym urządzeniom. Dlatego wszystkie głośne wydarzenia związane z odkryciem obecności wody na Marsie i Księżycu są, jeśli nie całkowicie, to pod wieloma względami naszym wynikiem.
Po raz kolejny możemy przywołać jeden z naszych pierwszych detektorów, HAND, który wciąż pracuje na pokładzie amerykańskiej sondy Mars Odyssey. To dzięki niemu powstała pierwsza mapa zawartości wodoru w powierzchniowych warstwach Czerwonej Planety.
Spektrometr neutronowy HAND
Zastosowanie: statek kosmiczny Mars Odyssey (NASA), od 2001 do chwili obecnej. Waga: 3,7 kg. Pobór mocy: 5,7W. Główne wyniki: mapy rozmieszczenia lodu wodnego na dużych szerokościach geograficznych na północy i południu Marsa z rozdzielczością około 300 km, obserwacje zmian pór roku w czapach polarnych.
Maxim Mokrousov: „Bez fałszywej skromności mogę powiedzieć, że na Marsie Odyssey, który jest na orbicie od 15 lat, prawie wszystkie urządzenia zaczęły już zawodzić i tylko nasze nadal działają bez problemów. Działa w parze z detektorem gamma, w rzeczywistości reprezentując z nim jeden instrument, obejmujący szeroki zakres energii cząstek”.
- Skoro mówimy o wynikach, jakie zadania naukowe wykonują takie urządzenia?
„Neutrony to cząstki najbardziej wrażliwe na wodór, a jeśli jego atomy są obecne w dowolnym miejscu gleby, neutrony są skutecznie spowalniane przez ich jądra. Na Księżycu lub Marsie mogą być tworzone przez galaktyczne promienie kosmiczne lub emitowane przez specjalne działo neutronowe, a my faktycznie mierzymy neutrony odbite od ziemi: im mniej, tym więcej wodoru.
Otóż z kolei wodór to najprawdopodobniej woda, albo w stosunkowo czystej postaci zamrożonej, albo związana w składzie uwodnionych minerałów. Łańcuch jest prosty: neutrony – wodór – woda, więc głównym zadaniem naszych detektorów neutronów jest właśnie poszukiwanie rezerw wodnych.
Jesteśmy praktycznymi ludźmi i cała ta praca jest wykonywana dla przyszłych misji załogowych na ten sam Księżyc lub Mars, w celu ich eksploracji. Jeśli na nich wylądujesz, to oczywiście woda jest najważniejszym zasobem, który będziesz musiał dostarczyć lub wydobyć na miejscu. Energia elektryczna może być wytwarzana za pomocą paneli słonecznych lub źródeł jądrowych. Z wodą jest trudniej: na przykład głównym ładunkiem, który statki towarowe muszą dziś dostarczać do ISS, jest woda. Za każdym razem pobiera się 2–2,5 tony.
Detektor neutronów LEND
Użycie: Lunar Reconnaissance Orbiter (NASA), 2009 do chwili obecnej. Waga: 26,3 kg. Pobór mocy: 13 W. Główne wyniki: odkrycie potencjalnych rezerw wody na biegunie południowym Księżyca; budowa globalnej mapy promieniowania neutronowego Księżyca o rozdzielczości przestrzennej 5–10 km.
Maxim Mokrousov: „W firmie LEND zastosowaliśmy już kolimator na bazie boru-10 i polietylenu, który blokuje neutrony po bokach pola widzenia instrumentu. To ponad dwukrotnie zwiększyło masę detektora, ale pozwoliło nam osiągnąć większą rozdzielczość podczas obserwacji powierzchni księżyca – myślę, że to była główna zaleta urządzenia, która pozwoliła nam ponownie ominąć kolegów z Los Alamos.
- Ile z tych urządzeń zostało już wyprodukowanych? A ile jest w planach?
- Łatwo je wymienić: działają już HEND na marsjańskim orbicie Mars Odyssey i LEND na księżycowym LRO, DAN na łaziku Curiosity, a także BTN-M1 zainstalowany na ISS. Warto dodać detektor NS-HAND, który był częścią rosyjskiej sondy Fobos-Grunt i niestety zaginął wraz z nią. Teraz mamy jeszcze cztery takie urządzenia na różnych etapach gotowości.
BTN-M1. Fot. Instytut Badań Kosmicznych Rosyjskiej Akademii Nauk
Pierwszym z nich, już latem przyszłego roku, będzie detektor FREND, który wraz z UE stanie się częścią misji ExoMars. Ta misja jest bardzo ambitna, obejmuje orbiter, lądownik i mały łazik, które zostaną wystrzelone osobno w latach 2016-2018. FREND będzie pracował nad sondą orbitującą, a na niej użyjemy tego samego kolimatora, co na księżycowym LEND, aby zmierzyć zawartość wody na Marsie z taką samą dokładnością, jak zrobiono to dla Księżyca. Jak dotąd mamy te dane dla Marsa tylko w dość przybliżonym przybliżeniu.
Spektrometr gamma i neutronów rtęciowych (MGNS), który będzie działał na sondzie BepiColombo, jest już od dawna gotowy i przekazany naszym europejskim partnerom. Planuje się, że start odbędzie się w 2017 roku, podczas gdy ostatnie termiczne testy próżniowe instrumentu są już przeprowadzane w ramach statku kosmicznego.
Przygotowujemy też instrumenty na misje rosyjskie – są to dwa detektory ADRON, które będą pracować w ramach pojazdów zjazdowych Luna-Glob, a następnie Luna-Resource. Ponadto działa czujka BTN-M2. Nie tylko będzie prowadzić obserwacje na pokładzie ISS, ale także umożliwi opracowanie różnych metod i materiałów do skutecznej ochrony astronautów przed neutronową składową promieniowania kosmicznego.
Detektor neutronów BTN-M1
Zastosowanie: Międzynarodowa Stacja Kosmiczna (Roskosmos, NASA, ESA, JAXA itp.), od 2007 roku. Waga: 9,8 kg. Pobór mocy: 12,3W. Główne wyniki: zbudowano mapy strumieni neutronów w sąsiedztwie ISS, oceniono sytuację radiacyjną na stacji w związku z aktywnością Słońca, prowadzony jest eksperyment wykrywania kosmicznych rozbłysków gamma.
Maxim Mokrousov: „Podejmując ten projekt, byliśmy raczej zaskoczeni: w rzeczywistości różne formy promieniowania to różne cząstki, w tym elektrony, protony i neutrony. Jednocześnie okazało się, że nikt jeszcze właściwie nie zmierzył składowej neutronowej zagrożenia radiacyjnego, a jest to jego szczególnie niebezpieczna forma, ponieważ neutrony są niezwykle trudne do osłony konwencjonalnymi metodami.
- Jak same te urządzenia można nazwać rosyjskimi? Czy jest w nich duży udział elementów i części produkcji krajowej?
- Tutaj, w IKI RAS, powstała pełnoprawna produkcja mechaniczna. Posiadamy również wszelkie niezbędne zaplecze testowe: stanowisko wstrząsowe, stanowisko wibracyjne, termiczną komorę próżniową i komorę kompatybilności elektromagnetycznej… W rzeczywistości potrzebujemy tylko produkcji innej firmy dla poszczególnych komponentów - powiedzmy płytek drukowanych. Pomagają nam w tym partnerzy z Instytutu Badawczego Elektroniki i Inżynierii Komputerowej (NIITsEVT), szeregu przedsiębiorstw komercyjnych.
Wcześniej oczywiście nasze instrumenty miały sporo, około 80% importowanych komponentów. Jednak teraz nowe produkowane przez nas urządzenia są już prawie całkowicie zmontowane z krajowych komponentów. Myślę, że w najbliższym czasie nie będzie w nich więcej niż 25% importu, aw przyszłości będziemy mogli jeszcze mniej polegać na zagranicznych partnerach.
Mogę powiedzieć, że domowa mikroelektronika zrobiła w ostatnich latach prawdziwy skok naprzód. Osiem lat temu w naszym kraju w ogóle nie produkowano płytek elektronicznych nadających się do naszych zadań. Teraz są przedsiębiorstwa Zelenograd „Angstrem”, „Elvis” i „Milandr”, jest Woroneż NIIET - wybór jest wystarczający. Łatwiej było nam oddychać.
Najbardziej irytujące jest bezwarunkowe uzależnienie naszych detektorów od producentów kryształów scyntylatorów. O ile mi wiadomo, próbuje się je hodować w jednym z instytutów w Czernogołowce pod Moskwą, ale do tej pory nie były w stanie osiągnąć wymaganych rozmiarów, objętości ultraczystego kryształu. Dlatego w tym względzie nadal musimy polegać na europejskich partnerach, a dokładniej na koncernie Saint-Gobain. Koncern jest jednak zupełnym monopolistą na tym rynku, więc cały świat pozostaje w pozycji zależnej.
informacja