Rusové na Marsu
Objev vody na Marsu a Měsíci evropskými a americkými sondami je především zásluha ruských vědců
Za pravidelnými zprávami o dalších a dalších objevech evropských a amerických misí uniká pozornosti veřejnosti, že mnoho z těchto objevů bylo učiněno díky práci ruských vědců, inženýrů a konstruktérů. Mezi takové objevy lze zvláště vyzdvihnout objev stop vody na nám nejbližších a, jak se zdálo dříve, zcela suchých nebeských tělesech - Měsíci a Marsu. Právě ruské detektory neutronů, pracující na zahraničních vozidlech, zde pomohly najít vodu a v budoucnu pomohou zajistit pilotované expedice. Maxim Mokrousov, PhD ve fyzice a matematice, řekl ruské planetě, proč západní vesmírné agentury preferují ruské detektory neutronů.
- Kosmické lodě - jak orbitální, tak sestupné, a planetární vozítka - nesou celé sady přístrojů: spektrometry, výškoměry, plynové chromatografy atd. Proč jsou detektory neutronů na mnoha z nich ruské? S čím to souvisí?
— Důvodem je vítězství našich projektů v otevřených výběrových řízeních pořádaných organizátory takových misí. Stejně jako naši konkurenti podáváme nabídku a snažíme se dokázat, že naše zařízení je pro toto zařízení optimální. A nyní se nám to několikrát podařilo.
Naším obvyklým soupeřem v takových soutěžích je Los Alamos National Laboratory, stejná laboratoř, kde byl realizován projekt Manhattan a kde byla vytvořena první atomová bomba. Ale například naše laboratoř byla speciálně pozvána, aby vyrobila detektor neutronů pro rover MSL (Curiosity), protože se dozvěděla o nové technologii, kterou máme. DAN, vytvořený pro americký Mars rover, se stal prvním neutronovým detektorem s aktivním generováním částic. Skládá se vlastně ze dvou částí - samotného detektoru a generátoru, ve kterém elektrony urychlené na velmi vysoké rychlosti narazí na tritiový terč a v podstatě dojde k plnohodnotné, byť miniaturní, termonukleární reakci s uvolněním neutronů.
Američané nevědí, jak takové generátory vyrobit, ale vytvořili je naši kolegové z Moskevského Všeruského výzkumného institutu automatizace pojmenovaného po Dukhovovi. Během sovětských let to bylo klíčové centrum, kde se vyvíjely „pojistky“ pro jaderné hlavice a dnes jsou některé její produkty pro civilní, komerční účely. Obecně se takové detektory s generátory používají například při průzkumu ropných zásob – této technologii se říká neutronová logování. Právě jsme zvolili tento přístup a použili jej pro rover; zatím to nikdo neudělal.
Aktivní detektor neutronů DAN
Použití: rover Mars Science Laboratory/Curiosity (NASA), od roku 2012 do současnosti. Hmotnost: 2,1 kg (detektor neutronů), 2,6 kg (generátor neutronů). Příkon: 4,5 W (detektor), 13 W (generátor). Hlavní výsledky: detekce vázané vody v půdě v hloubce do 1 m podél trasy roveru.
Maxim Mokrousov: „Podél téměř celé 10kilometrové trasy, kterou rover pokrýval, se voda obvykle nacházela v horních vrstvách půdy, 2–5 %. V květnu letošního roku však narazil na oblast, ve které je buď mnohem více vody, nebo jsou přítomny nějaké neobvyklé chemikálie. Rover byl otočen a vrácen na podezřelé místo. Ve výsledku se ukázalo, že tamní půda je pro Mars opravdu neobvyklá a skládá se převážně z oxidu křemičitého.
- S generací je vše přibližně jasné. A jak probíhá detekce neutronů?
— Nízkoenergetické neutrony detekujeme pomocí proporcionálních čítačů helia-3 — fungují v DAN, LEND, MGNS a všech našich dalších přístrojích. Neutron, který spadl do hélia-3, „rozbije“ své jádro na dvě částice, které jsou pak urychlovány v magnetickém poli, čímž vzniká lavinová reakce a na výstupu proudový (elektronový) pulz.
Vysokoenergetické neutrony jsou ve scintilátoru detekovány záblesky, které vytvářejí, když do něj dopadnou – obvykle jde o organický plast, jako je stilben. No, gama paprsky umožňují detekovat krystaly na bázi lanthanu a bromu. V poslední době se přitom objevily ještě účinnější krystaly na bázi ceru a bromu, používáme je v jednom z našich nejnovějších detektorů, v jednom, který příští rok poletí k Merkuru.
- A proč se přesto ve stejných otevřených soutěžích západních kosmických agentur vybírají západní spektrografy, další přístroje jsou také západní a detektory neutronů jsou stále znovu ruské?
— Celkově je to všechno o jaderné fyzice: v této oblasti stále zůstáváme jednou z předních zemí na světě. Není to jen o zbraně, ale také o mase souvisejících technologií, kterými se naši vědci zabývají. Ještě za SSSR se nám tady podařilo dosáhnout tak dobrého startu, že ani v devadesátých letech nebylo možné přijít úplně o všechno, ale dnes zase zvyšujeme tempo.
Přitom je třeba chápat, že samy západní agentury za tato naše zařízení nezaplatí ani korunu. Všechny jsou vyrobeny za peníze Roskosmosu, jako náš příspěvek na zahraniční mise. Výměnou za to získáváme vysoký status účastníků mezinárodních projektů průzkumu vesmíru a navíc prioritní přímý přístup k vědeckým datům, které naše přístroje shromažďují.
Tyto výsledky po zpracování předáváme, proto jsme právem považováni za spoluautory všech nálezů, které byly díky našim zařízením učiněny. Proto jsou všechny významné události s objevem přítomnosti vody na Marsu a Měsíci, ne-li úplně, pak v mnoha ohledech naším výsledkem.
Znovu si můžeme připomenout jeden z našich prvních detektorů HAND, který stále funguje na palubě americké sondy Mars Odyssey. Právě díky němu byla poprvé sestavena mapa obsahu vodíku v povrchových vrstvách rudé planety.
Neutronový spektrometr RUČNÍ
Použití: Kosmická loď Mars Odyssey (NASA), 2001 až do současnosti. Hmotnost: 3,7 kg. Příkon: 5,7W. Hlavní výsledky: mapy rozložení vodního ledu na severu a jihu Marsu ve vysokých zeměpisných šířkách s rozlišením cca 300 km, pozorování sezónních změn polárních čepiček.
Maxim Mokrousov: „Bez falešné skromnosti mohu říci, že na Mars Odyssey, která je na oběžné dráze 15 let, již začala selhávat téměř všechna zařízení a pouze ta naše nadále funguje bez problémů. Pracuje v tandemu s gama detektorem, ve skutečnosti s ním představuje jediný přístroj pokrývající širokou škálu energií částic.“
- Když už mluvíme o výsledcích, jaké vědecké úkoly taková zařízení plní?
„Neutrony jsou částice nejcitlivější na vodík, a pokud jsou jeho atomy přítomny kdekoli v půdě, neutrony jsou účinně zpomalovány svými jádry. Na Měsíci nebo Marsu je může vytvořit galaktické kosmické záření nebo je vyzařuje speciální neutronové dělo a vlastně měříme neutrony odražené od země: čím méně jich je, tím více vodíku.
No a vodík je zase s největší pravděpodobností voda, buď v relativně čisté zmrzlé formě, nebo vázaná ve složení hydratovaných minerálů. Řetězec je jednoduchý: neutrony – vodík – voda, takže hlavním úkolem našich detektorů neutronů je právě hledání zásob vody.
Jsme praktičtí lidé a veškerá tato práce se dělá pro budoucí pilotované mise na stejný Měsíc nebo Mars, pro jejich průzkum. Pokud na nich přistanete, pak je samozřejmě voda tím nejvýznamnějším zdrojem, který budete muset buď dodat, nebo vytěžit na místě. Elektřinu lze vyrábět pomocí solárních panelů nebo jaderných zdrojů. S vodou je to složitější: například hlavním nákladem, který dnes musí nákladní lodě doručit na ISS, je voda. Pokaždé se odebere 2–2,5 tuny.
Neutronový detektor LEND
Použití: Lunar Reconnaissance Orbiter (NASA), 2009 až do současnosti. Hmotnost: 26,3 kg. Příkon: 13W. Hlavní výsledky: objev potenciálních zásob vody na jižním pólu Měsíce; konstrukce globální mapy neutronového záření Měsíce s prostorovým rozlišením 5–10 km.
Maxim Mokrousov: „V LEND jsme již použili kolimátor na bázi boru-10 a polyetylenu, který blokuje neutrony po stranách zorného pole přístroje. Více než zdvojnásobil hmotnost detektoru, ale umožnil nám dosáhnout většího rozlišení při pozorování povrchu Měsíce – to byla myslím hlavní výhoda přístroje, který nám umožnil opět obejít kolegy z Los Alamos.
- Kolik z těchto zařízení již bylo vyrobeno? A kolik se plánuje?
- Je snadné je vyjmenovat: tyto již fungují HEND na marťanské orbitě Mars Odyssey a LEND na lunárním LRO, DAN na roveru Curiosity a také BTN-M1 nainstalované na ISS. Za doplnění stojí detektor NS-HAND, který byl součástí ruské sondy Phobos-Grunt a bohužel se ztratil spolu s ní. Nyní máme další čtyři taková zařízení v různých fázích připravenosti.
Prvním z nich bude již příští léto detektor FREND, který se stane součástí mise ExoMars společně s EU. Tato mise je velmi ambiciózní, její součástí bude orbiter, lander a malý rover, které budou vypuštěny samostatně během let 2016-2018. FREND bude pracovat na sondě na oběžné dráze a na ní použijeme stejný kolimátor jako na měsíční LEND, abychom změřili obsah vody na Marsu se stejnou přesností, jako tomu bylo u Měsíce. Tyto údaje pro Mars máme zatím jen v dost hrubé aproximaci.
Merkur gama a neutronový spektrometr (MGNS), který bude fungovat na sondě BepiColombo, je již dávno připraven a předán našim evropským partnerům. Plánuje se, že start proběhne v roce 2017, přičemž poslední tepelné vakuové testy přístroje již probíhají v rámci kosmické lodi.
Připravujeme také přístroje pro ruské mise – jedná se o dva detektory ADRON, které budou fungovat jako součást sestupových vozidel Luna-Glob, a dále Luna-Resource. Navíc je v provozu detektor BTN-M2. Ta bude na palubě ISS nejen provádět pozorování, ale umožní také vypracovat různé metody a materiály pro účinnou ochranu astronautů před neutronovou složkou kosmického záření.
Neutronový detektor BTN-M1
Použití: Mezinárodní vesmírná stanice (Roskosmos, NASA, ESA, JAXA atd.), od roku 2007. Hmotnost: 9,8 kg. Příkon: 12,3W. Hlavní výsledky: byly sestrojeny mapy toků neutronů v okolí ISS, radiační situace na stanici byla hodnocena v souvislosti s aktivitou Slunce, probíhá experiment na detekci kosmických gama záblesků.
Maxim Mokrousov: „Když jsme se chopili tohoto projektu, byli jsme docela překvapeni: ve skutečnosti jsou různé formy záření různé částice, včetně elektronů, protonů a neutronů. Zároveň se ukázalo, že neutronovou složku radiačního nebezpečí ještě nikdo pořádně nezměřil, a to je její obzvlášť nebezpečná forma, protože neutrony je extrémně obtížné odstínit běžnými metodami.
- Jak mohou být tato zařízení samotná nazývána ruskými? Je v nich velký podíl prvků a částí domácí produkce?
- Vznikla zde plnohodnotná strojní výroba, v IKI RAS. Máme také všechna potřebná testovací zařízení: rázový stojan, vibrační stojan, tepelnou vakuovou komoru a komoru pro elektromagnetickou kompatibilitu... Ve skutečnosti potřebujeme pouze výrobu od třetích stran pro jednotlivé komponenty – řekněme desky plošných spojů. S tím nám pomáhají partneři z Výzkumného ústavu elektronického a počítačového inženýrství (NIITsEVT), řady komerčních podniků.
Dříve samozřejmě měly naše nástroje hodně, někde kolem 80 %, dovážených komponentů. Nyní jsou však nová zařízení, která vyrábíme, již téměř kompletně sestavena z domácích komponentů. Myslím, že v blízké budoucnosti v nich nebude více než 25 % dovozu a v budoucnu budeme moci ještě méně záviset na zahraničních partnerech.
Mohu říci, že tuzemská mikroelektronika udělala v posledních letech pořádný skok kupředu. Před osmi lety se u nás vůbec nevyráběly elektronické desky vhodné pro naše úkoly. Nyní existují zelenogradské podniky "Angstrem", "Elvis" a "Milandr", existuje Voroněžský NIIET - výběr je dostatečný. Bylo pro nás snazší dýchat.
Nejotravnější je bezpodmínečná závislost na výrobcích scintilačních krystalů pro naše detektory. Pokud vím, probíhají pokusy o jejich pěstování v jednom z ústavů v Černogolovce u Moskvy, ale zatím se nedaří dosáhnout požadovaných velikostí, objemů ultračistého krystalu. Proto se v tomto ohledu musíme stále spolehnout na evropské partnery, přesněji na koncern Saint-Gobain. Koncern je však na tomto trhu naprostým monopolem, takže celý svět zůstává v závislé pozici.
informace