Otkriće vode na Marsu i Mjesecu europskim i američkim sondama prvenstveno je zasluga ruskih znanstvenika
Iza redovitih izvješća o sve više novih nalaza europskih i američkih misija, ne izmiče pažnji javnosti da su mnoga od ovih otkrića napravljena zahvaljujući radu ruskih znanstvenika, inženjera i dizajnera. Među takvim otkrićima može se posebno istaknuti otkrivanje tragova vode na nama najbližim i, kako se ranije činilo, potpuno suhim nebeskim tijelima - Mjesecu i Marsu. Upravo su ruski detektori neutrona, koji su radili na stranim uređajima, pomogli u pronalaženju vode ovdje, a ubuduće će pomoći u pružanju ekspedicija s ljudskom posadom. Maxim Mokrousov, voditelj Laboratorija uređaja za nuklearnu fiziku na Institutu za svemirska istraživanja (IKI), RAS, rekao je za Rusku planetu zašto zapadne svemirske agencije preferiraju ruske detektore neutrona.
- Svemirske letjelice - u orbiti, slijetanju i roverima - nose čitav niz instrumenata: spektrometre, visinomjere, plinske kromatografe itd. Zašto su detektori neutrona na mnogima od njih ruski? Koji je razlog tome?
- To je zbog pobjede naših projekata na otvorenim natječajima, koje provode organizatori takvih misija. Kao i naši konkurenti, podnosimo ponudu i pokušavamo dokazati da je naš uređaj optimalan za dati uređaj. I sada smo nekoliko puta uspješno uspjeli.
Naš uobičajeni rival na takvim natjecanjima je Nacionalni laboratorij Los Alamos, isti onaj u kojem je proveden projekt Manhattan i stvorena prva atomska bomba. No, na primjer, naš je laboratorij bio posebno pozvan da napravi detektor neutrona za rover MSL (Curiosity), nakon što je upoznao novu tehnologiju koju smo imali. Stvoren za američki rover, DAN je postao prvi detektor neutrona s stvaranjem aktivnih čestica. Zapravo se sastoji od dva dijela - samog detektora i generatora, u kojemu su elektroni ubrzani do vrlo velikih brzina pogodili metu tricija i, zapravo, dolazi do punopravne, iako minijaturne, termonuklearne reakcije s oslobađanjem neutrona.
Amerikanci ne znaju napraviti takve generatore, ali stvorili su ga naši kolege s Moskovskog istraživačkog instituta za automatizaciju po Duhovu. U sovjetsko vrijeme bio je ključno središte u kojem su se razvijali osigurači za nuklearne bojeve glave, a danas je dio njegovih proizvoda u civilne, komercijalne svrhe. Općenito, takvi detektori s generatorima koriste se, na primjer, u istraživanju zaliha nafte - ta se tehnologija naziva neutronsko bilježenje. Upravo smo uzeli ovaj pristup i koristili ga za rover; do sada nitko to nije učinio.
Detektor aktivnih neutrona DAN
Upotreba: Mars Science Laboratory / Curiosity (NASA) rover, 2012. do danas. Težina: 2,1 kg (detektor neutrona), 2,6 kg (generator neutrona). Potrošnja energije: 4,5 W (detektor), 13 W (generator). Glavni rezultati: detekcija vezane vode u tlu na dubini od 1 m duž rute rovera.
Maxim Mokrousov: „Duž gotovo cijele 10-kilometarske staze koju je rover prešao, voda u gornjim slojevima tla obično se nalazila 2–5%. Međutim, u svibnju ove godine naišao je na područje u kojem ili ima mnogo više vode, ili su prisutne neke neobične kemikalije. Rover je raspoređen i vraćen na sumnjivo mjesto. Kao rezultat toga, pokazalo se da je tlo tamo zaista neobično za Mars i sastoji se uglavnom od silicijevog oksida."
- S generacijom je sve otprilike jasno. I kako se odvija samo otkrivanje neutrona?
- Detektiramo neutrone niske energije s proporcionalnim brojačima na bazi helija-3- oni rade u DAN, LEND, MGNS i svim ostalim našim uređajima. Neutron zarobljen u heliju-3 "razbija" svoju jezgru na dvije čestice, koje se zatim ubrzavaju u magnetskom polju, stvarajući lavinsku reakciju, a na izlazu strujni impuls (elektroni).
Maxim Mokrousov i Sergey Kapitsa. Fotografija: Iz osobne arhive
Neutroni visoke energije detektiraju se u scintilatoru bljeskovima koje stvaraju pri udaru - obično organskom plastikom, poput stilbena. Pa, gama zrake mogu otkriti kristale na bazi lantana i broma. Istodobno, nedavno su se pojavili još učinkovitiji kristali na bazi cerija i broma, koristimo ih u jednom od najnovijih detektora, koji će sljedeće godine odletjeti na Merkur.
- Pa ipak, zašto su zapadni spektrografi izabrani na potpuno istim natječajima zapadnih svemirskih agencija, drugi instrumenti su također zapadni, a neutronski detektori uvijek iznova ruski?
- Uglavnom, radi se o nuklearnoj fizici: na ovom području i dalje ostajemo jedna od vodećih zemalja u svijetu. Ne radi se samo o oružju, već i o masi srodnih tehnologija kojima se naši znanstvenici bave. Čak smo i za vrijeme Sovjetskog Saveza ovdje uspjeli postići tako dobre temelje da ni devedesetih nije bilo moguće potpuno izgubiti sve, ali danas opet povećavamo tempo.
Treba shvatiti da same zapadne agencije ne plaćaju ni lipe za ove naše uređaje. Svi su napravljeni novcem Roscosmosa, kao naš doprinos stranim misijama. U zamjenu za to, dobivamo visok status sudionika u međunarodnim projektima istraživanja svemira, a osim toga, prioritetan izravan pristup znanstvenim podacima koje naši instrumenti prikupljaju.
Ove rezultate prenosimo nakon obrade, stoga nas s pravom smatraju koautorima svih nalaza do kojih je došlo zahvaljujući našim uređajima. Stoga su svi značajni događaji s otkrivanjem prisutnosti vode na Marsu i Mjesecu, ako ne u cijelosti, onda u mnogo čemu naš rezultat.
Još se jednom možemo prisjetiti jednog od naših prvih detektora, HEND, koji još uvijek radi na američkoj sondi Mars Odyssey. Zahvaljujući njemu prvi je put sastavljena karta sadržaja vodika u površinskim slojevima Crvenog planeta.
HEND neutronski spektrometar
Upotreba: svemirska letjelica Mars Odyssey (NASA), od 2001. do danas. Težina: 3,7 kg. Potrošnja energije: 5,7 W. Glavni rezultati: zemljopisne karte raspodjele vodenog leda na sjeveru i jugu Marsa s razlučivošću od oko 300 km, promatranje sezonskih promjena u cirkumpolarnim kapama.
Maxim Mokrousov: „Bez lažne skromnosti, mogu reći da su na Marsu Odyssey, koja će uskoro biti u orbiti 15 godina, gotovo svi instrumenti već počeli kvariti, a samo naš nastavlja raditi bez problema. Radi u tandemu s gama detektorom, učinkovito predstavljajući jedan instrument s njim, pokrivajući širok raspon energija čestica."
- Budući da govorimo o rezultatima, kakve znanstvene zadatke obavljaju takvi uređaji?
- neutroni su čestice najosjetljivije na vodik, a ako su njegovi atomi prisutni bilo gdje u tlu, neutroni se učinkovito inhibiraju svojim jezgrama. Na Mjesecu ili Marsu mogu se stvoriti galaktičkim kozmičkim zrakama ili emitirati posebnim neutronskim pištoljem, a mi zapravo mjerimo neutrone koje reflektira tlo: što ih je manje, to je više vodika.
Pa, vodik je pak najvjerojatnije voda, bilo u relativno čistom smrznutom obliku, ili vezana u sastavu hidratiziranih minerala. Lanac je jednostavan: neutroni - vodik - voda, stoga je glavni zadatak naših neutronskih detektora upravo traženje zaliha vode.
Mi smo praktični ljudi i sav taj posao obavlja se za buduće misije s ljudskom posadom na isti Mjesec ili Mars, radi njihovog razvoja. Ako na njih sletite, voda je, naravno, najznačajniji resurs koji će se morati isporučiti ili izvaditi lokalno. Električna energija može se dobiti iz solarnih panela ili nuklearnih izvora. Voda je teža: na primjer, glavni teret koji teretni brodovi danas moraju isporučiti na ISS je voda. Svaki put uzimaju 2–2,5 tone.
Detektor neutrona LEND
Upotreba: Svemirska letjelica Lunar Reconnaissance Orbiter (NASA), 2009. do danas. Težina: 26,3 kg. Potrošnja energije: 13W Glavni rezultati: otkrivanje potencijalnih rezervi vode na južnom Mjesečevom polu; izgradnja globalne karte neutronskog zračenja Mjeseca s prostornom razlučivošću 5-10 km.
Maxim Mokrousov: „U LEND-u smo već koristili kolimator na bazi bora-10 i polietilena, koji blokira neutrone sa strana vidnog polja uređaja. Više je nego udvostručio masu detektora, ali je omogućio postizanje veće razlučivosti prilikom promatranja Mjesečeve površine - mislim da je to bila glavna prednost uređaja koja nam je omogućila da opet zaobiđemo kolege iz Los Alamosa."
- Koliko je takvih uređaja već napravljeno? A koliko je planirano?
- Lako ih je navesti: već rade HAND na Mars Odyssey i LEND na lunarnom LRO, DAN na roveru Curiosity, kao i BTN-M1 instaliran na ISS-u. Vrijedno je tome dodati i detektor NS-HEND, koji je bio uključen u rusku sondu "Phobos-Grunt" i, nažalost, izgubljen zajedno s njim. Sada, u različitim fazama pripravnosti, imamo još četiri takva uređaja.
BTN-M1. Foto: Institut za svemirska istraživanja RAS
Prvi od njih - idućeg ljeta - letjet će detektor FREND, postat će dio zajedničke misije s EU ExoMars. Ova misija je vrlo velikih razmjera, uključivat će orbiter, lander i mali rover, koji će se lansirati zasebno tijekom 2016.-2018. FREND će raditi na sondi u orbiti, a na njoj koristimo isti kolimator kao na lunarnoj LEND za mjerenje sadržaja vode na Marsu s istom točnošću s kojom je to učinjeno za Mjesec. U međuvremenu, te podatke za Mars imamo samo u prilično gruboj aproksimaciji.
Mercurian gama i neutronski spektrometar (MGNS), koji će raditi na sondi BepiColombo, odavno je spreman i predan našim europskim partnerima. Planirano je da će se lansiranje dogoditi 2017. godine, dok su posljednja ispitivanja termalnog vakuuma instrumenta već u tijeku u sklopu letjelice.
Pripremamo i instrumente za ruske misije-radi se o dva ADRON detektora, koji će djelovati u sklopu vozila za spuštanje Luna-Glob, a zatim Luna-Resurs. Osim toga, u funkciji je detektor BTN-M2. Ne samo da će provoditi promatranja na brodu, već će omogućiti i razradu različitih metoda i materijala za učinkovitu zaštitu astronauta od neutronske komponente kozmičkog zračenja.
BTN-M1 neutronski detektor
Upotreba: Međunarodna svemirska postaja (Roscosmos, NASA, ESA, JAXA itd.), Od 2007. Težina: 9,8 kg. Potrošnja energije: 12,3W Glavni rezultati: izrađene su karte neutronskih tokova u blizini ISS-a, procijenjena je situacija zračenja na stanici u vezi s aktivnošću Sunca, proveden je eksperiment za registriranje svemirskih gama zraka.
Maxim Mokrousov: „Uključivši se u ovaj projekt, bili smo prilično iznenađeni: uostalom, zapravo, različiti oblici zračenja su različite čestice, uključujući elektrone, protone i neutrone. Istodobno se pokazalo da neutronska komponenta opasnosti od zračenja još nije pravilno izmjerena, a to je njezin posebno opasan oblik, jer je neutrone iznimno teško prikazati konvencionalnim metodama."
- U kojoj se mjeri sami ti uređaji mogu nazvati ruskim? Je li u njima visok udio elemenata i dijelova domaće proizvodnje?
- Ovdje, u IKI RAS-u, uspostavljena je punopravna mehanička proizvodnja. Također imamo sve potrebne ispitne mogućnosti: stalak za udarce, stalak za vibracije, termo vakuumsku komoru i komoru za ispitivanje elektromagnetske kompatibilnosti … Zapravo, potrebna nam je samo proizvodnja treće strane za pojedinačne komponente - na primjer, tiskane ploče. U tome nam pomažu partneri iz Istraživačkog instituta za elektroničku i računalnu tehnologiju (NIITSEVT) i brojna trgovačka poduzeća.
Ranije su, naravno, naši instrumenti imali puno, oko 80%, uvoznih komponenti. Međutim, sada su novi uređaji koje proizvodimo gotovo u potpunosti sastavljeni od domaćih komponenti. Mislim da će u bliskoj budućnosti u njima biti najviše 25% uvoza, a u budućnosti ćemo moći još manje ovisiti o stranim partnerima.
Mogu reći da je domaća mikroelektronika posljednjih godina napravila pravi iskorak. Prije osam godina u našoj zemlji elektroničke ploče prikladne za naše zadatke uopće se nisu proizvodile. Sada postoje zelenogradska poduzeća "Angstrem", "Elvis" i "Milandr", tu je Voronezh NIIET - izbor je dovoljan. Postalo nam je lakše disati.
Najuvredljivija stvar je apsolutna ovisnost o proizvođačima scintilacijskih kristala za naše detektore. Koliko ja znam, pokušava se uzgojiti u jednom od instituta Chernogolovka u blizini Moskve, ali oni još nisu uspjeli postići potrebne dimenzije i zapremine superčistog kristala. Stoga se u tom pogledu još uvijek moramo osloniti na europske partnere, točnije na koncern Saint-Gobain. Međutim, na ovom tržištu koncern je potpuni monopolist, pa cijeli svijet ostaje u ovisnom položaju.
