Ūdens atklāšana uz Marsa un Mēness, ko veikušas Eiropas un Amerikas zondes, galvenokārt ir Krievijas zinātnieku nopelns
Ar regulāriem ziņojumiem par arvien jauniem atklājumiem, ko veikušas Eiropas un Amerikas misijas, sabiedrības uzmanība tiek novērsta, jo daudzi no šiem atklājumiem tika veikti, pateicoties Krievijas zinātnieku, inženieru un dizaineru darbam. Starp šādiem atklājumiem īpaši iespējams izcelt ūdens pēdu noteikšanu uz mums vistuvākajiem un, kā iepriekš šķita, pilnīgi sausiem debess ķermeņiem - Mēness un Marsa. Tieši Krievijas neitronu detektori, kas strādāja pie svešām ierīcēm, palīdzēja šeit atrast ūdeni, un nākotnē tie palīdzēs nodrošināt apkalpes ekspedīcijas. Krievijas Zinātņu akadēmijas Kosmosa izpētes institūta (IKI) Kodolfizikas ierīču laboratorijas vadītājs Maksims Mokrousovs Krievijas planētai pastāstīja, kāpēc Rietumu kosmosa aģentūras dod priekšroku Krievijas neitronu detektoriem.
- Kosmosa kuģiem - orbītā, nosēšanās un roveros - ir veseli instrumentu komplekti: spektrometri, altimetri, gāzu hromatogrāfi utt. Kāpēc daudziem no tiem ir krievu neitronu detektori? Kāds tam iemesls?
- Tas ir saistīts ar mūsu projektu uzvaru atklātajos konkursos, kurus veic šādu misiju organizatori. Tāpat kā mūsu konkurenti, mēs iesniedzam piedāvājumu un cenšamies pierādīt, ka mūsu ierīce ir optimāla konkrētajai ierīcei. Un tagad vairākas reizes mums tas ir veiksmīgi izdevies.
Mūsu parastais konkurents šādās sacensībās ir Los Alamos Nacionālā laboratorija, tā pati, kur tika īstenots Manhetenas projekts un tika izveidota pirmā atombumba. Bet, piemēram, mūsu laboratorija tika īpaši uzaicināta izgatavot neitronu detektoru MSL (Curiosity) roverim, uzzinot par mūsu jaunajām tehnoloģijām. Amerikāņu roverim radītais DAN kļuva par pirmo neitronu detektoru ar aktīvo daļiņu ģenerēšanu. Patiesībā tas sastāv no divām daļām - paša detektora un ģeneratora, kurā elektroni, kas paātrinās līdz ļoti lieliem ātrumiem, trāpīja pret tritija mērķi un patiesībā notiek pilnvērtīga, kaut arī miniatūra, kodolreakcija ar neitronu izdalīšanos.
Amerikāņi nezina, kā izgatavot šādus ģeneratorus, taču to izveidoja mūsu kolēģi no Maskavas Dukhova vārdā nosauktajā Automātikas pētniecības institūtā. Padomju laikos tas bija galvenais centrs, kurā tika izstrādāti kodolgalviņu galviņu drošinātāji, un šodien daļa no tās produktiem ir paredzēta civiliem, komerciāliem mērķiem. Parasti šādus detektorus ar ģeneratoriem izmanto, piemēram, naftas rezervju izpētē - šo tehnoloģiju sauc par neitronu reģistrēšanu. Mēs vienkārši izvēlējāmies šo pieeju un izmantojām to roverim; līdz šim neviens to nav darījis.
Aktīvs neitronu detektors DAN
Lietošana: Marsa zinātniskās laboratorijas / zinātkāres (NASA) braucējs, no 2012. gada līdz šim. Svars: 2,1 kg (neitronu detektors), 2,6 kg (neitronu ģenerators). Enerģijas patēriņš: 4,5 W (detektors), 13 W (ģenerators). Galvenie rezultāti: saistītā ūdens noteikšana zemē 1 m dziļumā pa rovera maršrutu.
Maksims Mokrousovs: “Gandrīz visā 10 kilometru ceļā, ko šķērsoja roveris, ūdens augšējos augsnes slāņos parasti tika atrasts 2–5%. Tomēr šī gada maijā viņš nejauši uzgāja teritoriju, kurā ūdens ir daudzkārt vairāk vai ir kādas neparastas ķīmiskas vielas. Roveris tika izvietots un atgriezās aizdomīgā vietā. Rezultātā izrādījās, ka tur esošā augsne Marsam ir patiešām neparasta un sastāv galvenokārt no silīcija oksīda."
- Ar paaudzi viss ir aptuveni skaidrs. Un kā notiek pati neitronu noteikšana?
- Mēs atklājam zemas enerģijas neitronus ar proporcionāliem skaitītājiem, kuru pamatā ir hēlijs-3- tie darbojas DAN, LEND, MGNS un visās citās mūsu ierīcēs. Hēlijā-3 iesprostotais neitrons "sadala" savu kodolu divās daļiņās, kuras pēc tam tiek paātrinātas magnētiskajā laukā, radot lavīnas reakciju un izejā-strāvas impulsu (elektronus).
Maksims Mokrousovs un Sergejs Kapitsa. Foto: no personīgā arhīva
Augstas enerģijas neitronus scintilatorā nosaka zibspuldzes, ko tie rada, kad tie trāpa, parasti organiskā plastmasa, piemēram, stilbēns. Ar gamma stariem var noteikt kristālus, kuru pamatā ir lantāns un broms. Tajā pašā laikā nesen ir parādījušies vēl efektīvāki kristāli, kuru pamatā ir cerijs un broms, mēs tos izmantojam vienā no mūsu jaunākajiem detektoriem - tajā, kas nākamgad lidos uz Merkuru.
- Un tomēr kāpēc Rietumu spektrogrāfi tiek izvēlēti tieši tajos pašos atklātajos Rietumu kosmosa aģentūru konkursos, arī citi instrumenti ir rietumu, un neitronu detektori atkal un atkal ir krievu?
- Kopumā tas viss ir saistīts ar kodolfiziku: šajā jomā mēs joprojām esam viena no vadošajām valstīm pasaulē. Tas attiecas ne tikai uz ieročiem, bet arī uz saistīto tehnoloģiju masu, ar ko nodarbojas mūsu zinātnieki. Pat padomju laikā mums izdevās panākt tik labu pamatu šeit, ka pat deviņdesmitajos gados nebija iespējams pilnībā zaudēt visu, bet šodien mēs atkal palielinām tempu.
Jāsaprot, ka Rietumu aģentūras pašas par šīm mūsu ierīcēm nemaksā ne santīma. Visi no tiem ir izgatavoti par Roscosmos naudu kā mūsu ieguldījumu ārvalstu misijās. Apmaiņā pret to mēs saņemam augstu starptautisko kosmosa izpētes projektu dalībnieku statusu, kā arī prioritāru tiešu piekļuvi zinātniskajiem datiem, ko apkopo mūsu instrumenti.
Mēs pārsūtām šos rezultātus pēc apstrādes, tāpēc mūs pamatoti uzskata par visu to atklājumu līdzautoriem, kas tika iegūti, pateicoties mūsu ierīcēm. Tāpēc visi augsta līmeņa notikumi ar ūdens klātbūtnes noteikšanu uz Marsa un Mēness ir, ja ne pilnībā, tad daudzējādā ziņā mūsu rezultāts.
Mēs varam vēlreiz atcerēties vienu no mūsu pirmajiem detektoriem HEND, kas joprojām darbojas uz amerikāņu Mars Odyssey zondes. Pateicoties viņam, vispirms tika sastādīta ūdeņraža satura karte Sarkanās planētas virsmas slāņos.
HEND neitronu spektrometrs
Lietošana: Marsa Odiseja (NASA) kosmosa kuģis, no 2001. gada līdz šim. Svars: 3,7 kg. Enerģijas patēriņš: 5,7 W. Galvenie rezultāti: ūdens ledus izplatības kartes platuma grādos Marsa ziemeļos un dienvidos ar aptuveni 300 km izšķirtspēju, sezonālo izmaiņu novērošana apkārtmēra cepurēs.
Maksims Mokrousovs: “Bez viltus pieticības varu teikt, ka uz Marsa Odisejas, kas drīzumā būs orbītā 15 gadus, gandrīz visi instrumenti jau ir sākuši darboties nepareizi, un tikai mūsējie turpina strādāt bez problēmām. Tas darbojas kopā ar gamma detektoru, efektīvi pārstāvot vienu instrumentu ar to, aptverot plašu daļiņu enerģiju."
- Tā kā mēs runājam par rezultātiem, kādus zinātniskus uzdevumus veic šādas ierīces?
- Neitroni ir daļiņas, kas ir visjutīgākās pret ūdeņradi, un, ja tā atomi atrodas jebkur augsnē, to kodoli efektīvi kavē neitronus. Uz Mēness vai Marsa tos var radīt galaktiskie kosmiskie stari vai izstarot ar īpašu neitronu pistoli, un mēs faktiski mēra neitronus, ko atstaro augsne: jo mazāk to ir, jo vairāk ūdeņraža.
Nu, ūdeņradis, visticamāk, ir ūdens vai nu samērā tīrā sasaldētā veidā, vai saistīts ar hidratētu minerālu sastāvu. Ķēde ir vienkārša: neitroni - ūdeņradis - ūdens, tāpēc mūsu neitronu detektoru galvenais uzdevums ir tieši ūdens rezervju meklēšana.
Mēs esam praktiski cilvēki, un viss šis darbs tiek veikts turpmākajām pilotējamām misijām uz to pašu Mēnesi vai Marsu, viņu attīstībai. Ja jūs nolaižaties uz tiem, tad ūdens, protams, ir nozīmīgākais resurss, kas būs jāpiegādā vai jāiegūst vietējā līmenī. Elektrību var iegūt no saules paneļiem vai kodolenerģijas avotiem. Ūdens ir grūtāks: piemēram, galvenā krava, kas šodien kravas kuģiem jāpiegādā ISS, ir ūdens. Katru reizi viņi ņem 2–2,5 tonnas.
LEND neitronu detektors
Lietošana: kosmosa kuģis Lunar Reconnaissance Orbiter (NASA), no 2009. gada līdz šim. Svars: 26,3 kg. Enerģijas patēriņš: 13W Galvenie rezultāti: iespējamo ūdens rezervju atklāšana Mēness dienvidu polā; globālās Mēness neitronu starojuma kartes izveide ar telpisko izšķirtspēju 5–10 km.
Maksims Mokrousovs: “LEND mēs jau esam izmantojuši kolimatoru, kura pamatā ir bors-10 un polietilēns, kas bloķē neitronus ierīces redzamības lauka malās. Tas vairāk nekā divkāršoja detektora masu, bet tas ļāva sasniegt lielāku izšķirtspēju, novērojot Mēness virsmu - es domāju, ka tā bija ierīces galvenā priekšrocība, kas ļāva mums atkal apiet savus kolēģus no Los Alamos."
- Cik šādu ierīču jau ir izgatavotas? Un cik ir plānots?
- Tos ir viegli uzskaitīt: tie jau darbojas HEND uz Marsa Odisejas un LEND uz Mēness LRO, DAN uz ceļveža Curiosity, kā arī BTN-M1, kas uzstādīts ISS. Tam ir vērts pievienot detektoru NS-HEND, kas kļuva par daļu no Krievijas zondes "Phobos-Grunt" un diemžēl līdz ar to tika pazaudēts. Tagad dažādos gatavības posmos mums ir vēl četras šādas ierīces.
BTN-M1. Foto: Kosmosa izpētes institūts RAS
Pirmais no tiem - nākamajā vasarā - lidos ar FREND detektoru, tas kļūs par daļu no kopīgas misijas ar ES ExoMars. Šī misija ir ļoti liela mēroga, tajā būs orbiters, desants un neliels roveris, kas tiks palaists atsevišķi 2016.-2018. FREND strādās pie orbītas zondes, un mēs izmantojam to pašu kolimatoru kā Mēness LEND, lai izmērītu ūdens saturu uz Marsa ar tādu pašu precizitāti, kā tas tika darīts Mēnesim. Tikmēr mums ir šie dati par Marsu tikai diezgan aptuvenā tuvumā.
Mercury gamma un neitronu spektrometrs (MGNS), kas darbosies ar zondi BepiColombo, jau sen ir gatavs un nodots mūsu Eiropas partneriem. Plānots, ka palaišana notiks 2017. gadā, savukārt pēdējās instrumenta termiskās vakuuma pārbaudes jau notiek kosmosa kuģa sastāvā.
Mēs arī gatavojam instrumentus Krievijas misijām-tie ir divi ADRON detektori, kas darbosies kā daļa no Luna-Glob nolaišanās transportlīdzekļiem, un pēc tam Luna-Resurs. Turklāt darbojas BTN-M2 detektors. Tas ne tikai veiks novērojumus uz ISS klāja, bet arī ļaus izstrādāt dažādas metodes un materiālus efektīvai astronautu aizsardzībai pret kosmiskā starojuma neitronu sastāvdaļu.
BTN-M1 neitronu detektors
Lietošana: Starptautiskā kosmosa stacija (Roscosmos, NASA, ESA, JAXA uc), kopš 2007. gada. Svars: 9,8 kg. Enerģijas patēriņš: 12.3W Galvenie rezultāti: tika izveidotas neitronu plūsmu kartes ISS apkārtnē, tika novērtēta radiācijas situācija stacijā saistībā ar Saules aktivitāti, tika veikts eksperiments, lai reģistrētu kosmiskos gamma staru uzliesmojumus.
Maksims Mokrousovs: “Iesaistoties šajā projektā, mēs bijām diezgan pārsteigti: galu galā patiesībā dažādas radiācijas formas ir dažādas daļiņas, ieskaitot elektronus, protonus un neitronus. Tajā pašā laikā izrādījās, ka radiācijas bīstamības neitronu sastāvdaļa vēl nav pareizi izmērīta, un tā ir īpaši bīstama tās forma, jo neitronus ir ārkārtīgi grūti pārbaudīt, izmantojot parastās metodes."
- Cik lielā mērā šīs ierīces var saukt par krieviskām? Vai tajos ir liels vietējās ražošanas elementu un daļu īpatsvars?
- Šeit, IKI RAS, ir izveidota pilnvērtīga mehāniskā ražošana. Mums ir arī visas nepieciešamās pārbaudes iekārtas: trieciena statīvs, vibrācijas statīvs, termiskā vakuuma kamera un kamera elektromagnētiskās saderības pārbaudei … Patiesībā mums ir nepieciešama tikai trešo personu produkcija atsevišķām sastāvdaļām - piemēram, iespiedshēmas plates. Šajā jautājumā mums palīdz partneri no Elektronikas un datortehnikas pētniecības institūta (NIITSEVT) un vairāki komercuzņēmumi.
Iepriekš, protams, mūsu instrumentos bija daudz, apmēram 80%, importēto komponentu. Tomēr tagad mūsu ražotās jaunās ierīces ir gandrīz pilnībā samontētas no vietējām sastāvdaļām. Es domāju, ka tuvākajā laikā tajos būs ne vairāk kā 25% importa, un nākotnē mēs varēsim būt vēl mazāk atkarīgi no ārvalstu partneriem.
Varu teikt, ka pašmāju mikroelektronika pēdējos gados ir veikusi patiesu lēcienu uz priekšu. Pirms astoņiem gadiem mūsu valstī mūsu uzdevumiem piemērotas elektroniskās plates vispār netika ražotas. Tagad ir Zelenogradas uzņēmumi "Angstrem", "Elvis" un "Milandr", ir Voroņežas NIIET - izvēle ir pietiekama. Mums kļuva vieglāk elpot.
Pats aizvainojošākais ir mūsu detektoru absolūtā atkarība no scintilatora kristālu ražotājiem. Cik man zināms, tos mēģina audzēt kādā no Černogolovkas institūtiem netālu no Maskavas, bet tie vēl nav spējuši sasniegt vajadzīgos supertīra kristāla izmērus un apjomus. Tāpēc šajā sakarā mums joprojām ir jāpaļaujas uz Eiropas partneriem, precīzāk, uz Saint-Gobain koncernu. Tomēr šajā tirgū koncerns ir pilnīgs monopolists, tāpēc visa pasaule paliek atkarīgā stāvoklī.
