Обнаружение европейскими и американскими зондами воды на Марсе и Луне — заслуга прежде всего российских ученых
За регулярными сообщениями о все новых и новых находках, сделанных европейскими и американскими миссиями, от внимания публики ускользает, что многие из этих открытий сделаны благодаря работе российских ученых, инженеров и конструкторов. Среди таких открытий особенно можно выделить обнаружение следов воды на ближайших к нам и, как прежде казалось, совершенно сухих небесных телах — Луне и Марсе. Именно российские детекторы нейтронов, работая на иностранных аппаратах, помогли найти здесь воду, а в будущем помогут обеспечить и пилотируемые экспедиции. О том, почему западные космические агентства предпочитают именно российские детекторы нейтронов, «Русской планете» рассказал заведующий лабораторией ядерно-физических приборов Института космических исследований (ИКИ) РАН кандидат физико-математических наук Максим Мокроусов.

— Космические аппараты — и орбитальные, и спускаемые, и планетоходы — несут целые комплекты инструментов: спектрометры, альтиметры, газовые хроматографы и т. п. Почему именно детекторы нейтронов на многих из них российские? С чем это связано?
— Это связано с победой наших проектов на открытых тендерах, которые проводят организаторы таких миссий. Как и конкуренты, мы подаем предложение и пытаемся доказать, что наш прибор оптимальный для данного аппарата. И вот уже несколько раз нам это благополучно удавалось.

Обычный наш соперник на таких конкурсах — это Лос-Аламосская национальная лаборатория, та самая, где был реализован Манхэттенский проект и создана первая атомная бомба. А вот, например, сделать нейтронный детектор для марсохода MSL (Curiosity) нашу лабораторию пригласили специально, узнав о новой технологии, которая у нас появилась. Созданный для американского марсохода ДАН стал первым детектором нейтронов с активной генерацией частиц. Он фактически состоит из двух частей — сам детектор и генератор, в котором разогнанные до очень больших скоростей электроны ударяют в тритиевую мишень и, по сути, происходит полноценная, хотя и миниатюрная, термоядерная реакция с выделением нейтронов.

Такие генераторы американцы делать не умеют, а создали его наши коллеги из московского ВНИИ автоматики имени Духова. В советские годы это был ключевой центр, где разрабатывались «запалы» для ядерных боеголовок, а сегодня часть его продукции имеет гражданское, коммерческое назначение. Вообще такие детекторы с генераторами находят применение, например, в разведке запасов нефти — эта технология называется нейтронным каротажем. Мы лишь взяли этот подход и использовали для марсохода; до сих пор этого не делал никто.

Активный детектор нейтронов ДАН

Использование: планетоход Mars Science Laboratory/Curiosity (NASA), с 2012 года по настоящее время. Масса: 2,1 кг (детектор нейтронов), 2,6 кг (генератор нейтронов). Энергопотребление: 4,5 Вт (детектор), 13 Вт (генератор). Основные результаты: обнаружение связанной воды в грунте на глубине до 1 м по маршруту движения марсохода.

Максим Мокроусов: «Вдоль почти всего 10-километрового пути, пройденного марсоходом, воды в верхних слоях грунта обнаруживалось обычно 2–5%. Однако в мае нынешнего года он наткнулся на район, в котором либо воды в разы больше, либо присутствуют какие-то необычные химические вещества. Марсоход развернули и вернули на подозрительное место. В итоге выяснилось, что грунт там действительно необычен для Марса и состоит в основном из оксида кремния».

— С генерацией все примерно понятно. А как происходит само обнаружение нейтронов?

— Нейтроны низких энергий мы детектируем пропорциональными счетчиками на основе гелия-3 — они работают в ДАНе, ЛЕНДе, МГНС и всех прочих наших приборах. Нейтрон, попавший в гелий-3, «разваливает» его ядро на две частицы, которые потом ускоряются в магнитном поле, создают лавинную реакцию и на выходе — импульс тока (электронов).



Нейтроны высоких энергий обнаруживаются в сцинтилляторе по вспышкам, которые они создают, попадая в него, — обычно это органический пластик, например стильбен. Ну а гамма-лучи позволяют детектировать кристаллы на основе лантана и брома. При этом в последнее время появились еще более эффективные кристаллы на основе церия и брома, их мы используем в одном из своих самых последних детекторов, в том, что полетит в будущем году на Меркурий.

— И все-таки почему в таких же точно открытых конкурсах западных космических агентств спектрографы выбираются западные, другие инструменты — тоже западные, а нейтронные детекторы раз за разом российские?

— По большому счету, все дело в ядерной физике: в этой области мы до сих пор остаемся одной из ведущих стран мира. Речь не только об оружии, но и о массе сопутствующих технологий, которыми занимаются наши ученые. Еще при СССР здесь удалось добиться такого хорошего задела, что даже за 1990-е растерять все окончательно не удалось, ну а сегодня мы снова наращиваем темп.

При этом стоит понимать, что сами западные агентства за эти наши приборы не платят ни копейки. Все они делаются за деньги Роскосмоса, в качестве нашего вклада в иностранные миссии. В обмен на это мы получаем высокий статус участников международных проектов по исследованию космоса, а кроме того — приоритетный прямой доступ к научным данным, которые собирают наши инструменты.

Мы передаем эти результаты уже после обработки, поэтому по праву считаемся соавторами всех находок, которые сделаны благодаря нашим приборам. Поэтому все громкие события с обнаружением присутствия воды на Марсе и Луне — это если не целиком, то во многом наш результат.

Можно еще раз вспомнить один из первых наших детекторов, ХЕНД, до сих пор работающий на борту американского зонда Mars Odyssey. Именно благодаря ему была впервые составлена карта содержания водорода в поверхностных слоях Красной планеты.

Нейтронный спектрометр ХЕНД

Использование: космический аппарат Mars Odyssey (NASA), с 2001 года по настоящее время. Масса: 3,7 кг. Энергопотребление: 5,7 Вт. Основные результаты: высокоширотные карты распределения водяного льда на севере и юге Марса с разрешением около 300 км, наблюдение за сезонными изменениями приполярных шапок.

Максим Мокроусов: «Без ложной скромности могу сказать, что на Mars Odyssey, который скоро 15 лет как находится на орбите, практически все приборы уже начали давать сбои, и только наш продолжает работать без проблем. Он действует в тандеме с гамма-детектором, фактически представляя с ним единый инструмент, перекрывающий широкий спектр энергий частиц».

— Раз уж мы заговорили о результатах, то какие именно научные задачи выполняют такие приборы?

— Нейтроны — частицы, наиболее чувствительные к водороду, и если его атомы присутствуют где-нибудь в грунте, нейтроны эффективно затормаживаются их ядрами. На Луне или Марсе их могут создавать галактические космические лучи или испускать специальная нейтронная пушка, и отраженные грунтом нейтроны мы, собственно, и измеряем: чем их меньше — тем больше водорода.

Ну а водород, в свою очередь, это, скорее всего, вода, либо в относительно чистом замерзшем виде, либо связанная в составе гидратированных минералов. Цепочка простая: нейтроны — водород — вода, поэтому главная задача наших нейтронных детекторов — это именно поиск запасов воды.

Мы люди практичные, и вся эта работа делается для будущих пилотируемых миссий к той же Луне или Марсу, для их освоения. Если высаживаться на них, то вода, конечно, является самым значительным ресурсом, который понадобится либо доставлять, либо добывать на месте. Электричество можно получить с помощью солнечных батарей или ядерных источников. С водой сложнее: например, основной груз, который сегодня приходится доставлять грузовым кораблям на МКС, это именно вода. Ее каждый раз берут по 2–2,5 тонны.

Нейтронный детектор ЛЕНД

Использование: космический аппарат Lunar Reconnaissance Orbiter (NASA), с 2009 года по настоящее время. Масса: 26,3 кг. Энергопотребление: 13 Вт. Основные результаты: обнаружение потенциальных запасов воды на Южном полюсе Луны; построение глобальной карты нейтронного излучения Луны с пространственным разрешением 5–10 км.

Максим Мокроусов: «В ЛЕНДе мы уже использовали коллиматор на основе бора-10 и полиэтилена, блокирующий нейтроны по бокам поля зрения прибора. Он более чем вдвое повысил массу детектора, зато позволил добиться большего разрешения при наблюдении поверхности Луны — думаю, это и стало главным плюсом прибора, который позволил нам снова обойти коллег из Лос-Аламоса».

— Сколько же всего таких приборов уже сделано? И сколько планируется?

— Их легко перечислить: это уже работающие ХЕНД на марсианском орбитальном аппарате Mars Odyssey и ЛЕНД на лунном LRO, ДАН на марсоходе Curiosity, а также БТН-М1, установленный на МКС. Сюда стоит добавить детектор НС-ХЕНД, который вошел в состав российского зонда «Фобос-Грунт» и, к сожалению, был потерян вместе с ним. Сейчас же на разных этапах готовности у нас еще четыре таких прибора.



Первым из них — уже следующим летом — отправится в полет детектор ФРЕНД, он станет частью совместной с ЕС миссии ExoMars. Миссия эта очень масштабная, она будет включать и орбитальный аппарат, и спускаемый, и небольшой марсоход, которые будут запускаться по отдельности, в течение 2016–2018 годов. ФРЕНД будет работать на орбитальном зонде, и на нем мы используем такой же коллиматор, как на лунном ЛЕНДе, чтобы промерить содержание воды на Марсе с той же точностью, с какой это было сделано для Луны. Пока же у нас для Марса эти данные имеются лишь в достаточно грубом приближении.

Давно готов и передан нашим европейским партнерам меркурианский гамма- и нейтронный спектрометр (МГНС), который будет работать на зонде BepiColombo. Планируется, что запуск состоится в 2017 году, пока же проходят последние термовакуумные испытания инструмента уже в составе космического аппарата.

Готовим мы и приборы для российских миссий — это два детектора АДРОН, которые будут работать в составе спускаемых аппаратов «Луна-Глоб», а затем и «Луна-Ресурс». Кроме того, в работе находится детектор БТН-М2. Он будет не только вести наблюдения на борту МКС, но и позволит отработать разные методы и материалы для эффективной защиты космонавтов от нейтронной компоненты космического излучения.

Детектор нейтронов БТН-М1

Использование: Международная космическая станция (Роскосмос, NASA, ESA, JAXA и др.), с 2007 года. Масса: 9,8 кг. Энергопотребление: 12,3 Вт. Основные результаты: построены карты потоков нейтронов в окрестностях МКС, произведена оценка радиационной обстановки на станции в связи с активностью Солнца, ведется эксперимент по регистрации космических гамма-всплесков.

Максим Мокроусов: «Занявшись этим проектом, мы были порядком удивлены: ведь, по сути, разные формы радиации — это разные частицы, в том числе и электроны, и протоны, и нейтроны. При этом оказалось, что нейтронную компоненту радиационной опасности до сих пор никто толком не измерял, а это особенно опасная ее форма, ведь нейтроны чрезвычайно трудно экранировать обычными способами».

— Насколько сами эти приборы можно назвать российскими? Велика ли в них доля элементов и деталей отечественного производства?

— Полноценное механическое производство налажено у нас, в ИКИ РАН. Есть у нас и вся необходимая испытательная база: и ударный стенд, и вибростенд, и термовакуумная камера, и камера для проверки на электромагнитную совместимость... Фактически стороннее производство нам требуется только для отдельных компонентов — скажем, печатных плат. С этим нам помогают партнеры из НИИ электронной и вычислительной техники (НИИЦЭВТ), ряд коммерческих предприятий.

Раньше, конечно, на наших инструментах было очень много, где-то 80%, импортных компонентов. Однако сейчас выпускаемые нами новые приборы уже практически полностью собираются из отечественных компонентов. Думаю, импорта в них уже в ближайшее время останется не больше 25%, а в дальнейшем мы сможем еще меньше зависеть от иностранных партнеров.

Могу сказать, что отечественная микроэлектроника за последние годы совершила прямо-таки скачок вперед. Еще лет восемь назад у нас в стране вовсе не производилось подходящих для наших задач электронных плат. Сейчас же есть и зеленоградские предприятия «Ангстрем», «Элвис» и «Миландр», есть воронежский НИИЭТ — выбор достаточный. Дышать нам стало легче.

Самое обидное — безусловная зависимость от производителей сцинтилляторных кристаллов для наших детекторов. Насколько мне известно, делаются попытки выращивать их в одном из институтов подмосковной Черноголовки, но нужных размеров, объемов сверхчистого кристалла пока добиться им не удается. Поэтому в этом плане мы еще вынуждены полагаться на европейских партнеров, точнее говоря, на концерн «Сен-Гобен». Впрочем, на этом рынке концерн является полным монополистом, поэтому в зависимом положении остается весь мир.