Opdagelsen af vand på Mars og Månen af europæiske og amerikanske sonder er primært en fortjeneste for russiske forskere
Bag de regelmæssige rapporter om flere og flere nye fund foretaget af europæiske og amerikanske missioner undslipper det offentlighedens opmærksomhed, at mange af disse opdagelser blev gjort takket være arbejde fra russiske forskere, ingeniører og designere. Blandt sådanne opdagelser kan man især fremhæve påvisning af spor af vand på det nærmeste til os og, som det tidligere syntes, helt tørre himmellegemer - Månen og Mars. Det var russiske neutrondetektorer, der arbejdede på fremmede enheder, der hjalp med at finde vand her, og i fremtiden vil de hjælpe med at sørge for bemandede ekspeditioner. Maxim Mokrousov, leder af Laboratory of Nuclear Physics Devices ved Institute of Space Research (IKI), RAS, fortalte den russiske planet, hvorfor vestlige rumorganisationer foretrækker russiske neutrondetektorer.
- Rumfartøjer - i kredsløb, landing og rovere - bærer hele sæt instrumenter: spektrometre, højdemålere, gaskromatografer osv. Hvorfor er neutrondetektorer på mange af dem russiske? Hvad er årsagen til dette?
- Dette skyldes sejren i vores projekter ved åbne udbud, som udføres af arrangørerne af sådanne missioner. Ligesom vores konkurrenter sender vi et tilbud og forsøger at bevise, at vores enhed er optimal til den givne enhed. Og nu er det lykkedes flere gange.
Vores sædvanlige rival i sådanne konkurrencer er Los Alamos National Laboratory, den samme hvor Manhattan -projektet blev implementeret og den første atombombe blev oprettet. Men for eksempel blev vores laboratorium specielt inviteret til at lave en neutrondetektor til MSL (Curiosity) roveren, efter at have lært om den nye teknologi, vi havde. DAN blev skabt til den amerikanske rover og blev den første neutrondetektor med aktiv partikelgenerering. Den består faktisk af to dele - selve detektoren og generatoren, hvor elektroner, der accelererede til meget høje hastigheder, ramte tritiummålet og faktisk forekommer en fuldgyldig, om end miniatur, termonuklear reaktion med frigivelse af neutroner.
Amerikanerne ved ikke, hvordan man laver sådanne generatorer, men det blev skabt af vores kolleger fra Moskva Research Institute of Automation opkaldt efter Dukhov. I sovjettiden var det et centralt center, hvor sikringer til atomsprænghoveder blev udviklet, og i dag er en del af dets produkter til civile, kommercielle formål. Generelt bruges sådanne detektorer med generatorer, for eksempel til efterforskning af oliereserver - denne teknologi kaldes neutronlogning. Vi tog bare denne fremgangsmåde og brugte den til roveren; indtil nu har ingen gjort dette.
Aktiv neutrondetektor DAN
Anvendelse: Mars Science Laboratory / Curiosity (NASA) rover, 2012 til nu. Vægt: 2,1 kg (neutrondetektor), 2,6 kg (neutrongenerator). Strømforbrug: 4,5 W (detektor), 13 W (generator). Hovedresultater: påvisning af bundet vand i jorden i en dybde på 1 m langs roverens rute.
Maxim Mokrousov:”Langs næsten hele den 10 kilometer lange sti, som roveren krydsede, blev vandet i de øverste lag af jorden normalt fundet 2-5%. Men i maj i år faldt han over et område, hvor der enten er meget mere vand, eller der er nogle usædvanlige kemikalier til stede. Roveren blev indsat og returneret til et mistænkeligt sted. Som et resultat viste det sig, at jorden der virkelig er usædvanlig for Mars og hovedsageligt består af siliciumoxid."
- Med generation er alt nogenlunde klart. Og hvordan foregår selve neutrondetekteringen?
- Vi registrerer lavenergi neutroner med proportionelle tællere baseret på helium-3- de fungerer i DAN, LEND, MGNS og alle vores andre enheder. En neutron fanget i helium-3 "bryder" sin kerne op i to partikler, som derefter accelereres i et magnetfelt, hvilket skaber en lavine-reaktion og ved udgangen en strømpuls (elektroner).
Maxim Mokrousov og Sergey Kapitsa. Foto: Fra personligt arkiv
Højenergi -neutroner opdages i scintillatoren af de blink, de skaber, når de rammer det - normalt organisk plast, såsom stilben. Gammastråler kan detektere krystaller baseret på lanthan og brom. På samme tid er endnu mere effektive krystaller baseret på cerium og brom dukket op for nylig, vi bruger dem i en af vores seneste detektorer, som vil flyve til Merkur næste år.
- Og dog hvorfor er vestlige spektrografer valgt i nøjagtig de samme åbne konkurrencer af vestlige rumorganisationer, andre instrumenter er også vestlige, og neutrondetektorer er russiske igen og igen?
- I det store og hele handler det om atomfysik: på dette område er vi stadig et af de førende lande i verden. Det handler ikke kun om våben, men også om massen af relaterede teknologier, som vores forskere beskæftiger sig med. Selv i sovjettiden lykkedes det os at opnå et så godt grundlag her, at selv i 1990'erne var det ikke muligt at miste alt helt, men i dag øger vi igen tempoet.
Det skal forstås, at de vestlige agenturer ikke selv betaler en krone for disse vores enheder. Alle er lavet med Roscosmos penge som vores bidrag til udenlandske missioner. Til gengæld får vi en høj status af deltagere i internationale rumforskningsprojekter og derudover prioriteret direkte adgang til videnskabelige data, som vores instrumenter indsamler.
Vi sender disse resultater efter behandling, derfor betragtes vi med rette som medforfattere af alle de fund, der blev gjort takket være vores enheder. Derfor er alle de højt profilerede begivenheder med påvisning af tilstedeværelsen af vand på Mars og Månen, hvis ikke helt, så i mange henseender vores resultat.
Vi kan igen huske en af vores første detektorer, HEND, som stadig opererer ombord på den amerikanske Mars Odyssey -sonde. Det var takket være ham, at der først blev udarbejdet et kort over brintindholdet i overfladelagene på den røde planet.
HEND neutronspektrometer
Anvendelse: Mars Odyssey (NASA) rumfartøj, 2001 til nu. Vægt: 3,7 kg. Strømforbrug: 5,7 W. Hovedresultater: kort over højbredde over vandisfordeling i nord og syd for Mars med en opløsning på cirka 300 km, observation af sæsonmæssige ændringer i de cirkumpolære hætter.
Maxim Mokrousov: “Uden falsk beskedenhed kan jeg sige, at på Mars Odyssey, som snart vil være i kredsløb i 15 år, er næsten alle instrumenter allerede begyndt at fungere, og kun vores fortsætter med at arbejde uden problemer. Det fungerer sammen med en gammadetektor, der effektivt repræsenterer et enkelt instrument med det og dækker en lang række partikelenergier."
- Da vi taler om resultaterne, hvilken slags videnskabelige opgaver udføres af sådanne enheder?
- Neutroner er de partikler, der er mest følsomme over for brint, og hvis dets atomer er til stede overalt i jorden, hæmmes neutroner effektivt af deres kerner. På Månen eller Mars kan de skabes af galaktiske kosmiske stråler eller udsendes af en speciel neutronpistol, og vi måler faktisk de neutroner, der reflekteres af jorden: jo færre der er, jo mere brint.
Nå, brint er til gengæld sandsynligvis vand, enten i en relativt ren frossen form eller bundet i sammensætningen af hydratiserede mineraler. Kæden er enkel: neutroner - brint - vand, derfor er vores neutrondetektors hovedopgave netop søgningen efter vandreserver.
Vi er praktiske mennesker, og alt dette arbejde udføres for fremtidige bemandede missioner til den samme måne eller Mars for deres udvikling. Hvis du lander på dem, så er vand naturligvis den mest betydningsfulde ressource, der enten skal leveres eller udvindes lokalt. Elektricitet kan fås fra solpaneler eller atomkilder. Vand er vanskeligere: for eksempel er den vigtigste last, lastskibe skal levere til ISS i dag, vand. Hver gang tager de det 2–2,5 tons.
LEND neutron detektor
Anvendelse: Lunar Reconnaissance Orbiter (NASA) rumfartøj, 2009 til nu. Vægt: 26,3 kg. Strømforbrug: 13W Hovedresultater: opdagelse af potentielle vandreserver på Månens sydpol; konstruktion af et globalt kort over månens neutronstråling med en rumlig opløsning på 5-10 km.
Maxim Mokrousov:”I LEND har vi allerede brugt en kollimator baseret på bor-10 og polyethylen, som blokerer neutroner på siderne af enhedens synsfelt. Det mere end fordoblet massen af detektoren, men det gjorde det muligt at opnå større opløsning, når man observerede månens overflade - jeg tror, det var den største fordel ved enheden, som gjorde det muligt for os at omgå vores kolleger fra Los Alamos igen."
- Hvor mange sådanne enheder er der allerede blevet lavet? Og hvor meget er planlagt?
- De er nemme at liste: de driver allerede HAND på Mars Odyssey og LEND på månens LRO, DAN på Curiosity-roveren samt BTN-M1 installeret på ISS. Det er værd at føje hertil NS-HEND-detektoren, som var inkluderet i den russiske sonde "Phobos-Grunt" og desværre gik tabt sammen med den. Nu, på forskellige stadier af beredskab, har vi fire flere sådanne enheder.
BTN-M1. Foto: Space Research Institute RAS
Den første af dem - næste sommer - flyver FREND -detektoren, den bliver en del af den fælles mission med EU ExoMars. Denne mission er meget stor, den vil omfatte en orbiter, en lander og en lille rover, som vil blive lanceret separat i løbet af 2016-2018. FREND vil arbejde på en kredsløbssonde, og på den bruger vi den samme kollimator som på månens LEND til at måle vandindholdet på Mars med den samme nøjagtighed, som det blev gjort for Månen. I mellemtiden har vi disse data kun for Mars i en temmelig grov tilnærmelse.
Mercurian gamma- og neutronspektrometer (MGNS), der skal operere på BepiColombo -sonden, har længe været klar og overdraget til vores europæiske partnere. Det er planlagt, at opsendelsen finder sted i 2017, mens de sidste termiske vakuumtests af instrumentet allerede er i gang som en del af rumfartøjet.
Vi forbereder også instrumenter til russiske missioner-det er to ADRON-detektorer, der fungerer som en del af Luna-Glob-nedstigningskøretøjerne og derefter Luna-Resurs. Derudover er BTN-M2-detektoren i drift. Det vil ikke kun foretage observationer ombord på ISS, men vil også gøre det muligt at udarbejde forskellige metoder og materialer til effektiv beskyttelse af astronauter mod neutronkomponenten i kosmisk stråling.
BTN-M1 neutron detektor
Anvendelse: International Space Station (Roscosmos, NASA, ESA, JAXA, etc.), siden 2007. Vægt: 9,8 kg. Strømforbrug: 12,3W Hovedresultaterne: Kort over neutronstrømme i nærheden af ISS blev konstrueret, strålingssituationen på stationen blev vurderet i forbindelse med solens aktivitet, et eksperiment blev udført for at registrere kosmiske gammastråler.
Maxim Mokrousov:”Efter at have deltaget i dette projekt var vi ret overraskede: Faktisk er forskellige former for stråling forskellige partikler, herunder elektroner og protoner og neutroner. På samme tid viste det sig, at neutronkomponenten i strålingsfaren endnu ikke er blevet målt korrekt, og det er en særlig farlig form for det, fordi neutroner er ekstremt vanskelige at screene ved hjælp af konventionelle metoder."
- I hvilket omfang kan disse enheder selv kaldes russiske? Er andelen af elementer og dele af den indenlandske produktion høj i dem?
- Der er etableret en fuldgyldig mekanisk produktion her på IKI RAS. Vi har også alle de nødvendige testfaciliteter: et stødstativ, et vibrationsstativ, et termisk vakuumkammer og et kammer til test for elektromagnetisk kompatibilitet … Faktisk har vi kun brug for tredjepartsproduktion til individuelle komponenter - f.eks. printkort. Partnere fra Research Institute of Electronic and Computer Technology (NIITSEVT) og en række kommercielle virksomheder hjælper os med dette.
Tidligere havde vores instrumenter selvfølgelig meget, omkring 80%, af importerede komponenter. Men nu er de nye enheder, vi producerer, næsten fuldstændig samlet fra husholdningskomponenter. Jeg tror, at der i den nærmeste fremtid ikke vil være mere end 25% af importen i dem, og i fremtiden vil vi kunne være endnu mindre afhængige af udenlandske partnere.
Jeg kan sige, at indenlandsk mikroelektronik har gjort et rigtigt spring fremad i de seneste år. For otte år siden blev der i vores land slet ikke produceret elektroniske tavler, der var egnede til vores opgaver. Nu er der Zelenograd -virksomhederne "Angstrem", "Elvis" og "Milandr", der er Voronezh NIIET - valget er tilstrækkeligt. Det blev lettere for os at trække vejret.
Det mest stødende er den absolutte afhængighed af producenterne af scintillatorkrystaller til vores detektorer. Så vidt jeg ved, forsøger man at dyrke dem i et af institutterne i Chernogolovka nær Moskva, men det er endnu ikke lykkedes at opnå de nødvendige dimensioner og mængder af en superren krystal. Derfor er vi i denne forbindelse stadig nødt til at stole på europæiske partnere, mere præcist, på Saint-Gobain-bekymringen. På dette marked er bekymringen imidlertid en komplet monopolist, derfor forbliver hele verden i en afhængig position.
