Odkritje vode na Marsu in Luni s strani evropskih in ameriških sond je predvsem zasluga ruskih znanstvenikov
Za rednimi poročili o vedno več novih odkritjih evropskih in ameriških misij se javnosti izmika pozornost, da je veliko teh odkritij narejenih po zaslugi dela ruskih znanstvenikov, inženirjev in oblikovalcev. Med takšnimi odkritji lahko posebej izpostavimo odkrivanje sledi vode na najbližjih nam in, kot se je prej zdelo, popolnoma suhih nebesnih teles - Luno in Mars. Ruski detektorji nevtronov, ki so delali na tujih napravah, so pomagali najti vodo tukaj, v prihodnje pa bodo pomagali pri odpravah s posadko. Maxim Mokrousov, vodja laboratorija za naprave za jedrsko fiziko na Inštitutu za vesoljske raziskave (IKI), RAS, je za Ruski planet povedal, zakaj zahodne vesoljske agencije raje uporabljajo ruske detektorje nevtronov.
- Vesoljska plovila - ki krožijo okoli njih, pristajajo in so roverji - nosijo cele sklope instrumentov: spektrometre, višinomere, plinske kromatografe itd. Zakaj so detektorji nevtronov na mnogih od njih ruski? Kaj je razlog za to?
- To je posledica zmage naših projektov na odprtih razpisih, ki jih izvajajo organizatorji tovrstnih misij. Tako kot naši konkurenti oddamo ponudbo in poskušamo dokazati, da je naša naprava optimalna za dano napravo. In zdaj nam je večkrat uspešno uspelo.
Naš običajen tekmec na tovrstnih tekmovanjih je Nacionalni laboratorij Los Alamos, isti, kjer so izvajali projekt Manhattan in ustvarili prvo atomsko bombo. Toda na primer je bil naš laboratorij posebej povabljen, da izdela detektor nevtronov za rover MSL (Curiosity), potem ko so spoznali novo tehnologijo, ki smo jo imeli. Ustvarjen za ameriški rover, je DAN postal prvi detektor nevtronov z ustvarjanjem aktivnih delcev. Pravzaprav je sestavljen iz dveh delov - samega detektorja in generatorja, pri katerem elektroni, pospešeni do zelo velikih hitrosti, zadenejo tritijevo tarčo in dejansko pride do polnopravne, čeprav miniaturne termonuklearne reakcije s sproščanjem nevtronov.
Američani ne vedo, kako narediti takšne generatorje, vendar so jih ustvarili naši kolegi z moskovskega raziskovalnega inštituta za avtomatizacijo po Duhovu. V sovjetskih časih je bilo to ključno središče, kjer so razvijali varovalke za jedrske bojne glave, danes pa so del njegovih izdelkov namenjeni civilnim, komercialnim namenom. Na splošno se takšni detektorji z generatorji uporabljajo na primer pri raziskovanju zalog nafte - ta tehnologija se imenuje nevtronska sečnja. Ta pristop smo uporabili samo za rover; tega doslej še nihče ni naredil.
Aktivni detektor nevtronov DAN
Uporaba: Mars Science Laboratory / Curiosity (NASA) rover, 2012 do danes. Teža: 2,1 kg (detektor nevtronov), 2,6 kg (generator nevtronov). Poraba energije: 4,5 W (detektor), 13 W (generator). Glavni rezultati: zaznavanje vezane vode v tleh na globini 1 m vzdolž poti roverja.
Maxim Mokrousov: »Skoraj po celotni 10-kilometrski poti, ki jo je prečkal rover, je bilo vode v zgornjih plasteh tal običajno 2–5%. Je pa maja letos naletel na območje, na katerem je bodisi veliko več vode bodisi so prisotne nekatere nenavadne kemikalije. Rover je bil razporejen in vrnjen na sumljivo mesto. Posledično se je izkazalo, da so tamkajšnja tla res nenavadna za Mars in so sestavljena predvsem iz silicijevega oksida."
- Z generacijo je vse približno jasno. In kako poteka samo odkrivanje nevtronov?
- Zaznavamo nizkoenergijske nevtrone s proporcionalnimi števci na osnovi helija-3- delujejo v DAN, LEND, MGNS in vseh drugih naših napravah. Nevtron, ujet v helij-3, "razbije" svoje jedro na dva delca, ki se nato pospešita v magnetnem polju, kar ustvari plazovito reakcijo, na izhodu pa trenutni impulz (elektroni).
Maxim Mokrousov in Sergey Kapitsa. Foto: Iz osebnega arhiva
Visokoenergijski nevtroni se v scintilatorju zaznajo z bliskavicami, ki jih ustvarijo ob udarcu - običajno iz organske plastike, na primer stilbena. No, gama žarki lahko zaznajo kristale na osnovi lantana in broma. Hkrati so se v zadnjem času pojavili še učinkovitejši kristali na osnovi cerija in broma, ki jih uporabljamo v enem od najnovejših detektorjev, ki bo prihodnje leto odletel v Merkur.
- Pa vendar, zakaj so zahodni spektrografi izbrani na popolnoma istih odprtih natečajih zahodnih vesoljskih agencij, drugi instrumenti so tudi zahodni, detektorji nevtronov pa vedno znova ruski?
- Na splošno gre za jedrsko fiziko: na tem področju smo še vedno ena vodilnih držav na svetu. Ne gre samo za orožje, ampak tudi za množico sorodnih tehnologij, s katerimi se ukvarjajo naši znanstveniki. Tudi v času Sovjetske zveze nam je tukaj uspelo doseči tako dobro podlago, da niti v devetdesetih letih ni bilo mogoče popolnoma izgubiti vsega, danes pa spet stopnjujemo tempo.
Treba je razumeti, da zahodne agencije same ne plačajo niti centa za te naše naprave. Vsi so narejeni z denarjem Roscosmosa kot našega prispevka k tujim misijam. V zameno za to smo deležni visokega statusa udeležencev v mednarodnih projektih raziskovanja vesolja in poleg tega prednostnega neposrednega dostopa do znanstvenih podatkov, ki jih zbirajo naši instrumenti.
Te rezultate posredujemo po obdelavi, zato nas upravičeno štejejo za soavtorje vseh ugotovitev, ki so bile narejene zahvaljujoč našim napravam. Zato so vsi odmevni dogodki z odkrivanjem prisotnosti vode na Marsu in Luni, če ne povsem, potem v marsičem naš rezultat.
Še enkrat se lahko spomnimo enega naših prvih detektorjev, HEND, ki še vedno deluje na krovu ameriške sonde Mars Odyssey. Po njegovi zaslugi je bil prvič sestavljen zemljevid vsebnosti vodika v površinskih plasteh Rdečega planeta.
HEND nevtronski spektrometer
Uporaba: vesoljsko plovilo Mars Odyssey (NASA), od leta 2001 do danes. Teža: 3,7 kg. Poraba energije: 5,7 W. Glavni rezultati: zemljevidi širine vodnega ledu na severu in jugu Marsa z ločljivostjo približno 300 km, opazovanje sezonskih sprememb v krožnih pokrovih.
Maxim Mokrousov: »Brez lažne skromnosti lahko rečem, da so se na Marsu Odyssey, ki bo kmalu v orbiti 15 let, skoraj vsi instrumenti že začeli kvariti, le naši še naprej delujejo brez težav. Deluje v tandemu z detektorjem gama, ki z njim učinkovito predstavlja en sam instrument, ki pokriva široko paleto energij delcev."
- Ker govorimo o rezultatih, kakšne znanstvene naloge opravljajo take naprave?
- Nevtroni so delci, ki so najbolj občutljivi na vodik, in če so njegovi atomi prisotni kjer koli v tleh, nevtroni učinkovito zavirajo njihova jedra. Na Luni ali Marsu jih lahko ustvarijo galaktični kozmični žarki ali pa jih oddaja posebna nevtronska pištola, dejansko pa merimo nevtrone, ki jih odbija zemlja: manj jih je, več je vodika.
No, vodik pa je najverjetneje voda, bodisi v razmeroma čisti zamrznjeni obliki bodisi vezana v sestavi hidriranih mineralov. Veriga je preprosta: nevtroni - vodik - voda, zato je glavna naloga naših detektorjev nevtronov prav iskanje zalog vode.
Smo praktični ljudje in vse to delo opravljamo za prihodnje misije s posadko na isto Luno ali Mars, za njihov razvoj. Če pristanete na njih, je voda seveda najpomembnejši vir, ki ga boste morali dostaviti ali črpati lokalno. Električno energijo je mogoče dobiti iz sončnih kolektorjev ali jedrskih virov. Voda je težja: na primer, glavni tovor, ki ga morajo tovorne ladje danes dostaviti na ISS, je voda. Vsakič ga vzamejo 2–2,5 tone.
Detektor nevtronov LEND
Uporaba: vesoljsko plovilo Luna Reconnaissance Orbiter (NASA), 2009 do danes. Teža: 26,3 kg. Poraba energije: 13 W Glavni rezultati: odkritje možnih rezerv vode na južnem polu Lune; izdelava globalnega zemljevida nevtronskega sevanja Lune s prostorsko ločljivostjo 5-10 km.
Maxim Mokrousov: »V LEND-u smo že uporabili kolimator na osnovi bora-10 in polietilena, ki blokira nevtrone na straneh vidnega polja naprave. To je več kot podvojilo maso detektorja, vendar je omogočilo doseganje večje ločljivosti pri opazovanju lunine površine - mislim, da je bila to glavna prednost naprave, ki nam je omogočila, da smo spet zaobšli kolege iz Los Alamosa."
- Koliko takšnih naprav je že izdelanih? In koliko je načrtovano?
- Preprosto jih je našteti: že delujejo HAND na Mars Odyssey in LEND na lunarni LRO, DAN na roverju Curiosity, pa tudi BTN-M1, nameščen na ISS. K temu je vredno dodati detektor NS-HEND, ki je bil vključen v rusko sondo "Phobos-Grunt" in se je na žalost skupaj z njim izgubil. Zdaj imamo na različnih stopnjah pripravljenosti še štiri take naprave.
BTN-M1. Foto: Inštitut za vesoljske raziskave RAS
Prvi izmed njih - prihodnje poletje - bo letel z detektorjem FREND, postal bo del skupne misije z EU ExoMars. Ta misija je zelo obsežna in bo vključevala orbiter, pristanek in majhen rover, ki bodo v letih 2016–2018 izstreljeni ločeno. FREND bo delal na krožni sondi in na njej uporabljamo isti kolimator kot na Lunini LEND za merjenje vsebnosti vode na Marsu z enako natančnostjo, kot je bila narejena za Luno. Medtem imamo te podatke za Mars le v precej grobem približku.
Mercurian gama in nevtronski spektrometer (MGNS), ki bo deloval na sondi BepiColombo, je že dolgo pripravljen in predan našim evropskim partnerjem. Predvideno je, da bo izstrelitev leta 2017, medtem ko v okviru vesoljskega plovila že potekajo zadnji testi toplotnega vakuuma instrumenta.
Pripravljamo tudi instrumente za ruske misije-to sta dva detektorja ADRON, ki bosta delovala v okviru spustnih vozil Luna-Glob, nato pa Luna-Resurs. Poleg tega deluje detektor BTN-M2. Ne bo samo opazoval na krovu ISS, ampak bo omogočil tudi izdelavo različnih metod in materialov za učinkovito zaščito astronavtov pred nevtronsko komponento kozmičnega sevanja.
BTN-M1 detektor nevtronov
Uporaba: Mednarodna vesoljska postaja (Roscosmos, NASA, ESA, JAXA itd.), Od leta 2007. Teža: 9,8 kg. Poraba energije: 12,3 W Glavni rezultati: izdelani so bili zemljevidi nevtronskih tokov v bližini ISS, stanje sevanja na postaji je bilo ocenjeno v povezavi z aktivnostjo Sonca, izveden je bil poskus za registracijo izbruhov kozmičnih gama žarkov.
Maxim Mokrousov: "Ko smo sodelovali pri tem projektu, smo bili precej presenečeni: navsezadnje so v resnici različne oblike sevanja različni delci, vključno z elektroni, protoni in nevtroni. Hkrati se je izkazalo, da nevtronska komponenta nevarnosti sevanja še ni bila pravilno izmerjena, to pa je še posebej nevarna oblika, saj je nevtrone izredno težko pregledati s konvencionalnimi metodami."
- V kolikšni meri se te naprave lahko imenujejo ruske? Je v njih visok delež elementov in delov domače proizvodnje?
- Tu, na IKI RAS, je vzpostavljena popolna mehanska proizvodnja. Imamo tudi vse potrebne preskusne zmogljivosti: stojalo za udarce, stojalo za vibracije, termo vakuumsko komoro in komoro za preskušanje elektromagnetne združljivosti … Pravzaprav potrebujemo samo izdelavo tretjih oseb za posamezne komponente - na primer tiskanih vezij. Pri tem nam pomagajo partnerji z Raziskovalnega inštituta za elektronsko in računalniško tehnologijo (NIITSEVT) ter številna komercialna podjetja.
Prej so seveda imeli naši instrumenti veliko, približno 80%, uvoženih komponent. Vendar so zdaj nove naprave, ki jih izdelujemo, skoraj v celoti sestavljene iz domačih komponent. Mislim, da v bližnji prihodnosti pri njih ne bo več kot 25% uvoza, v prihodnje pa bomo lahko še manj odvisni od tujih partnerjev.
Lahko rečem, da je domača mikroelektronika v zadnjih letih naredila pravi preskok. Pred osmimi leti pri nas elektronskih plošč, primernih za naše naloge, sploh niso proizvajali. Zdaj so zelenogradska podjetja "Angstrem", "Elvis" in "Milandr", obstaja Voronežski NIIET - izbira zadošča. Postalo nam je lažje dihati.
Najbolj žaljiva stvar je absolutna odvisnost od proizvajalcev scintilacijskih kristalov za naše detektorje. Kolikor vem, jih poskušajo gojiti v enem od inštitutov Chernogolovke pri Moskvi, vendar jim še ni uspelo doseči zahtevanih dimenzij in prostornin superčistega kristala. Zato se moramo v zvezi s tem še vedno zanašati na evropske partnerje, natančneje na koncern Saint-Gobain. Vendar je na tem trgu koncern popoln monopolist, zato je ves svet v odvisnem položaju.
