Upptäckten av vatten på Mars och månen av europeiska och amerikanska sonder är främst en förtjänst för ryska forskare
Bakom de regelbundna rapporterna om fler och fler nya fynd gjorda av europeiska och amerikanska uppdrag, slipper det allmänhetens uppmärksamhet att många av dessa upptäckter gjordes tack vare arbete från ryska forskare, ingenjörer och designers. Bland sådana upptäckter kan man särskilt markera upptäckten av spår av vatten på närmaste oss och, som det tidigare verkade, helt torra himmelkroppar - månen och Mars. Det var ryska neutrondetektorer som arbetade med utländska enheter, som hjälpte till att hitta vatten här, och i framtiden kommer de att hjälpa till att tillhandahålla bemannade expeditioner. Maxim Mokrousov, chef för Laboratory of Nuclear Physics Devices vid Institute of Space Research (IKI), RAS, berättade för den ryska planeten varför västerländska rymdorganisationer föredrar ryska neutrondetektorer.
- Rymdfarkoster - som kretsar, landar och rovers - bär hela uppsättningar instrument: spektrometrar, höjdmätare, gaskromatografer etc. Varför är neutrondetektorer på många av dem ryska? Vad är anledningen till detta?
- Detta beror på att våra projekt vann på öppna anbud, som utförs av arrangörerna av sådana uppdrag. Liksom våra konkurrenter lämnar vi ett erbjudande och försöker bevisa att vår enhet är optimal för den angivna enheten. Och nu har vi lyckats framgångsrikt flera gånger.
Vår vanliga rival i sådana tävlingar är Los Alamos National Laboratory, samma där Manhattan -projektet genomfördes och den första atombomben skapades. Men till exempel blev vårt laboratorium speciellt inbjudet att göra en neutrondetektor för MSL (Curiosity) rover, efter att ha lärt sig om den nya tekniken som vi hade. Skapad för den amerikanska rovern, DAN blev den första neutrondetektorn med aktiv partikelgenerering. Den består faktiskt av två delar - själva detektorn och generatorn, i vilken elektroner som accelererade till mycket höga hastigheter träffade tritiummålet och i själva verket uppstår en fullvärdig, om än miniatyr, termonukleär reaktion med frigöring av neutroner.
Amerikanerna vet inte hur man gör sådana generatorer, men det skapades av våra kollegor från Moskva Research Institute of Automation uppkallad efter Dukhov. Under sovjettiden var det ett centralt centrum där säkringar för kärnstridsspetsar utvecklades, och idag är en del av dess produkter för civila, kommersiella ändamål. I allmänhet används sådana detektorer med generatorer, till exempel vid utforskning av oljereserver - denna teknik kallas neutronloggning. Vi tog bara detta tillvägagångssätt och använde det för rovern; tills nu har ingen gjort detta.
Aktiv neutrondetektor DAN
Användning: Mars Science Laboratory / Curiosity (NASA) rover, 2012 till nu. Vikt: 2,1 kg (neutrondetektor), 2,6 kg (neutrongenerator). Strömförbrukning: 4,5 W (detektor), 13 W (generator). Huvudsakliga resultat: upptäckt av bundet vatten i marken på 1 m djup längs roverns väg.
Maxim Mokrousov:”Längs nästan hela den 10 kilometer långa vägen som roversen korsade hittades vanligtvis vattnet i markens övre lager 2–5%. Men i maj i år snubblade han över ett område där antingen det finns mycket mer vatten eller att det finns några ovanliga kemikalier. Rovern placerades ut och återvände till en misstänkt plats. Som ett resultat visade det sig att jorden där verkligen är ovanlig för Mars och huvudsakligen består av kiseloxid."
- Med generation är allt ungefär klart. Och hur sker själva neutrondetekteringen?
- Vi upptäcker lågenergi-neutroner med proportionella räknare baserade på helium-3- de fungerar i DAN, LEND, MGNS och alla våra andra enheter. En neutron fångad i helium-3 "bryter upp" sin kärna i två partiklar, som sedan accelereras i ett magnetfält, vilket skapar en lavinreaktion och vid utgången en strömpuls (elektroner).
Maxim Mokrousov och Sergey Kapitsa. Foto: Från personligt arkiv
Högenergi -neutroner detekteras i scintillatorn av de blixtar de skapar när de träffar den - vanligtvis organisk plast, till exempel stilben. Gamma strålar kan upptäcka kristaller baserade på lantan och brom. Samtidigt har ännu effektivare kristaller baserade på cerium och brom dykt upp nyligen, vi använder dem i en av våra senaste detektorer som kommer att flyga till Merkurius nästa år.
- Och ändå, varför väljs västerländska spektrografer i exakt samma öppna tävlingar för västerländska rymdorganisationer, andra instrument är också västerländska, och neutrondetektorer är ryska gång på gång?
- I stort handlar det om kärnfysik: på det här området är vi fortfarande ett av de ledande länderna i världen. Det handlar inte bara om vapen, utan också om massan av relaterad teknik som våra forskare ägnar sig åt. Även under sovjettiden lyckades vi åstadkomma en så bra grund här att även på 1990 -talet var det inte möjligt att förlora allt helt, men idag ökar vi igen tempot.
Det bör förstås att de västerländska byråerna själva inte betalar en krona för dessa våra enheter. Alla är gjorda med Roscosmos pengar, som vårt bidrag till utländska uppdrag. I utbyte mot detta får vi en hög status av deltagare i internationella rymdutforskningsprojekt, och dessutom prioriterad direktåtkomst till vetenskaplig data som våra instrument samlar in.
Vi överför dessa resultat efter bearbetning, därför betraktas vi med rätta som medförfattare till alla fynd som gjordes tack vare våra enheter. Därför är alla de högprofilerade händelserna med upptäckten av närvaron av vatten på Mars och månen, om inte helt, i många avseenden vårt resultat.
Vi kan återigen återkalla en av våra första detektorer, HEND, som fortfarande arbetar ombord på den amerikanska Mars Odyssey -sonden. Det var tack vare honom som en karta över väteinnehållet i ytskikten på den röda planeten först sammanställdes.
HEND neutronspektrometer
Användning: Mars Odyssey (NASA) rymdfarkoster, 2001 till nu. Vikt: 3, 7 kg. Effektförbrukning: 5,7 W. Huvudsakliga resultat: kartor över högbredd över isisfördelningen i norra och söder om Mars med en upplösning på cirka 300 km, observation av säsongsförändringar i cirkumpolära lock.
Maxim Mokrousov:”Utan falsk blygsamhet kan jag säga att på Mars Odyssey, som snart kommer att vara i omloppsbana i 15 år, har nästan alla instrument redan börjat fungera, och bara vårt fortsätter att fungera utan problem. Det fungerar tillsammans med en gammadetektor, som effektivt representerar ett enda instrument med det, som täcker ett brett spektrum av partikel energier."
- Eftersom vi pratar om resultaten, vilken typ av vetenskapliga uppgifter utförs av sådana enheter?
- Neutroner är de partiklar som är mest känsliga för väte, och om dess atomer finns någonstans i jorden, hämmas neutroner effektivt av sina kärnor. På månen eller Mars kan de skapas av galaktiska kosmiska strålar eller avges av en speciell neutronpistol, och vi mäter faktiskt de neutroner som reflekteras av jorden: ju färre det är, desto mer väte.
Tja, väte är i sin tur troligen vatten, antingen i en relativt ren frusen form eller bunden i sammansättningen av hydratiserade mineraler. Kedjan är enkel: neutroner - väte - vatten, därför är våra neutrondetektors huvuduppgift just sökandet efter vattenreserver.
Vi är praktiska människor, och allt detta arbete görs för framtida bemannade uppdrag till samma måne eller Mars, för deras utveckling. Om du landar på dem är vatten naturligtvis den viktigaste resursen som antingen måste levereras eller extraheras lokalt. Elektricitet kan erhållas från solpaneler eller kärnkällor. Vatten är svårare: till exempel är huvudlasten som lastfartyg måste leverera till ISS idag vatten. Varje gång tar de det 2–2,5 ton.
LEND neutrondetektor
Användning: Lunar Reconnaissance Orbiter (NASA) rymdfarkoster, 2009 till nu. Vikt: 26,3 kg. Strömförbrukning: 13W Huvudsakliga resultat: upptäckt av potentiella vattenreserver vid månens sydpol; konstruktion av en global karta över månens neutronstrålning med en rumslig upplösning på 5–10 km.
Maxim Mokrousov:”I LEND har vi redan använt en kollimator baserad på bor-10 och polyeten, som blockerar neutroner på sidorna av enhetens synfält. Det mer än fördubblade massan av detektorn, men det gjorde det möjligt att uppnå större upplösning vid observation av månytan - jag tror att detta var den största fördelen med enheten, som gjorde att vi kunde kringgå våra kollegor från Los Alamos igen."
- Hur många sådana enheter har redan tillverkats? Och hur mycket är planerat?
- De är lätta att lista: de använder redan HAND på Mars Odyssey och LEND på månens LRO, DAN på Curiosity rover, samt BTN-M1 installerat på ISS. Det är värt att lägga till detta NS-HEND-detektorn, som ingick i den ryska sonden "Phobos-Grunt" och tyvärr gick förlorad tillsammans med den. Nu, i olika stadier av beredskap, har vi ytterligare fyra sådana enheter.
BTN-M1. Foto: Space Research Institute RAS
Den första av dem - nästa sommar - kommer att flyga FREND -detektorn, den kommer att bli en del av det gemensamma uppdraget med EU ExoMars. Detta uppdrag är mycket storskaligt, det kommer att inkludera en orbiter, en landare och en liten rover, som kommer att lanseras separat under 2016-2018. FREND kommer att arbeta med en kretsande sond, och på den använder vi samma kollimator som på månens LEND för att mäta vatteninnehållet på Mars med samma noggrannhet som det gjordes för månen. Under tiden har vi dessa data för Mars bara i en ganska grov approximation.
Mercurian gamma och neutronspektrometer (MGNS), som kommer att fungera på BepiColombo -sonden, har länge varit redo och överlämnat till våra europeiska partner. Det är planerat att sjösättningen kommer att äga rum 2017, medan instrumentets sista termiska vakuumtester redan pågår som en del av rymdfarkosten.
Vi förbereder också instrument för ryska uppdrag-det här är två ADRON-detektorer som kommer att fungera som en del av Luna-Glob-nedstigningsfordonen och sedan Luna-Resurs. Dessutom är BTN-M2-detektorn i drift. Det kommer inte bara att utföra observationer ombord på ISS, utan det kommer också att göra det möjligt att utarbeta olika metoder och material för effektivt skydd av astronauter från neutronkomponenten i kosmisk strålning.
BTN-M1 neutrondetektor
Användning: International Space Station (Roscosmos, NASA, ESA, JAXA, etc.), sedan 2007. Vikt: 9,8 kg. Strömförbrukning: 12,3W De viktigaste resultaten: kartor över neutronflöden i närheten av ISS konstruerades, strålningssituationen vid stationen bedömdes i samband med solens aktivitet, ett experiment utfördes för att registrera kosmiska gammastrålningsutbrott.
Maxim Mokrousov:”Efter att ha engagerat oss i detta projekt blev vi ganska förvånade: trots allt är olika former av strålning olika partiklar, inklusive elektroner och protoner och neutroner. Samtidigt visade det sig att strålningsriskens neutronkomponent ännu inte har mätts ordentligt, och detta är en särskilt farlig form av det, eftersom neutroner är extremt svåra att avskärma med konventionella metoder."
- I vilken utsträckning kan dessa enheter själva kallas ryska? Är andelen element och delar av den inhemska produktionen hög i dem?
- En fullfjädrad mekanisk produktion har etablerats här, på IKI RAS. Vi har också alla nödvändiga testfaciliteter: en stötdämpare, ett vibrationsställ, en termisk vakuumkammare och en kammare för testning av elektromagnetisk kompatibilitet … Faktum är att vi bara behöver tillverkning från tredje part för enskilda komponenter - t.ex. tryckta kretskort. Partners från Research Institute of Electronic and Computer Technology (NIITSEVT) och ett antal kommersiella företag hjälper oss med detta.
Tidigare hade naturligtvis våra instrument mycket, cirka 80%, av importerade komponenter. Men nu är de nya enheterna vi producerar nästan helt monterade av inhemska komponenter. Jag tror att det inom en snar framtid inte kommer att finnas mer än 25% av importen i dem, och i framtiden kommer vi att kunna bli ännu mindre beroende av utländska partner.
Jag kan säga att inhemsk mikroelektronik har gjort ett verkligt steg framåt de senaste åren. För åtta år sedan, i vårt land, producerades inte alls elektroniska kort som passar våra uppgifter. Nu finns det Zelenograd -företagen "Angstrem", "Elvis" och "Milandr", det finns Voronezh NIIET - valet är tillräckligt. Det blev lättare för oss att andas.
Det mest kränkande är det absoluta beroendet av tillverkarna av scintillatorkristaller för våra detektorer. Så vitt jag vet försöker man odla dem i ett av instituten i Chernogolovka nära Moskva, men de har ännu inte lyckats uppnå de nödvändiga dimensionerna och volymerna för en superren kristall. Därför måste vi fortfarande i detta avseende förlita oss på europeiska partner, närmare bestämt på Saint-Gobain-koncernen. Men på denna marknad är oron en fullständig monopolist, därför förblir hela världen beroende.
