Oppdagelsen av vann på Mars og månen av europeiske og amerikanske sonder er først og fremst en fordel for russiske forskere
Bak de vanlige rapportene om flere og flere nye funn gjort ved europeiske og amerikanske oppdrag, slipper det unna offentlighetens oppmerksomhet at mange av disse funnene ble gjort takket være arbeidet til russiske forskere, ingeniører og designere. Blant slike funn kan man spesielt markere påvisning av spor av vann på våre nærmeste og, som det tidligere virket, helt tørre himmellegemer - Månen og Mars. Det var russiske nøytrondetektorer som jobbet med utenlandske enheter, som hjalp til med å finne vann her, og i fremtiden vil de hjelpe til med å sørge for bemannede ekspedisjoner. Maxim Mokrousov, leder for Laboratory of Nuclear Physics Devices ved Institute of Space Research (IKI), RAS, fortalte den russiske planeten hvorfor vestlige romorganisasjoner foretrekker russiske nøytrondetektorer.
- Romfartøy - i bane, landing og rovere - bærer hele sett med instrumenter: spektrometre, høydemålere, gasskromatografer osv. Hvorfor er nøytrondetektorer på mange av dem russiske? Hva er årsaken til dette?
- Dette skyldes seieren til prosjektene våre på åpne anbud, som utføres av arrangørene av slike oppdrag. I likhet med våre konkurrenter sender vi et tilbud og prøver å bevise at enheten vår er optimal for den gitte enheten. Og nå har vi lykkes flere ganger.
Vår vanlige rival i slike konkurranser er Los Alamos National Laboratory, den samme der Manhattan -prosjektet ble implementert og den første atombomben ble opprettet. Men for eksempel ble laboratoriet vårt spesielt invitert til å lage en nøytrondetektor for MSL (Curiosity) roveren, etter å ha lært om den nye teknologien vi hadde. DAN ble laget for den amerikanske roveren og ble den første nøytrondetektoren med aktiv partikkelgenerering. Den består faktisk av to deler - selve detektoren og generatoren, der elektroner akselerert til svært høye hastigheter traff tritiummålet og faktisk oppstår en fullverdig, om enn miniatyr, termonukleær reaksjon med frigjøring av nøytroner.
Amerikanerne vet ikke hvordan de skal lage slike generatorer, men den ble opprettet av våre kolleger fra Moscow Research Institute of Automation oppkalt etter Dukhov. I sovjettiden var det et sentralt senter der sikringer for atomspredingshoder ble utviklet, og i dag er en del av produktene til sivile, kommersielle formål. Generelt brukes slike detektorer med generatorer, for eksempel i leting etter oljereserver - denne teknologien kalles nøytronlogging. Vi tok bare denne tilnærmingen og brukte den til roveren; til nå har ingen gjort dette.
Aktiv nøytrondetektor DAN
Bruk: Mars Science Laboratory / Curiosity (NASA) rover, 2012 til nå. Vekt: 2,1 kg (nøytrondetektor), 2,6 kg (nøytrongenerator). Strømforbruk: 4,5 W (detektor), 13 W (generator). Hovedresultater: påvisning av bundet vann i bakken på en dybde på 1 m langs roverens rute.
Maxim Mokrousov: “Langs nesten hele den 10 kilometer lange stien som roveren krysset, ble vannet i de øvre jordlagene vanligvis funnet 2–5%. I mai i år snublet han imidlertid over et område der det enten er mye mer vann, eller at det er noen uvanlige kjemikalier tilstede. Roveren ble distribuert og returnert til et mistenkelig sted. Som et resultat viste det seg at jorda der egentlig er uvanlig for Mars og hovedsakelig består av silisiumoksid."
- Med generasjon er alt omtrent klart. Og hvordan foregår selve nøytrondeteksjonen?
- Vi oppdager lavenergienøytroner med proporsjonale tellere basert på helium-3- de fungerer i DAN, LEND, MGNS og alle våre andre enheter. Et nøytron fanget i helium-3 "bryter" opp kjernen i to partikler, som deretter akselereres i et magnetfelt, og skaper en skredreaksjon og, ved utgangen, en strømpuls (elektroner).
Maxim Mokrousov og Sergey Kapitsa. Foto: Fra personarkiv
Høyenergienøytroner oppdages i scintillatoren av blinkene de lager når de treffer den - vanligvis organisk plast, for eksempel stilbene. Gammastråler kan oppdage krystaller basert på lantan og brom. Samtidig har enda mer effektive krystaller basert på cerium og brom dukket opp nylig, vi bruker dem i en av våre siste detektorer, som vil fly til Merkur neste år.
- Og likevel, hvorfor blir vestlige spektrografer valgt i nøyaktig de samme åpne konkurransene til vestlige romfartsorganisasjoner, andre instrumenter er også vestlige, og nøytrondetektorer er russiske gang på gang?
- I det store og hele handler det om kjernefysikk: på dette området er vi fortsatt et av de ledende landene i verden. Det handler ikke bare om våpen, men også om massen av relaterte teknologier som våre forskere er engasjert i. Selv i sovjettiden klarte vi å oppnå et så godt grunnlag her at selv på 1990 -tallet var det ikke mulig å miste alt helt, men i dag øker vi tempoet igjen.
Det skal forstås at de vestlige byråene selv ikke betaler en krone for disse enhetene våre. Alle er laget med pengene fra Roscosmos, som vårt bidrag til utenlandsoppdrag. I bytte mot dette får vi en høy status på deltakere i internasjonale romforskningsprosjekter, og i tillegg prioriteres direkte tilgang til vitenskapelige data som instrumentene våre samler inn.
Vi overfører disse resultatene etter behandling, derfor blir vi med rette betraktet som medforfattere av alle funnene som ble gjort takket være enhetene våre. Derfor er alle de høyprofilerte hendelsene med påvisning av tilstedeværelse av vann på Mars og månen, om ikke helt, så på mange måter vårt resultat.
Vi kan nok en gang huske en av våre første detektorer, HEND, som fremdeles opererer ombord på den amerikanske Mars Odyssey -sonden. Det var takket være ham at et kart over hydrogeninnholdet i overflatelagene på den røde planeten først ble utarbeidet.
HEND nøytronspektrometer
Bruk: Mars Odyssey (NASA) romfartøy, 2001 til nå. Vekt: 3, 7 kg. Strømforbruk: 5,7 W. Hovedresultater: kart på høy breddegrad over vannisutbredelse i nord og sør for Mars med en oppløsning på omtrent 300 km, observasjon av sesongmessige endringer i sirkumpolare hetter.
Maxim Mokrousov: “Uten falsk beskjedenhet kan jeg si at på Mars Odyssey, som snart vil være i bane i 15 år, har nesten alle instrumenter allerede begynt å fungere, og bare vårt fortsetter å fungere uten problemer. Det fungerer i takt med en gammadetektor, som effektivt representerer et enkelt instrument med det, og dekker et bredt spekter av partikkelenergier."
- Siden vi snakker om resultatene, hva slags vitenskapelige oppgaver utføres av slike enheter?
- Nøytroner er partiklene som er mest følsomme for hydrogen, og hvis atomene er tilstede hvor som helst i jorden, blir nøytroner effektivt hemmet av kjernene. På månen eller Mars kan de bli skapt av galaktiske kosmiske stråler eller avgitt av en spesiell nøytronpistol, og vi måler faktisk nøytronene som reflekteres av jorden: jo færre det er, jo mer hydrogen.
Vel, hydrogen er i sin tur mest sannsynlig vann, enten i en relativt ren frossen form, eller bundet i sammensetningen av hydrerte mineraler. Kjeden er enkel: nøytroner - hydrogen - vann, derfor er nøytrondetektorenes hovedoppgave nettopp å lete etter vannreserver.
Vi er praktiske mennesker, og alt dette arbeidet er gjort for fremtidige bemannede oppdrag til samme måne eller Mars, for deres utvikling. Hvis du lander på dem, er vann selvfølgelig den viktigste ressursen som må leveres eller hentes lokalt. Elektrisitet kan fås fra solcellepaneler eller atomkilder. Vann er vanskeligere: for eksempel er hovedlasten som lasteskip må levere til ISS i dag vann. Hver gang tar de det 2–2,5 tonn.
LEND nøytron detektor
Bruk: Lunar Reconnaissance Orbiter (NASA) romfartøy, 2009 til nå. Vekt: 26,3 kg. Strømforbruk: 13W Hovedresultater: oppdagelse av potensielle vannreserver på månens sørpol; konstruksjon av et globalt kart over månens nøytronstråling med en romlig oppløsning på 5-10 km.
Maxim Mokrousov: “I LEND har vi allerede brukt en kollimator basert på bor-10 og polyetylen, som blokkerer nøytroner på sidene av enhetens synsfelt. Det mer enn doblet massen til detektoren, men det gjorde det mulig å oppnå større oppløsning ved observasjon av månens overflate - jeg tror dette var hovedfordelen med enheten, som gjorde at vi kunne omgå våre kolleger fra Los Alamos igjen."
- Hvor mange slike enheter er allerede laget? Og hvor mye er planlagt?
- De er enkle å liste opp: de driver allerede HAND på Mars Odyssey og LEND på månens LRO, DAN på Curiosity-roveren, samt BTN-M1 installert på ISS. Det er verdt å legge til dette NS-HEND-detektoren, som var inkludert i den russiske sonden "Phobos-Grunt" og dessverre gikk tapt sammen med den. Nå, på forskjellige stadier av beredskap, har vi fire flere slike enheter.
BTN-M1. Foto: Space Research Institute RAS
Den første av dem - neste sommer - vil fly FREND -detektoren, den blir en del av fellesoppdraget med EU ExoMars. Dette oppdraget er veldig stort, det vil inkludere en orbiter, en lander og en liten rover, som vil bli lansert separat i løpet av 2016-2018. FREND vil jobbe med en sonde i bane, og på den bruker vi den samme kollimatoren som på månens LEND for å måle vanninnholdet på Mars med samme nøyaktighet som det ble gjort for månen. I mellomtiden har vi disse dataene for Mars bare i en ganske grov tilnærming.
Mercurian gamma- og nøytronspektrometer (MGNS), som skal operere på BepiColombo -sonden, har lenge vært klart og overlevert til våre europeiske partnere. Det er planlagt at oppskytingen vil finne sted i 2017, mens de siste termiske vakuumtestene av instrumentet allerede er i gang som en del av romfartøyet.
Vi forbereder også instrumenter for russiske oppdrag-dette er to ADRON-detektorer, som vil fungere som en del av Luna-Glob-nedstigningskjøretøyene, og deretter Luna-Resurs. I tillegg er BTN-M2-detektoren i drift. Det vil ikke bare utføre observasjoner ombord på ISS, men vil også gjøre det mulig å utarbeide forskjellige metoder og materialer for effektiv beskyttelse av astronauter mot nøytronkomponenten i kosmisk stråling.
BTN-M1 nøytron detektor
Bruk: Internasjonal romstasjon (Roscosmos, NASA, ESA, JAXA, etc.), siden 2007. Vekt: 9,8 kg. Strømforbruk: 12,3W Hovedresultatene: kart over nøytronstrømmer i nærheten av ISS ble konstruert, strålingssituasjonen på stasjonen ble vurdert i forbindelse med aktivitetene til solen, et eksperiment ble utført for å registrere kosmiske gammastråler.
Maxim Mokrousov: “Etter å ha engasjert oss i dette prosjektet, ble vi ganske overrasket: Tross alt er faktisk forskjellige former for stråling forskjellige partikler, inkludert elektroner, og protoner og nøytroner. Samtidig viste det seg at nøytronkomponenten i strålingsfaren ennå ikke er målt riktig, og dette er en spesielt farlig form for det, fordi nøytroner er ekstremt vanskelige å skjerme ved hjelp av konvensjonelle metoder."
- I hvilken grad kan disse enhetene selv kalles russiske? Er andelen av elementer og deler av innenlandsk produksjon høy i dem?
- Det er etablert en fullverdig mekanisk produksjon her, på IKI RAS. Vi har også alle nødvendige testfasiliteter: et støtestativ, et vibrasjonsstativ, et termisk vakuumkammer og et kammer for testing for elektromagnetisk kompatibilitet … Faktisk trenger vi bare tredjepartsproduksjon for individuelle komponenter - for eksempel, kretskort. Partnere fra Research Institute of Electronic and Computer Technology (NIITSEVT) og en rekke kommersielle virksomheter hjelper oss med dette.
Tidligere hadde selvfølgelig instrumentene våre mye, omtrent 80%, av importerte komponenter. Imidlertid er de nye enhetene vi produserer, nesten fullstendig satt sammen av husholdningskomponenter. Jeg tror at det i nær fremtid ikke vil være mer enn 25% av importen i dem, og i fremtiden vil vi kunne være enda mindre avhengige av utenlandske partnere.
Jeg kan si at innenlands mikroelektronikk har gjort et skikkelig sprang fremover de siste årene. For åtte år siden, i vårt land, ble det ikke produsert elektroniske tavler som passer for våre oppgaver i det hele tatt. Nå er det Zelenograd -foretakene "Angstrem", "Elvis" og "Milandr", det er Voronezh NIIET - valget er tilstrekkelig. Det ble lettere for oss å puste.
Det mest støtende er den absolutte avhengigheten av produsentene av scintillatorkrystaller for våre detektorer. Så vidt jeg vet, blir det forsøkt å dyrke dem i et av instituttene i Tsjernogolovka nær Moskva, men de har ennå ikke lykkes med å oppnå de nødvendige dimensjonene og volumene til en superren krystall. Derfor må vi i denne forbindelse fortsatt stole på europeiske partnere, mer presist, på Saint-Gobain-bekymringen. Imidlertid er bekymringen i dette markedet en komplett monopolist, derfor forblir hele verden i en avhengig posisjon.
