La scoperta dell'acqua su Marte e sulla Luna da parte di sonde europee e americane è principalmente un merito degli scienziati russi
Dietro le regolari segnalazioni di sempre più nuove scoperte fatte dalle missioni europee e americane, sfugge all'attenzione del pubblico che molte di queste scoperte siano state fatte grazie al lavoro di scienziati, ingegneri e designer russi. Tra queste scoperte, si può evidenziare in particolare il rilevamento di tracce d'acqua sui corpi celesti più vicini a noi e, come sembrava in precedenza, completamente asciutti: la Luna e Marte. Sono stati i rilevatori di neutroni russi, che lavorano su dispositivi stranieri, che hanno aiutato a trovare acqua qui, e in futuro aiuteranno a fornire spedizioni con equipaggio. Maxim Mokrousov, capo del laboratorio di dispositivi di fisica nucleare presso l'Istituto di ricerca spaziale (IKI), RAS, ha detto al pianeta russo perché le agenzie spaziali occidentali preferiscono i rilevatori di neutroni russi.
- I veicoli spaziali - in orbita, in atterraggio e in rover - trasportano interi set di strumenti: spettrometri, altimetri, gascromatografi, ecc. Perché i rivelatori di neutroni su molti di essi sono russi? Qual è la ragione di questo?
- Ciò è dovuto alla vittoria dei nostri progetti a gare d'appalto aperte, che vengono svolte dagli organizzatori di tali missioni. Come i nostri concorrenti, presentiamo un'offerta e cerchiamo di dimostrare che il nostro dispositivo è ottimale per il dispositivo in questione. E ora più volte ci siamo riusciti con successo.
Il nostro solito rivale in tali competizioni è il Los Alamos National Laboratory, lo stesso dove è stato implementato il Progetto Manhattan ed è stata creata la prima bomba atomica. Ma, ad esempio, il nostro laboratorio è stato appositamente invitato a realizzare un rivelatore di neutroni per il rover MSL (Curiosity), dopo aver appreso della nuova tecnologia che avevamo. Creato per il rover americano, il DAN è diventato il primo rivelatore di neutroni con generazione di particelle attive. In realtà consiste di due parti: il rivelatore stesso e il generatore, in cui gli elettroni accelerati a velocità molto elevate colpiscono il bersaglio del trizio e, di fatto, si verifica una reazione termonucleare a tutti gli effetti, anche se in miniatura, con il rilascio di neutroni.
Gli americani non sanno come realizzare tali generatori, ma è stato creato dai nostri colleghi dell'Istituto di ricerca per l'automazione di Mosca intitolato a Dukhov. In epoca sovietica era un centro chiave dove venivano sviluppate le micce per le testate nucleari e oggi parte dei suoi prodotti sono per scopi civili e commerciali. In generale, tali rivelatori con generatori vengono utilizzati, ad esempio, nell'esplorazione delle riserve petrolifere: questa tecnologia è chiamata registrazione di neutroni. Abbiamo semplicemente adottato questo approccio e l'abbiamo usato per il rover; fino ad ora nessuno l'ha fatto.
Rivelatore di neutroni attivi DAN
Utilizzo: rover Mars Science Laboratory / Curiosity (NASA), dal 2012 a oggi. Peso: 2,1 kg (rivelatore di neutroni), 2,6 kg (generatore di neutroni). Consumo energetico: 4,5 W (rilevatore), 13 W (generatore). Principali risultati: rilevamento dell'acqua legata nel terreno ad una profondità di 1 m lungo il percorso del rover.
Maxim Mokrousov: “Lungo quasi l'intero percorso di 10 chilometri attraversato dal rover, l'acqua negli strati superiori del suolo si trovava solitamente nel 2-5%. Tuttavia, nel maggio di quest'anno, si è imbattuto in un'area in cui c'è molta più acqua o sono presenti alcune sostanze chimiche insolite. Il rover è stato schierato e riportato in una posizione sospetta. Di conseguenza, si è scoperto che il suolo è davvero insolito per Marte e consiste principalmente di ossido di silicio.
- Con la generazione, tutto è più o meno chiaro. E come avviene il rilevamento stesso dei neutroni?
- Rileviamo neutroni a bassa energia con contatori proporzionali basati su elio-3 - funzionano in DAN, LEND, MGNS e tutti gli altri nostri dispositivi. Un neutrone intrappolato nell'elio-3 "rompe" il suo nucleo in due particelle, che vengono poi accelerate in un campo magnetico, creando una reazione a valanga e, all'uscita, un impulso di corrente (elettroni).
Maxim Mokrousov e Sergey Kapitsa. Foto: dall'archivio personale
I neutroni ad alta energia vengono rilevati nello scintillatore dai lampi che creano quando lo colpiscono, di solito plastica organica, come lo stilbene. Bene, i raggi gamma possono rilevare i cristalli a base di lantanio e bromo. Allo stesso tempo, sono apparsi di recente cristalli ancora più efficienti a base di cerio e bromo, li usiamo in uno dei nostri rivelatori più recenti, che volerà su Mercurio il prossimo anno.
- Eppure perché gli spettrografi occidentali vengono scelti esattamente nelle stesse competizioni aperte delle agenzie spaziali occidentali, anche altri strumenti sono occidentali e i rilevatori di neutroni sono russi più e più volte?
- In generale, si tratta di fisica nucleare: in questo settore, rimaniamo ancora uno dei paesi leader al mondo. Non si tratta solo di armi, ma anche della massa di tecnologie correlate in cui sono impegnati i nostri scienziati. Anche durante l'era sovietica, siamo riusciti a ottenere una base così buona qui che anche negli anni '90 non era possibile perdere completamente tutto, ma oggi stiamo nuovamente aumentando il ritmo.
Dovrebbe essere chiaro che le stesse agenzie occidentali non pagano un centesimo per questi nostri dispositivi. Tutti sono fatti con i soldi di Roscosmos, come nostro contributo alle missioni estere. In cambio di ciò, riceviamo uno status elevato di partecipanti a progetti di esplorazione spaziale internazionale e, inoltre, l'accesso diretto prioritario ai dati scientifici raccolti dai nostri strumenti.
Trasmettiamo questi risultati dopo l'elaborazione, quindi, siamo giustamente considerati i coautori di tutti i risultati che sono stati fatti grazie ai nostri dispositivi. Pertanto, tutti gli eventi di alto profilo con il rilevamento della presenza di acqua su Marte e sulla Luna sono, se non del tutto, per molti aspetti il nostro risultato.
Possiamo ricordare ancora una volta uno dei nostri primi rivelatori, HEND, che è ancora operativo a bordo della sonda americana Mars Odyssey. Fu grazie a lui che fu compilata per la prima volta una mappa del contenuto di idrogeno negli strati superficiali del Pianeta Rosso.
Spettrometro per neutroni HEND
Utilizzo: veicolo spaziale Mars Odyssey (NASA), dal 2001 ad oggi. Peso: 3, 7 kg. Consumo energetico: 5,7 W. Principali risultati: mappe ad alta latitudine della distribuzione del ghiaccio d'acqua nel nord e nel sud di Marte con una risoluzione di circa 300 km, osservazione dei cambiamenti stagionali nelle calotte circumpolari.
Maxim Mokrousov: “Senza falsa modestia, posso dire che su Mars Odyssey, che presto sarà in orbita per 15 anni, quasi tutti gli strumenti hanno già iniziato a funzionare male e solo il nostro continua a funzionare senza problemi. Funziona in tandem con un rivelatore gamma, rappresentando efficacemente un singolo strumento con esso, coprendo un'ampia gamma di energie delle particelle."
- Poiché stiamo parlando dei risultati, che tipo di compiti scientifici vengono eseguiti da tali dispositivi?
- I neutroni sono le particelle più sensibili all'idrogeno, e se i suoi atomi sono presenti ovunque nel terreno, i neutroni vengono efficacemente inibiti dai loro nuclei. Sulla Luna o su Marte possono essere creati dai raggi cosmici galattici o emessi da uno speciale cannone a neutroni, e infatti misuriamo i neutroni riflessi dal suolo: meno ce ne sono, più idrogeno.
Bene, l'idrogeno, a sua volta, è molto probabilmente acqua, in una forma congelata relativamente pura o legata nella composizione di minerali idrati. La catena è semplice: neutroni - idrogeno - acqua, quindi il compito principale dei nostri rivelatori di neutroni è proprio la ricerca di riserve idriche.
Siamo persone pratiche e tutto questo lavoro viene svolto per future missioni con equipaggio sulla stessa Luna o Marte, per il loro sviluppo. Se atterri su di loro, l'acqua, ovviamente, è la risorsa più significativa che dovrà essere consegnata o estratta localmente. L'elettricità può essere ottenuta da pannelli solari o fonti nucleari. L'acqua è più difficile: ad esempio, il carico principale che oggi le navi mercantili devono consegnare alla ISS è l'acqua. Ogni volta ne prendono 2-2,5 tonnellate.
Rilevatore di neutroni LEND
Utilizzo: veicolo spaziale Lunar Reconnaissance Orbiter (NASA), dal 2009 a oggi. Peso: 26,3kg. Consumo energetico: 13 W Principali risultati: scoperta di potenziali riserve idriche al Polo Sud della Luna; costruzione di una mappa globale della radiazione di neutroni della Luna con una risoluzione spaziale di 5-10 km.
Maxim Mokrousov: “In LEND abbiamo già utilizzato un collimatore a base di boro-10 e polietilene, che blocca i neutroni ai lati del campo visivo del dispositivo. Ha più che raddoppiato la massa del rivelatore, ma ha permesso di ottenere una maggiore risoluzione durante l'osservazione della superficie lunare - penso che questo sia stato il principale vantaggio del dispositivo, che ci ha permesso di bypassare nuovamente i nostri colleghi di Los Alamos.
- Quanti di questi dispositivi sono già stati realizzati? E quanto è previsto?
- Sono facili da elencare: stanno già operando HAND sul Mars Odyssey e LEND sul lunare LRO, DAN sul rover Curiosity, nonché BTN-M1 installato sulla ISS. Vale la pena aggiungere a questo il rivelatore NS-HEND, che è stato incluso nella sonda russa "Phobos-Grunt" e, sfortunatamente, è stato perso insieme ad esso. Ora, a diversi stadi di preparazione, abbiamo altri quattro dispositivi di questo tipo.
BTN-M1. Foto: Istituto di ricerca spaziale RAS
Il primo di loro - la prossima estate - farà volare il rivelatore FREND, che entrerà a far parte della missione congiunta con l'UE ExoMars. Questa missione è molto ampia, includerà un orbiter, un lander e un piccolo rover, che saranno lanciati separatamente nel corso del 2016-2018. FREND lavorerà su una sonda orbitante, e su di essa utilizzeremo lo stesso collimatore del LEND lunare per misurare il contenuto di acqua su Marte con la stessa precisione con cui è stato fatto per la Luna. Nel frattempo, abbiamo questi dati per Marte solo in un'approssimazione piuttosto approssimativa.
Lo spettrometro gamma e neutroni mercuriano (MGNS), che opererà sulla sonda BepiColombo, è pronto da tempo e consegnato ai nostri partner europei. Si prevede che il lancio avverrà nel 2017, mentre sono già in corso gli ultimi test del vuoto termico dello strumento nell'ambito del veicolo spaziale.
Stiamo anche preparando gli strumenti per le missioni russe: si tratta di due rilevatori ADRON, che opereranno come parte dei veicoli di discesa Luna-Glob, e poi Luna-Resurs. Inoltre, il rilevatore BTN-M2 è in funzione. Non solo condurrà osservazioni a bordo della ISS, ma consentirà anche di elaborare vari metodi e materiali per un'efficace protezione degli astronauti dalla componente neutronica della radiazione cosmica.
Rivelatore di neutroni BTN-M1
Utilizzo: Stazione Spaziale Internazionale (Roscosmos, NASA, ESA, JAXA, ecc.), dal 2007. Peso: 9,8 kg. Consumo energetico: 12,3 W I risultati principali: sono state costruite mappe dei flussi di neutroni nelle vicinanze della ISS, è stata valutata la situazione delle radiazioni nella stazione in relazione all'attività del Sole, è stato condotto un esperimento per registrare lampi di raggi gamma cosmici.
Maxim Mokrousov: “Essendo impegnati in questo progetto, siamo rimasti piuttosto sorpresi: dopotutto, infatti, diverse forme di radiazione sono particelle diverse, inclusi elettroni, protoni e neutroni. Allo stesso tempo, si è scoperto che la componente neutronica del rischio di radiazioni non è stata ancora misurata correttamente, e questa è una forma particolarmente pericolosa, perché i neutroni sono estremamente difficili da schermare con i metodi convenzionali.
- Fino a che punto questi dispositivi possono essere chiamati russi? La quota di elementi e parti della produzione interna è elevata in essi?
- Una vera e propria produzione meccanica è stata stabilita qui, presso l'IKI RAS. Disponiamo inoltre di tutte le strutture di prova necessarie: un supporto antiurto, un supporto vibrante, una camera termica a vuoto e una camera per i test di compatibilità elettromagnetica … In effetti, abbiamo solo bisogno di una produzione di terze parti per i singoli componenti, ad esempio circuiti stampati. I partner dell'Istituto di ricerca sulla tecnologia elettronica e informatica (NIITSEVT) e un certo numero di imprese commerciali ci aiutano in questo.
In precedenza, ovviamente, i nostri strumenti avevano molti, circa l'80%, di componenti importati. Tuttavia, ora i nuovi dispositivi che produciamo sono quasi completamente assemblati da componenti domestici. Penso che nel prossimo futuro non ci sarà più del 25% delle importazioni in loro, e in futuro potremo dipendere ancora meno dai partner stranieri.
Posso dire che la microelettronica domestica ha fatto un vero balzo in avanti negli ultimi anni. Otto anni fa, nel nostro Paese, non si producevano affatto schede elettroniche adatte ai nostri compiti. Ora ci sono le imprese di Zelenograd "Angstrem", "Elvis" e "Milandr", c'è il Voronezh NIIET - la scelta è sufficiente. È diventato più facile per noi respirare.
La cosa più offensiva è l'assoluta dipendenza dai produttori di cristalli scintillatori per i nostri rivelatori. Per quanto ne so, si stanno facendo tentativi per coltivarli in uno degli istituti di Chernogolovka vicino a Mosca, ma non sono ancora riusciti a raggiungere le dimensioni e i volumi richiesti di un cristallo superpuro. Pertanto, a questo proposito, dobbiamo ancora fare affidamento sui partner europei, più precisamente sulla preoccupazione di Saint-Gobain. Tuttavia, in questo mercato la preoccupazione è un monopolista completo, quindi il mondo intero rimane in una posizione dipendente.
