Odkrycie wody na Marsie i Księżycu przez sondy europejskie i amerykańskie to przede wszystkim zasługa rosyjskich naukowców
Za regularnymi doniesieniami o coraz to nowych znaleziskach 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 na szczególną uwagę zasługuje wykrycie 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 urządzeniach, pomogły znaleźć tu wodę, a w przyszłości pomogą zapewnić załogowe wyprawy. Maxim Mokrousov, szef Laboratorium Urządzeń Fizyki Jądrowej w Instytucie Badań Kosmicznych (IKI) RAS, powiedział rosyjskiej planecie, dlaczego zachodnie agencje kosmiczne preferują rosyjskie detektory neutronów.
- Statki kosmiczne - orbitujące, lądujące i łaziki - przewożą całe zestawy instrumentów: spektrometry, wysokościomierze, chromatografy gazowe itp. Dlaczego na wielu z nich detektory neutronów są rosyjskie? Jaki jest tego powód?
- Wynika to ze zwycięstw naszych projektów w otwartych przetargach, które przeprowadzają organizatorzy takich misji. Podobnie jak konkurencja składamy ofertę i staramy się udowodnić, że nasze urządzenie jest optymalne dla danego 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 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 zachodzi pełnoprawna, choć miniaturowa reakcja termojądrowa z uwolnieniem neutronów.
Amerykanie nie wiedzą, jak zrobić takie generatory, ale stworzyli je nasi koledzy z Moskiewskiego Instytutu Badawczego Automatyki im. Duchowa. W czasach sowieckich był kluczowym ośrodkiem, w którym opracowywano bezpieczniki do głowic nuklearnych, a dziś część jej produktów jest przeznaczona 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; do tej pory nikt tego nie zrobił.
Aktywny detektor neutronów DAN
Zastosowanie: Mars Science Laboratory / łazik 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 gruncie na głębokości 1 m na trasie łazika.
Maxim Mokrousov: „Na prawie całej 10-kilometrowej ścieżce, którą przemierzył łazik, woda w górnych warstwach gleby znajdowała się zwykle na poziomie 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 wysłany 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 z grubsza jasne. A jak przebiega sama detekcja neutronów?
- Niskoenergetyczne neutrony wykrywamy za pomocą liczników proporcjonalnych opartych na helu-3 - pracują w DAN, LEND, MGNS i wszystkich innych naszych urządzeniach. Neutron uwięziony w helu-3 „rozbija” jego rdzeń na dwie cząstki, które są następnie przyspieszane w polu magnetycznym, wywołując reakcję lawinową, a na wyjściu impuls prądowy (elektrony).
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 z organicznego tworzywa sztucznego, takiego jak stilben. Cóż, promienie gamma mogą wykrywać kryształy na bazie lantanu i bromu. Jednocześnie w ostatnim czasie pojawiły się jeszcze wydajniejsze kryształy na bazie ceru i bromu, stosujemy je w jednym z naszych najnowszych detektorów, który w przyszłym roku poleci na Merkurego.
- A jednak dlaczego zachodnie spektrografy wybierane są dokładnie w tych samych otwartych konkursach zachodnich agencji kosmicznych, inne instrumenty też są zachodnie, a detektory neutronów raz po raz rosyjskie?
- Zasadniczo chodzi o fizykę jądrową: w tej dziedzinie nadal pozostajemy jednym z wiodących krajów na świecie. Nie chodzi tylko o broń, ale także o masę powiązanych technologii, w które zaangażowani są nasi naukowcy. Nawet w czasach sowieckich udało nam się wypracować tu tak dobry grunt, że nawet w latach 90. nie można było całkowicie stracić wszystkiego, ale dzisiaj znów przyspieszamy.
Należy rozumieć, że same zachodnie agencje nie płacą ani grosza za te nasze urządzenia. Wszystkie powstają za pieniądze Roskosmosu, jako nasz wkład w misje zagraniczne. W zamian za to 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 wykryciem 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, HEND, który wciąż pracuje na pokładzie amerykańskiej sondy Mars Odyssey. To dzięki niemu powstała pierwsza mapa zawartości wodoru w powierzchniowych warstwach Czerwonej Planety.
Spektrometr neutronów HEND
Zastosowanie: statek kosmiczny Mars Odyssey (NASA), od 2001 do chwili obecnej. Waga: 3,7 kg. Pobór mocy: 5,7 W. Główne wyniki: mapy rozmieszczenia lodu wodnego na dużych szerokościach geograficznych na północy i południu Marsa z rozdzielczością około 300 km, obserwacje zmian sezonowych w czapach okołobiegunowych.
Maxim Mokrousov: „Bez fałszywej skromności mogę powiedzieć, że na Marsie Odyssey, która wkrótce będzie na orbicie przez 15 lat, prawie wszystkie instrumenty już zaczęły działać nieprawidłowo i tylko nasz nadal działa bez problemów. Działa w parze z detektorem gamma, skutecznie reprezentując nim pojedynczy instrument, obejmując 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 hamowane 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 przez glebę: 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, dlatego 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, dla ich rozwoju. Jeśli na nich wylądujesz, wtedy woda jest oczywiście najważniejszym zasobem, który trzeba będzie dostarczać lub wydobywać lokalnie. Energia elektryczna może być pozyskiwana z paneli słonecznych lub źródeł jądrowych. Woda jest trudniejsza: na przykład głównym ładunkiem, który statki towarowe muszą dziś dostarczyć do ISS, jest woda. Za każdym razem biorą 2–2,5 tony.
LEND detektor neutronów
Zastosowanie: statek kosmiczny Lunar Reconnaissance Orbiter (NASA), 2009 do chwili obecnej. Waga: 26,3 kg. Pobór mocy: 13W 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 LEND zastosowaliśmy już kolimator na bazie boru-10 i polietylenu, który blokuje neutrony po bokach pola widzenia urządzenia. To ponad dwukrotnie zwiększyło masę detektora, ale pozwoliło na uzyskanie większej rozdzielczości podczas obserwacji powierzchni Księżyca – myślę, że to była główna zaleta urządzenia, która pozwoliła nam ponownie ominąć naszych kolegów z Los Alamos.”
- Ile takich urządzeń zostało już wyprodukowanych? A ile jest w planach?
- Łatwo je wymienić: już operują HAND na Mars Odyssey i LEND na księżycowym LRO, DAN na łaziku Curiosity, a także BTN-M1 zainstalowanym na ISS. Warto do tego dodać detektor NS-HEND, który wchodził w skład rosyjskiej sondy „Phobos-Grunt” i niestety wraz z nią zaginął. Teraz na różnych etapach gotowości mamy jeszcze cztery takie urządzenia.
BTN-M1. Zdjęcie: Instytut Badań Kosmicznych RAS
Pierwszy z nich - latem przyszłego roku - będzie latał detektorem FREND, stanie się on częścią wspólnej misji z EU ExoMars. Ta misja ma bardzo dużą skalę, obejmie orbiter, lądownik i mały łazik, które zostaną wystrzelone osobno w latach 2016-2018. FREND będzie pracował nad sondą orbitującą, na której użyjemy tego samego kolimatora, co na księżycowym LEND, aby zmierzyć zawartość wody na Marsie z taką samą dokładnością, z jaką zrobiono to dla Księżyca. W międzyczasie mamy te dane dla Marsa tylko w dość przybliżonym przybliżeniu.
Merkuriański spektrometr gamma i neutronów (MGNS), który będzie pracował 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 już trwają w ramach statku kosmicznego.
Przygotowujemy też instrumenty do misji rosyjskich – to dwa detektory ADRON, które będą działać w ramach pojazdów zjazdowych Luna-Glob, a następnie Luna-Resurs. 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: 12,3 W Główne wyniki: skonstruowano mapy strumieni neutronów w sąsiedztwie ISS, oceniono sytuację radiacyjną na stacji w związku z aktywnością Słońca, przeprowadzono eksperyment rejestrowania kosmicznych rozbłysków gamma.
Maxim Mokrousov: „Zaangażując się w ten projekt, byliśmy dość zaskoczeni: w rzeczywistości różne formy promieniowania to różne cząstki, w tym elektrony, protony i neutrony. Jednocześnie okazało się, że składowa neutronowa zagrożenia radiacyjnego nie została jeszcze właściwie zmierzona, a jest to szczególnie niebezpieczna jego forma, ponieważ neutrony są niezwykle trudne do przesiewania konwencjonalnymi metodami.”
- W jakim stopniu same te urządzenia można nazwać rosyjskimi? Czy wysoki jest w nich 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, komorę do badania kompatybilności elektromagnetycznej… Tak naprawdę potrzebujemy tylko produkcji zewnętrznej dla poszczególnych komponentów – np. płytki obwodów drukowanych. Pomagają nam w tym partnerzy z Instytutu Techniki Elektronicznej i Komputerowej (NIITSEVT) oraz szereg przedsiębiorstw komercyjnych.
Wcześniej oczywiście nasze instrumenty miały sporo, bo około 80%, importowanych komponentów. Jednak teraz nowe produkowane przez nas urządzenia są prawie całkowicie zmontowane z komponentów krajowych. 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 odpowiednich do naszych zadań. Teraz są przedsiębiorstwa Zelenograd „Angstrem”, „Elvis” i „Milandr”, jest Woroneż NIIET - wybór jest wystarczający. Łatwiej było nam oddychać.
Najbardziej obraźliwe jest absolutne uzależnienie naszych detektorów od producentów kryształów scyntylatorów. O ile mi wiadomo, podejmowane są próby wyhodowania ich w jednym z instytutów w Czernogołowce pod Moskwą, ale nie udało im się jeszcze osiągnąć wymaganych wymiarów i objętości superczystego kryształu. Dlatego pod tym względem nadal musimy polegać na europejskich partnerach, a dokładniej na koncernie Saint-Gobain. Jednak na tym rynku koncern jest zupełnym monopolistą, dlatego cały świat pozostaje w pozycji zależnej.
