Наука и техника: прошлое и настоящее

Физики штурмуют планеты

Проф. Б.И.ЛУЧКОВ,
МИФИ, г. Москва

Физики штурмуют планеты

Марсианские дюны
www.membrana.ru/.../2005/09/02/201100.html

Штурм планет (в лучшем смысле этого слова) начался в 1960-х гг., когда космические корабли стали бороздить Солнечную систему и бросать якоря, становясь спутниками планет. Тогда удалось разглядеть такие детали поверхности, которые с Земли в самые зоркие телескопы не видны. Была снята проблема марсианских каналов, оказавшихся «обманом зрения» и горячим желанием иметь под боком подобную себе развитую цивилизацию. Были исследованы верхние слои облачных атмосфер Венеры и Юпитера, а позднее, через спускаемые аппараты, и их внутренние области. Проводилось картографирование всех планет и астероидов вплоть до крайнего (пока) Плутона. Планетология стала столь же точной наукой, как география после эпохи Великих открытий.

Сейчас появилась возможность, используя методы атомной и ядерной физики, не только увидеть внешний вид планет, но и проникнуть под поверхность, узнать строение грунта и выяснить, не скрываются ли под ним запасы воды.

Есть ли вода на Марсе?

Поиск воды – одна из главных задач исследований Красной планеты. После развенчания «каналов» выяснилось, по снимкам с космических аппаратов, что сейчас на Марсе нет открытых водоёмов, но найдено много деталей, указывающих на их присутствие в прошлом, – каньоны, русла высохших рек, береговая линия древнего океана. Прежде Марс был, как Земля, планетой со сравнительно тёплым и влажным климатом, где могла зародиться и эволюционировать жизнь. Что с ней случилось, когда и по какой причине Марс оказался сухим, холодным и почти лишённым атмосферы? Слой марсианского воздуха в 150 раз тоньше земного, кислорода и паров воды меньше 1%, и состоит он в основном из углекислого газа. Возможно, вода, а с ней и какие-то формы жизни ушли под поверхность, где могут сохраняться в наше время. Ответу на вечно злободневный вопрос «Есть ли жизнь на Марсе?» предшествует решение задачи о глубинных, скрытых резервуарах воды. Эта задача, ещё не придя к точному ответу, решается сейчас ядерно-физическим методом – регистрацией потока нейтронов, выходящих из-под поверхности.

Другая немаловажная цель поиска воды – найти районы будущих посадок пилотируемых экспедиций (а потом и поселений), которые, как в песне, «без воды и не туды, и не сюды».

Нейтронный каротаж воды

Лишённый практически атмосферы, Марс бомбардируется потоком космических лучей (протонов, ядер достаточно высоких энергий), которые проникают в грунт и там вступают в реакции с атомами залегающих пород. Образуются радиоактивные ядра. Поверхность Марса радиоактивна, и жизнь поселенцев на нём будет не такая уж сладкая. Нас от подобной участи оберегает плотная (1 кг/см² толщиной) земная атмосфера, не пропускающая первичное космическое излучение ниже стратосферы. В результате ядерных реакций в грунте возникает поток нейтронов, выходящих наружу, который может быть зарегистрирован на космическом корабле, обращающемся по низкой орбите. Анализ энергии нейтронов и наведённой гамма-радиоактивности однозначно определяет состав марсианских пород. Там, где много водорода, нейтроны, рассеиваясь, быстро замедляются, т.к. масса нейтрона такая же, как масса ядра водорода (протона), и выходящий поток будет низкоэнергичным (1 эВ–1 кэВ). Водород в породах – почти исключительно в составе воды. Газообразный водород гравитационным полем Марса не удерживается и давно им потерян. Следовательно, низкоэнергичный спектр нейтронов – точный свидетель воды (или водяного льда) под поверхностью до глубин в несколько метров, откуда нейтроны могут выходить. Там, где грунтовых запасов воды нет, в спектре нейтронов будут преобладать высокие энергии (1 кэВ–1 МэВ).

Аналогичный метод спектрального анализа нейтронов, получивший название нейтронного каротажа, широко применяется для поиска нефти, тоже водородсодержащего вещества. Регистрируя отражённый поток нейтронов в буровой скважине, узнают, богаты ли проходимые породы нефтью или нет. Удобство нейтронного каротажа на Марсе в том, что не нужен специальный источник нейтронов, – их создают космические лучи в ядерных реакциях в грунте.

Первые результаты нейтронного каротажа воды получил в 2002 г. детектор HEND, созданный в лаборатории ИКИ РАН под руководством доктора физ.-мат. наук И.Г.Митрофанова. HEND выиграл тендер NASA и вошёл в состав космического корабля MarsOdyssey, ставшего спутником планеты (см. «Водные ресурсы Марса» в «Физике» № 30/2002). Уже тогда в первый месяц наблюдений было установлено, что под поверхностью планеты скрыты значительные запасы воды.

Четыре года на марсианской орбите

HEND продолжает наблюдения, перекрыв вдвое предназначенное ему время работы на орбите. Характеристики прибора заметно не изменились, несмотря на повышенный фон радиации, он по-прежнему в хорошем рабочем состоянии. Накопленный материал по нейтронам настолько обширен, что позволяет не только получить точные карты планеты в «нейтронном свете» разных энергий, но и выявить некоторые эффекты структуры и состава марсианского грунта. На рис. 1 показана карта Марса в энергетическом интервале замедленных (малых энергий, 1 эВ–100 эВ) нейтронов.

Рис. 1. Карта Марса в интервале малых энергий нейтронов
Прибор HEND (ИКИ РАН)

Подавляющее господство замедленных нейтронов – в районах полюсов планеты, над гигантскими полярными шапками Марса. Это свидетельство того, что они состоят не только из сухого льда (оксида углерода), как считалось ранее, а включают и заметное количество водяного льда. Но не только там наблюдается избыток замедленных нейтронов. Отдельные «очаги» видны на средних широтах (в северном и южном полушариях) и даже в районе экватора. Что это такое? По-видимому, всё же не скрытые резервуары воды (и не залежи марсианской нефти), а слои грунта с вкраплениями льда – реликты прошлых оледенений планеты в результате миграции её полюсов. Можно предположить (и это подтверждают детали рельефа), что мы видим места прежних полярных шапок с остатками водяного льда под ними.

Нельзя исключить, что среди обнаруженных «очагов» могут оказаться скрытые водоёмы, в которых могли сохраниться какие-то формы жизни, скорее всего примитивной. Нужны более детальные исследования с помощью посадочных модулей и передвижных лабораторий – марсоходов, – способных брать пробы грунта с больших глубин.

Марсоходы

Уже два года по Марсу бродят подвижные роботы-вездеходы на солнечных батареях, с видеокамерами и различными детекторами для изучения встречных пород – близнецы Spirit (дух) и Opportunity (возможность) (NASA). Название дали дети, участвовавшие в конкурсе накануне старта космического корабля. Шестиколесные марсоходы обладают завидной устойчивостью, солидной массой (170 кг), размахом солнечных батарей (2,3 м), высокой головкой (1,5 м) с телекамерами наблюдения (рис. 2). Были и потери среди марсоходов. Не выдержал «мягкой посадки» аппарат Beagle-2 (ESA), так и не подавший сигнала о своём прибытии.

Рис. 2. Марсоход, исследующий поверхность Марса
( http://www.nvidia.ru/object/mars_rover_ru.html )

Марсоходы уже преодолели путь в несколько километров, исследовали сотни камней, отправили на Землю тысячи снимков марсианского пейзажа, сделали ряд открытий в местах пребывания (рис. 3, 4). Полученные ими данные о составе пород дополнили сведения космических кораблей, изучающих Марс с орбиты. Но их исследования пока весьма ограничены местом посадки и возможностями передвижения. Эти роботы ещё очень неуклюжи и робки. Spirit смог одолеть холм высотой 50 м, но ему и его собрату не под силу спускаться в глубокие кратеры и ущелья, где больше возможности обнаружить воду. Они не оснащены специальными приборами («кротами») для глубинного бурения.

Сейчас в планах NASA новый марсоход – Martian scientific laboratory (запуск в 2009 г.), более оснащённый и подвижный. Его «питают» не солнечные батареи, а плутониевый источник высокой энергоёмкости, что позволяет работать независимо от сезона и времени суток с большим числом детекторов на борту. На нём будет установлен прибор ДАН (динамическое альбедо нейтронов), разработанный той же группой ИКИ, и собственная нейтронная пушка (на основе дейтерий-тритиевой реакции). Метод поиска воды прежний, только вместо слабого потока вторичных нейтронов, образуемых космическими лучами, используется сильный и контролируемый пучок нейтронной пушки. По команде с Земли производится залп 10 млн нейтронов за 1 мкc, отражённый поток которых (альбедо) будет регистрировать ДАН. Ресурс пушки (стрельба такими импульсами со скважностью 20 с) не менее двух лет. Лучшее энергетическое обеспечение делает марсоход более подвижным и смелым, что позволит ему исследовать скрытые уголки рельефа.

Меркурий, Луна, далее везде

Удачная идея нейтронного каротажа воды привлекла исследователей других планет и тел Солнечной системы, в первую очередь, тех, где атмосфера тонка или её вовсе нет. Как и на Марсе, их поверхность бомбардируется космическими лучами, генерирующими в грунте нейтроны, которые замедляются атомными ядрами. Общая схема та же, как на спутнике Mars Odyssey. Группа ИКИ получает всё новые заказы.

Улучшенный вариант HEND включён в состав космического корабля, направляемого к Меркурию в 2008 г., который станет его спутником . Меркурий, самая близкая к светилу планета, получающая в 6,5 раз больше солнечного света и тепла, должна находиться в достаточно «тёплом» состоянии. Открытая вода, вероятно, там давно испарилась. Тем не менее на планете есть места, куда солнечные лучи не проникают и где существование воды в принципе возможно. Для выяснения эволюции Меркурия сведения о сохранившихся водных запасов крайне важны.

Большой интерес к воде проявляют сейчас исследователи Луны. Луна в скором времени станет постоянной базой космонавтов и астрономов. США, Китай и наша страна объявили о намерении создания постоянной лунной обсерватории со сменными командами. Отсутствие атмосферы с её вредными конвективными потоками, искажающими изображение наблюдаемых объектов, позволит сравнительно небольшим лунным телескопам обладать высоким угловым разрешением (~ 0,1 угл. с), что доступно сейчас только космическому телескопу HST (США).

Луна будет обживаться не только для научных исследований. Лунный грунт, как показали пробы, доставленные американскими астронавтами программы «Apollo» и полученные нашим «Лунником», содержат изотоп ³Не, которого практически нет на Земле. Этот редкий изотоп – заветная мечта физиков, занимающихся проблемой управляемого термоядерного синтеза. ³Не – перспективное ядерное «горючее», способное заменить тритий (³Н) на разрабатываемых сейчас термоядерных станциях. Реактор, работающий на синтезе дейтерия (²Н) с ³Не, будет высоко эффективным и экологически чистым (без какой-либо радиоактивности), чем не может похвастать реактор на дейтерий-тритиевом «горючем». Дело только в более высокой температуре плазмы, превышающей в несколько раз температуру, необходимую для дейтерий-тритиевых реакторов. Исследования последних лет показали, что достичь нужного температурного уровня возможно уже в ближайшие годы. Эта задача будет решаться на международном реакторе ITER (International Thermo-nuclear Experimental Reactor), создаваемым сейчас совместно Европой (Англия, Франция, Германия), Россией, Японией, США и присоединившимися недавно Китаем и Индией.

Возможно, очень скоро встанет вопрос о промышленной добыче изотопа ³Не для термоядерной энергетики, и Луна окажется главным полигоном новой космической отрасли хозяйства. В таком случае обживать наш спутник будут не узкие коллективы учёных, а огромные массы промышленных рабочих. Президент Дж.Буш выдвинул амбициозную программу освоения Луны, согласно которой к 2020 г. на ней будет создана постоянная база. Нужен осмысленный, на основании точных данных, выбор мест будущих поселений. С этой целью NASA планирует запуск на окололунную орбиту космической станции, одной из задач которой станет нейтронный каротаж скрытых запасов воды. Прибор LEND (новая модификация HEND) включён в научный состав станции и в настоящее время проходит тестовые испытания.

Ядерно-физический метод поиска воды оказался действительно универсальным. В варианте с космическими лучами или с собственным источником нейтронов он применяется в исследовании многих тел Солнечной системы и без сомнения будет использоваться и далее. Штурм планет продолжается!