De ontdekking van water op Mars en de Maan door Europese en Amerikaanse sondes is in de eerste plaats een verdienste van Russische wetenschappers
Achter de regelmatige berichten over steeds meer nieuwe vondsten van Europese en Amerikaanse missies, ontgaat het publiek dat veel van deze ontdekkingen zijn gedaan dankzij het werk van Russische wetenschappers, ingenieurs en ontwerpers. Onder dergelijke ontdekkingen kan men vooral de detectie van sporen van water op de dichtstbijzijnde en, zoals het eerder leek, volledig droge hemellichamen benadrukken - de maan en Mars. Het waren Russische neutronendetectoren, die aan buitenlandse apparaten werkten, die hielpen om hier water te vinden, en in de toekomst zullen ze helpen bij het voorzien in bemande expedities. Maxim Mokrousov, hoofd van het Laboratory of Nuclear Physics Devices van het Institute of Space Research (IKI), RAS, vertelde de Russische planeet waarom westerse ruimtevaartorganisaties de voorkeur geven aan Russische neutronendetectoren.
- Ruimtevaartuigen - draaiend, landend en rovers - dragen hele sets instrumenten: spectrometers, hoogtemeters, gaschromatografen, enz. Waarom zijn neutronendetectoren op veel van hen Russisch? Wat is hiervan de reden?
- Dit is te danken aan de overwinning van onze projecten bij open aanbestedingen, die worden uitgevoerd door de organisatoren van dergelijke missies. Net als onze concurrenten dienen we een aanbieding in en proberen we te bewijzen dat ons apparaat optimaal is voor het gegeven apparaat. En nu is het ons al meerdere keren gelukt.
Onze gebruikelijke rivaal in dergelijke wedstrijden is het Los Alamos National Laboratory, hetzelfde laboratorium waar het Manhattan-project werd geïmplementeerd en de eerste atoombom werd gemaakt. Maar ons laboratorium was bijvoorbeeld speciaal uitgenodigd om een neutronendetector te maken voor de MSL (Curiosity) rover, nadat we hadden gehoord over de nieuwe technologie die we hadden. DAN, gemaakt voor de Amerikaanse rover, werd de eerste neutronendetector met actieve deeltjesgeneratie. Het bestaat eigenlijk uit twee delen - de detector zelf en de generator, waarin elektronen versneld tot zeer hoge snelheden het tritiumdoel raken en in feite een volwaardige, zij het miniatuur, thermonucleaire reactie plaatsvindt met het vrijkomen van neutronen.
De Amerikanen weten niet hoe ze dergelijke generatoren moeten maken, maar het is gemaakt door onze collega's van het Moscow Research Institute of Automation genoemd naar Dukhov. In de Sovjettijd was het een belangrijk centrum waar zekeringen voor kernkoppen werden ontwikkeld, en tegenwoordig is een deel van de producten voor civiele, commerciële doeleinden. Over het algemeen worden dergelijke detectoren met generatoren gebruikt, bijvoorbeeld bij de exploratie van oliereserves - deze technologie wordt neutronenregistratie genoemd. We hebben deze benadering gewoon gevolgd en gebruikt voor de rover; tot nu toe heeft niemand dit gedaan.
Actieve neutronendetector DAN
Gebruik: Mars Science Laboratory / Curiosity (NASA) rover, 2012 tot heden. Gewicht: 2,1 kg (neutronendetector), 2,6 kg (neutronengenerator). Stroomverbruik: 4,5 W (detector), 13 W (generator). Belangrijkste resultaten: detectie van gebonden water in de grond op een diepte van 1 m langs de route van de rover.
Maxim Mokrousov: “Over bijna het gehele traject van 10 kilometer dat de rover aflegde, werd het water in de bovenste lagen van de grond meestal 2-5% aangetroffen. In mei van dit jaar stuitte hij echter op een gebied waar ofwel veel meer water is, ofwel ongebruikelijke chemicaliën aanwezig zijn. De rover werd ingezet en teruggebracht naar een verdachte locatie. Daardoor bleek dat de bodem daar echt ongebruikelijk is voor Mars en voornamelijk uit siliciumoxide bestaat."
- Met generatie is alles ongeveer duidelijk. En hoe vindt de neutronendetectie zelf plaats?
- We detecteren neutronen met lage energie met proportionele tellers op basis van helium-3 - ze werken in DAN, LEND, MGNS en al onze andere apparaten. Een neutron gevangen in helium-3 "breekt" zijn kern in twee deeltjes, die vervolgens worden versneld in een magnetisch veld, waardoor een lawinereactie ontstaat en, bij de uitgang, een stroompuls (elektronen).
Maxim Mokrousov en Sergey Kapitsa. Foto: Uit persoonlijk archief
Hoogenergetische neutronen worden in de scintillator gedetecteerd door de flitsen die ze creëren wanneer ze erop botsen - meestal organisch plastic, zoals stilbeen. Welnu, gammastralen kunnen kristallen detecteren op basis van lanthaan en broom. Tegelijkertijd zijn er recentelijk nog efficiëntere kristallen op basis van cerium en broom verschenen, die we gebruiken in een van onze meest recente detectoren, die volgend jaar naar Mercurius zal vliegen.
- En toch, waarom worden westerse spectrografen gekozen in precies dezelfde open competities van westerse ruimteagentschappen, zijn andere instrumenten ook westers en zijn neutronendetectoren keer op keer Russisch?
- Over het algemeen draait het allemaal om kernfysica: op dit gebied blijven we nog steeds een van de leidende landen ter wereld. Het gaat niet alleen om wapens, maar ook om de massa gerelateerde technologieën waar onze wetenschappers mee bezig zijn. Zelfs tijdens het Sovjettijdperk hebben we hier zo'n goede basis weten te leggen dat het zelfs in de jaren negentig niet mogelijk was om alles volledig te verliezen, maar vandaag voeren we het tempo weer op.
Het moet duidelijk zijn dat de westerse bureaus zelf geen cent betalen voor onze apparaten. Ze zijn allemaal gemaakt met het geld van Roscosmos, als onze bijdrage aan buitenlandse missies. In ruil hiervoor krijgen we een hoge status van deelnemers aan internationale ruimteverkenningsprojecten, en daarnaast prioriteit directe toegang tot wetenschappelijke gegevens die onze instrumenten verzamelen.
We sturen deze resultaten na verwerking door, daarom worden we terecht beschouwd als de co-auteurs van alle bevindingen die dankzij onze apparaten zijn gedaan. Daarom zijn alle spraakmakende gebeurtenissen met de detectie van de aanwezigheid van water op Mars en de maan, zo niet helemaal, dan in veel opzichten ons resultaat.
We kunnen ons weer een van onze eerste detectoren herinneren, HEND, die nog steeds actief is aan boord van de Amerikaanse Mars Odyssey-sonde. Het was dankzij hem dat voor het eerst een kaart werd samengesteld van het waterstofgehalte in de oppervlaktelagen van de Rode Planeet.
HEND neutronenspectrometer
Gebruik: Mars Odyssey (NASA) ruimtevaartuig, 2001 tot heden. Gewicht: 3,7 kg. Stroomverbruik: 5,7 W. Belangrijkste resultaten: kaarten op hoge breedte van de verspreiding van waterijs in het noorden en zuiden van Mars met een resolutie van ongeveer 300 km, waarneming van seizoensveranderingen in de circumpolaire kappen.
Maxim Mokrousov: “Zonder valse bescheidenheid kan ik zeggen dat op Mars Odyssey, die binnenkort 15 jaar in een baan om de aarde zal zijn, bijna alle instrumenten al defect zijn geraakt, en alleen de onze blijft zonder problemen werken. Het werkt samen met een gammadetector, die er effectief een enkel instrument mee vertegenwoordigt en een breed scala aan deeltjesenergieën bestrijkt.
- Aangezien we het over de resultaten hebben, wat voor soort wetenschappelijke taken worden door dergelijke apparaten uitgevoerd?
- Neutronen zijn de deeltjes die het meest gevoelig zijn voor waterstof, en als de atomen ervan ergens in de bodem aanwezig zijn, worden neutronen effectief geremd door hun kernen. Op de maan of Mars kunnen ze worden gecreëerd door galactische kosmische straling of worden uitgezonden door een speciaal neutronenkanon, en we meten eigenlijk de neutronen die door de bodem worden weerkaatst: hoe minder er zijn, hoe meer waterstof.
Welnu, waterstof is op zijn beurt hoogstwaarschijnlijk water, hetzij in een relatief zuivere bevroren vorm, of gebonden in de samenstelling van gehydrateerde mineralen. De keten is simpel: neutronen - waterstof - water, daarom is de hoofdtaak van onze neutronendetectoren juist het zoeken naar waterreserves.
Wij zijn praktische mensen, en al dit werk wordt gedaan voor toekomstige bemande missies naar dezelfde maan of Mars, voor hun ontwikkeling. Als je erop landt, is water natuurlijk de belangrijkste hulpbron die lokaal moet worden aangevoerd of gewonnen. Elektriciteit kan worden verkregen uit zonnepanelen of nucleaire bronnen. Water is moeilijker: de belangrijkste lading die vrachtschepen tegenwoordig aan het ISS moeten leveren, is bijvoorbeeld water. Elke keer nemen ze het 2-2,5 ton.
LEND neutronendetector
Gebruik: Lunar Reconnaissance Orbiter (NASA) ruimtevaartuig, 2009 tot heden. Gewicht: 26,3 kg. Stroomverbruik: 13W Belangrijkste resultaten: ontdekking van potentiële waterreserves op de Zuidpool van de Maan; constructie van een globale kaart van neutronenstraling van de maan met een ruimtelijke resolutie van 5-10 km.
Maxim Mokrousov: “In LEND hebben we al een collimator gebruikt op basis van borium-10 en polyethyleen, die neutronen blokkeert aan de zijkanten van het gezichtsveld van het apparaat. Het verdubbelde de massa van de detector meer dan, maar het maakte het mogelijk om een grotere resolutie te bereiken bij het observeren van het maanoppervlak - ik denk dat dit het belangrijkste voordeel van het apparaat was, waardoor we onze collega's uit Los Alamos opnieuw konden omzeilen."
- Hoeveel van dergelijke apparaten zijn er al gemaakt? En hoeveel is er gepland?
- Ze zijn gemakkelijk op te sommen: ze gebruiken al HAND op de Mars Odyssey en LEND op de maan LRO, DAN op de Curiosity-rover, evenals BTN-M1 geïnstalleerd op het ISS. Het is de moeite waard om hieraan de NS-HEND-detector toe te voegen, die was opgenomen in de Russische sonde "Phobos-Grunt" en helaas daarmee verloren is gegaan. Nu, in verschillende stadia van gereedheid, hebben we nog vier van dergelijke apparaten.
BTN-M1. Foto: Ruimteonderzoeksinstituut RAS
De eerste van hen - komende zomer - zal de FREND-detector vliegen, het zal onderdeel worden van de gezamenlijke missie met de EU ExoMars. Deze missie is zeer grootschalig en omvat een orbiter, een lander en een kleine rover, die in 2016-2018 afzonderlijk zullen worden gelanceerd. FREND gaat aan een baansonde werken, en daarop gebruiken we dezelfde collimator als op de maan LEND om het watergehalte op Mars te meten met dezelfde nauwkeurigheid als bij de maan. In de tussentijd hebben we deze gegevens voor Mars alleen in een nogal ruwe benadering.
De Mercurian gamma- en neutronenspectrometer (MGNS), die zal werken op de BepiColombo-sonde, is al lang gereed en overgedragen aan onze Europese partners. Het is de bedoeling dat de lancering in 2017 zal plaatsvinden, terwijl de laatste thermische vacuümtests van het instrument al aan de gang zijn als onderdeel van het ruimtevaartuig.
We bereiden ook instrumenten voor voor Russische missies - dit zijn twee ADRON-detectoren, die zullen werken als onderdeel van de Luna-Glob-afdalingsvoertuigen, en vervolgens Luna-Resurs. Daarnaast is de BTN-M2-detector in bedrijf. Het zal niet alleen waarnemingen doen aan boord van het ISS, maar zal het ook mogelijk maken om verschillende methoden en materialen uit te werken voor een effectieve bescherming van astronauten tegen de neutronencomponent van kosmische straling.
BTN-M1 neutronendetector
Gebruik: Internationaal ruimtestation (Roscosmos, NASA, ESA, JAXA, enz.), sinds 2007. Gewicht: 9,8 kg. Stroomverbruik: 12.3W De belangrijkste resultaten: kaarten van neutronenfluxen in de buurt van het ISS werden gemaakt, de stralingssituatie op het station werd beoordeeld in verband met de activiteit van de zon, er werd een experiment uitgevoerd om kosmische gammaflitsen te registreren.
Maxim Mokrousov: “Toen we met dit project bezig waren, waren we behoorlijk verrast: verschillende vormen van straling zijn immers verschillende deeltjes, waaronder elektronen, en protonen, en neutronen. Tegelijkertijd bleek dat de neutronencomponent van het stralingsgevaar nog niet goed is gemeten, en dit is een bijzonder gevaarlijke vorm ervan, omdat neutronen met conventionele methoden uiterst moeilijk te screenen zijn."
- In hoeverre kunnen deze apparaten zelf Russisch genoemd worden? Is het aandeel van elementen en delen van de binnenlandse productie daarin hoog?
- Hier, bij de IKI RAS, is een volwaardige mechanische productie tot stand gekomen. We hebben ook alle benodigde testfaciliteiten: een schokstandaard, een vibratiestandaard, een thermische vacuümkamer en een kamer voor het testen van elektromagnetische compatibiliteit … In feite hebben we alleen productie door derden nodig voor individuele componenten - bijvoorbeeld, printplaten. Partners van het Research Institute of Electronic and Computer Technology (NIITSEVT) en een aantal commerciële ondernemingen helpen ons hierbij.
Voorheen hadden onze instrumenten natuurlijk veel, ongeveer 80%, geïmporteerde componenten. Nu zijn de nieuwe apparaten die we produceren echter bijna volledig samengesteld uit huishoudelijke componenten. Ik denk dat er in de nabije toekomst niet meer dan 25% van de import in zit en dat we in de toekomst nog minder afhankelijk zullen zijn van buitenlandse partners.
Ik kan zeggen dat de binnenlandse micro-elektronica de afgelopen jaren een enorme sprong voorwaarts heeft gemaakt. Acht jaar geleden werden er in ons land helemaal geen elektronische borden geproduceerd die geschikt waren voor onze taken. Nu zijn er de Zelenograd-ondernemingen "Angstrem", "Elvis" en "Milandr", er is de Voronezh NIIET - de keuze is voldoende. Het werd gemakkelijker voor ons om te ademen.
Het meest beledigende is de absolute afhankelijkheid van de fabrikanten van scintillatorkristallen voor onze detectoren. Voor zover ik weet, worden er pogingen ondernomen om ze te kweken in een van de instituten van Chernogolovka bij Moskou, maar ze zijn er nog niet in geslaagd om de vereiste afmetingen en volumes van een superzuiver kristal te bereiken. Daarom moeten we in dit opzicht nog steeds vertrouwen op Europese partners, meer bepaald op het Saint-Gobain-concern. In deze markt is het concern echter een complete monopolist, waardoor de hele wereld in een afhankelijke positie blijft.
