Otkriće vode na Marsu i Mjesecu evropskim i američkim sondama prvenstveno je zasluga ruskih naučnika
Iza redovnih izvještaja o sve više novih nalaza evropskih i američkih misija, izbjegava se pažnja javnosti da su mnoga od ovih otkrića napravljena zahvaljujući radu ruskih naučnika, inženjera i dizajnera. Među takvim otkrićima posebno se može istaknuti otkrivanje tragova vode na nama najbližim i, kako se ranije činilo, potpuno suhim nebeskim tijelima - Mjesecu i Marsu. Ruski neutronski detektori, koji su radili na stranim uređajima, pomogli su u pronalaženju vode ovdje, a u budućnosti će pomoći u pružanju ekspedicija s posadom. Maxim Mokrousov, voditelj Laboratorije uređaja za nuklearnu fiziku Instituta za svemirska istraživanja (IKI), RAS, rekao je Ruskoj planeti zašto zapadne svemirske agencije preferiraju ruske detektore neutrona.
- Svemirske letjelice - u orbiti, slijetanju i roverima - nose čitav niz instrumenata: spektrometre, visinomjere, plinske hromatografe itd. Zašto su neutronski detektori na mnogima od njih ruski? Šta je razlog tome?
- To je zbog pobjede naših projekata na otvorenim tenderima, 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 uspjeli.
Naš uobičajeni rival na takvim takmičenjima je Nacionalna laboratorija Los Alamos, ista ona u kojoj je implementiran Manhattan projekat i stvorena prva atomska bomba. Ali, na primjer, naša laboratorija je posebno pozvana da napravi detektor neutrona za rover MSL (Curiosity), nakon što je upoznala novu tehnologiju koju smo imali. Stvoren za američki rover, DAN je postao prvi detektor neutrona sa stvaranjem aktivnih čestica. Zapravo se sastoji od dva dijela - samog detektora i generatora, u kojem elektroni ubrzani do vrlo velikih brzina pogađaju metu tricija i zapravo dolazi do potpune, iako minijaturne, termonuklearne reakcije s oslobađanjem neutrona.
Amerikanci ne znaju kako napraviti takve generatore, ali stvorile su ih naše kolege s Moskovskog istraživačkog instituta za automatizaciju po Duhovu. U sovjetsko vrijeme to je bio ključni centar 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 rezervi nafte - ova tehnologija naziva se neutronsko bilježenje. Upravo smo uzeli ovaj pristup i koristili ga za rover; do sada to niko nije uradio.
Aktivni detektor 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 staze od 10 kilometara koju je rover prešao, voda u gornjim slojevima tla obično se nalazila 2–5%. Međutim, u maju 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 sumnjivu lokaciju. 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 sama detekcija neutrona?
- Detektujemo neutrone niske energije sa proporcionalnim brojačima na bazi helijuma-3- oni rade u DAN, LEND, MGNS i svim drugim našim uređajima. Neutron zarobljen u helijumu-3 "razbija" svoje jezgro na dvije čestice, koje se zatim ubrzavaju u magnetskom polju, stvarajući lavinsku reakciju, a na izlazu strujni impuls (elektrone).
Maxim Mokrousov i Sergey Kapitsa. Fotografija: Iz lične arhive
Neutroni visoke energije detektiraju se u scintilatoru bljeskovima koje stvaraju pri udaru - obično organskom plastikom, poput stilbena. Pa, gama zraci mogu otkriti kristale na bazi lantana i broma. U isto vrijeme, nedavno su se pojavili još učinkovitiji kristali na bazi cerija i broma, koje koristimo u jednom od najnovijih detektora, koji će sljedeće godine odletjeti na Merkur.
- Pa ipak, zašto su zapadni spektrografi izabrani na potpuno istim javnim natječajima zapadnih svemirskih agencija, drugi instrumenti su također zapadni, a neutronski detektori uvijek iznova ruski?
- Uglavnom se radi o nuklearnoj fizici: u ovoj oblasti i dalje ostajemo jedna od vodećih zemalja u svijetu. Ne radi se samo o oružju, već i o masi srodnih tehnologija kojima se naši naučnici bave. Čak smo i za vrijeme Sovjetskog Saveza ovdje uspjeli postići tako dobre temelje da čak 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, dobijamo visok status učesnika u međunarodnim projektima istraživanja svemira, a osim toga, prioritetan izravan pristup naučnim podacima koje naši instrumenti prikupljaju.
Ove rezultate prenosimo nakon obrade, pa se s pravom smatramo 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 potpunosti, onda u mnogo čemu naš rezultat.
Još jednom se možemo prisjetiti jednog od naših prvih detektora, HEND, koji još uvijek radi na američkoj sondi Mars Odyssey. Zahvaljujući njemu prvi put je sastavljena karta sadržaja vodika u površinskim slojevima Crvene planete.
HEND neutronski spektrometar
Upotreba: svemirska letjelica Mars Odyssey (NASA), od 2001. do danas. Težina: 3,7 kg. Potrošnja energije: 5,7 W. Glavni rezultati: karte geografskih širina raspodjele vodenog leda na sjeveru i jugu Marsa rezolucije oko 300 km, promatranje sezonskih promjena u cirkupolarnim kapama.
Maxim Mokrousov: „Bez lažne skromnosti, mogu reći da su na Odiseji na Marsu, koja će uskoro biti u orbiti 15 godina, gotovo svi instrumenti već počeli da rade, a samo naši nastavljaju da rade bez problema. Radi u tandemu s gama detektorom, efikasno predstavljajući jedan instrument s njim, pokrivajući širok raspon energija čestica."
- Budući da govorimo o rezultatima, kakve naučne zadatke obavljaju takvi uređaji?
- neutroni su čestice najosjetljivije na vodik, a ako su njegovi atomi prisutni bilo gdje u tlu, neutroni se učinkovito inhibiraju jezgrama. Na Mjesecu ili Marsu mogu se stvoriti galaktičkim kosmičkim 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, s druge strane, 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 ovaj posao se radi za buduće misije sa ljudskim posadama 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 se može 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 rezolucijom 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. To je više nego udvostručilo masu detektora, ali je omogućilo postizanje veće rezolucije 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 NS-HEND detektor, koji je bio uključen u rusku sondu "Phobos-Grunt" i nažalost izgubljen zajedno s njim. Sada, u različitim fazama spremnosti, imamo još četiri takva uređaja.
BTN-M1. Foto: Institut za svemirska istraživanja RAS
Prvi od njih - sljedećeg ljeta - upravljat će detektorom FREND, postat će dio zajedničke misije s EU ExoMars. Ova misija je vrlo velikih razmjera, uključivat će orbiter, lander i mali rover, koji će biti lansirani zasebno tokom 2016-2018. FREND će raditi na sondi u orbiti, a na njoj koristimo isti kolimator kao i na lunarnoj LEND za mjerenje sadržaja vode na Marsu sa istom preciznošću s kojom je to učinjeno za Mjesec. U međuvremenu, te podatke za Mars imamo samo u prilično gruboj aproksimaciji.
Merkurijanski gama i neutronski spektrometar (MGNS), koji će raditi na sondi BepiColombo, odavno je spreman i predat našim evropskim partnerima. Planirano je da se lansiranje izvede 2017. godine, dok su posljednja ispitivanja termalnog vakuuma instrumenta već u toku u sklopu svemirske letjelice.
Pripremamo i instrumente za ruske misije-to su dva ADRON detektora, koji će raditi kao dio vozila za spuštanje Luna-Glob, a zatim Luna-Resurs. Osim toga, detektor BTN-M2 je u funkciji. 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 stanica (Roscosmos, NASA, ESA, JAXA itd.), Od 2007. Težina: 9,8 kg. Potrošnja energije: 12.3W Glavni rezultati: izgrađene su mape neutronskih tokova u blizini ISS-a, procijenjena je situacija zračenja na stanici u vezi sa aktivnošću Sunca, sproveden je eksperiment za registriranje kosmičkih rafala gama zraka.
Maxim Mokrousov: „Uključivši se u ovaj projekt, bili smo prilično iznenađeni: uostalom, u stvari, različiti oblici zračenja su različite čestice, uključujući elektrone, protone i neutrone. U isto vrijeme pokazalo se da neutronska komponenta opasnosti od zračenja još nije pravilno izmjerena, a ovo je posebno opasan oblik jer je neutrone izuzetno teško pregledati konvencionalnim metodama."
- U kojoj mjeri se sami ovi 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 kapacitete: 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, štampane ploče. U tome nam pomažu partneri iz Istraživačkog instituta za elektronsku i računarsku tehnologiju (NIITSEVT) i brojnih komercijalnih preduzeća.
Ranije su, naravno, naši instrumenti imali puno, oko 80%, uvezenih komponenti. Međutim, sada su novi uređaji koje proizvodimo gotovo u potpunosti sastavljeni od domaćih komponenti. Mislim da će u bliskoj budućnosti u njih 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 uopće nisu proizvedene elektroničke ploče pogodne za naše zadatke. Sada postoje zelenogradska preduzeća "Angstrem", "Elvis" i "Milandr", postoji Voronežski NIIET - izbor je dovoljan. Postalo nam je lakše disati.
Najuvredljivija stvar je apsolutna ovisnost o proizvođačima scintilacijskih kristala za naše detektore. Koliko ja znam, pokušavaju se uzgajati u jednom od instituta Chernogolovka u blizini Moskve, ali još uvijek nisu uspjeli postići potrebne dimenzije i zapremine superčistog kristala. Stoga se u tom pogledu još uvijek moramo osloniti na evropske partnere, tačnije na koncern Saint-Gobain. Međutim, na ovom tržištu koncern je potpuni monopolist, pa cijeli svijet ostaje u ovisnom položaju.
