Việc phát hiện ra nước trên sao Hỏa và Mặt trăng bằng các tàu thăm dò của châu Âu và Mỹ trước hết là công lao của các nhà khoa học Nga
Đằng sau những báo cáo thường xuyên về ngày càng nhiều phát hiện mới do các phái bộ châu Âu và Mỹ thực hiện, điều khiến dư luận không chú ý là nhiều khám phá trong số này được thực hiện nhờ công của các nhà khoa học, kỹ sư và nhà thiết kế Nga. Trong số những khám phá như vậy, người ta có thể đặc biệt làm nổi bật việc phát hiện ra dấu vết của nước trên những thiên thể gần chúng ta nhất và như trước đây có vẻ là những thiên thể hoàn toàn khô - Mặt trăng và sao Hỏa. Chính các máy dò neutron của Nga, làm việc trên các thiết bị nước ngoài, đã giúp tìm ra nước ở đây, và trong tương lai chúng sẽ giúp cung cấp cho các cuộc thám hiểm có người lái. Maxim Mokrousov, Trưởng Phòng thí nghiệm Thiết bị Vật lý Hạt nhân tại Viện Nghiên cứu Không gian (IKI), RAS, nói với Hành tinh Nga tại sao các cơ quan vũ trụ phương Tây lại ưa chuộng máy dò neutron của Nga.
- Tàu vũ trụ - quay quanh quỹ đạo, hạ cánh và lái - mang theo cả bộ thiết bị: quang phổ kế, máy đo độ cao, máy sắc ký khí, v.v … Tại sao nhiều máy dò neutron lại là của Nga? Lý do cho điều này là gì?
- Điều này là do chiến thắng của các dự án của chúng tôi tại các cuộc đấu thầu rộng rãi, được thực hiện bởi những người tổ chức các nhiệm vụ như vậy. Giống như các đối thủ cạnh tranh, chúng tôi gửi đề nghị và cố gắng chứng minh rằng thiết bị của chúng tôi là tối ưu cho thiết bị nhất định. Và bây giờ vài lần chúng tôi đã thành công thành công.
Đối thủ thông thường của chúng tôi trong các cuộc thi như vậy là Phòng thí nghiệm Quốc gia Los Alamos, cũng là nơi Dự án Manhattan được thực hiện và quả bom nguyên tử đầu tiên được tạo ra. Nhưng, ví dụ, phòng thí nghiệm của chúng tôi được mời đặc biệt để chế tạo một máy dò nơtron cho máy dò MSL (Curiosity), sau khi đã tìm hiểu về công nghệ mới mà chúng tôi có. Được tạo ra cho máy bay thám hiểm của Mỹ, DAN trở thành máy dò nơtron đầu tiên có khả năng tạo hạt tích cực. Nó thực sự bao gồm hai phần - bản thân máy dò và máy phát điện, trong đó các điện tử được tăng tốc với tốc độ rất cao lao vào mục tiêu triti và trên thực tế, một phản ứng nhiệt hạch chính thức, mặc dù thu nhỏ, xảy ra với sự giải phóng neutron.
Người Mỹ không biết làm thế nào để tạo ra những chiếc máy phát điện như vậy, nhưng nó được tạo ra bởi các đồng nghiệp của chúng tôi từ Viện Nghiên cứu Tự động hóa Matxcova mang tên Dukhov. Trong thời Liên Xô, nó là một trung tâm quan trọng, nơi phát triển ngòi nổ cho đầu đạn hạt nhân, và ngày nay một phần sản phẩm của nó được dùng cho mục đích thương mại và dân sự. Nói chung, các máy dò như vậy với máy phát điện được sử dụng, chẳng hạn, trong việc thăm dò trữ lượng dầu - công nghệ này được gọi là ghi nhật ký neutron. Chúng tôi chỉ thực hiện cách tiếp cận này và sử dụng nó cho rover; cho đến bây giờ vẫn chưa có ai làm việc này.
Máy dò nơtron hoạt động DAN
Sử dụng: Phòng thí nghiệm Khoa học Sao Hỏa / thám hiểm Curiosity (NASA), 2012 đến nay. Trọng lượng: 2,1 kg (máy dò neutron), 2,6 kg (máy phát neutron). Công suất tiêu thụ: 4,5 W (máy dò), 13 W (máy phát điện). Kết quả chính: phát hiện nước liên kết trong lòng đất ở độ sâu 1 m dọc theo tuyến đường của máy dò.
Maxim Mokrousov: “Dọc theo gần như toàn bộ con đường dài 10 km mà người lái tàu đi qua, nước ở các lớp trên của đất thường được tìm thấy từ 2–5%. Tuy nhiên, vào tháng 5 năm nay, anh tình cờ phát hiện ra một khu vực có nhiều nước hơn hoặc có một số hóa chất bất thường. Rover đã được triển khai và quay trở lại một vị trí đáng ngờ. Kết quả là, đất ở đó thực sự không bình thường đối với sao Hỏa và chủ yếu bao gồm oxit silic."
- Với thế hệ, mọi thứ đại khái là rõ ràng. Và bản thân quá trình phát hiện neutron diễn ra như thế nào?
- Chúng tôi phát hiện neutron năng lượng thấp bằng bộ đếm tỷ lệ dựa trên heli-3 - chúng hoạt động trong DAN, LEND, MGNS và tất cả các thiết bị khác của chúng tôi. Một neutron bị mắc kẹt trong heli-3 "phá vỡ" lõi của nó thành hai hạt, sau đó được gia tốc trong từ trường, tạo ra phản ứng tuyết lở và ở lối ra, một xung dòng điện (electron).
Maxim Mokrousov và Sergey Kapitsa. Ảnh: Từ kho lưu trữ cá nhân
Các neutron năng lượng cao được phát hiện trong ống soi bằng các tia chớp mà chúng tạo ra khi va vào nó - thường là nhựa hữu cơ, chẳng hạn như stilbene. Chà, tia gamma có thể phát hiện ra các tinh thể dựa trên lantan và brom. Đồng thời, những tinh thể hiệu quả hơn dựa trên xeri và brom đã xuất hiện gần đây, chúng tôi sử dụng chúng trong một trong những máy dò gần đây nhất của chúng tôi, sẽ bay đến sao Thủy vào năm tới.
- Vậy mà tại sao máy quang phổ của phương Tây lại được chọn trong các cuộc thi mở giống hệt nhau của các cơ quan vũ trụ phương Tây, các dụng cụ khác cũng của phương Tây, và máy dò neutron lại là của Nga?
- Nhìn chung, tất cả là về vật lý hạt nhân: trong lĩnh vực này, chúng tôi vẫn là một trong những quốc gia hàng đầu trên thế giới. Nó không chỉ về vũ khí, mà còn về hàng loạt công nghệ liên quan mà các nhà khoa học của chúng ta đang tham gia. Ngay cả trong thời kỳ Liên Xô, chúng tôi đã cố gắng đạt được một nền tảng tốt ở đây đến mức ngay cả trong những năm 1990 không thể mất hoàn toàn mọi thứ, nhưng ngày nay chúng tôi đang tăng tốc độ một lần nữa.
Cần hiểu rằng bản thân các cơ quan phương Tây không trả một xu nào cho những thiết bị này của chúng tôi. Tất cả chúng đều được thực hiện bằng tiền của Roscosmos, như đóng góp của chúng tôi cho các sứ mệnh nước ngoài. Để đổi lấy điều này, chúng tôi nhận được vị thế cao của những người tham gia vào các dự án khám phá không gian quốc tế và ngoài ra, được ưu tiên truy cập trực tiếp vào dữ liệu khoa học mà các công cụ của chúng tôi thu thập.
Chúng tôi truyền các kết quả này sau khi xử lý, do đó, chúng tôi được coi là đồng tác giả của tất cả các phát hiện được thực hiện nhờ các thiết bị của chúng tôi. Do đó, tất cả các sự kiện nổi bật với việc phát hiện ra sự hiện diện của nước trên Sao Hỏa và Mặt Trăng, nếu không muốn nói là hoàn toàn, thì theo nhiều khía cạnh là kết quả của chúng ta.
Một lần nữa chúng ta có thể nhớ lại một trong những thiết bị dò tìm đầu tiên của mình, HEND, vẫn đang hoạt động trên tàu thăm dò Mars Odyssey của Mỹ. Chính nhờ ông mà bản đồ về hàm lượng hydro trong các lớp bề mặt của Hành tinh Đỏ lần đầu tiên được biên soạn.
Máy đo phổ neutron HEND
Sử dụng: Tàu vũ trụ Mars Odyssey (NASA), 2001 đến nay. Trọng lượng: 3, 7 kg. Công suất tiêu thụ: 5,7 W. Các kết quả chính: bản đồ vĩ độ cao về sự phân bố băng nước ở phía bắc và phía nam của sao Hỏa với độ phân giải khoảng 300 km, quan sát sự thay đổi theo mùa trong các chỏm sao băng.
Maxim Mokrousov: “Không hề khiêm tốn, tôi có thể nói rằng trên Mars Odyssey, sẽ sớm ở trên quỹ đạo trong vòng 15 năm, hầu hết tất cả các thiết bị đã bắt đầu trục trặc, và chỉ có chúng tôi tiếp tục hoạt động mà không gặp vấn đề gì. Nó hoạt động song song với máy dò gamma, thể hiện hiệu quả một công cụ duy nhất với nó, bao hàm một loạt các năng lượng hạt."
- Vì chúng ta đang nói về kết quả, những loại nhiệm vụ khoa học nào được thực hiện bởi các thiết bị như vậy?
- Nơtron là những hạt nhạy cảm nhất với hiđrô, và nếu nguyên tử của nó có mặt ở bất cứ đâu trong đất, thì nơtron sẽ bị ức chế bởi hạt nhân của chúng. Trên Mặt Trăng hoặc Sao Hỏa, chúng có thể được tạo ra bởi các tia vũ trụ thiên hà hoặc phát ra bởi một khẩu súng neutron đặc biệt, và chúng tôi thực sự đo được neutron do đất phản xạ: càng ít thì càng nhiều hydro.
Ngược lại, hydro rất có thể là nước, ở dạng đông lạnh tương đối tinh khiết, hoặc được liên kết trong thành phần của các khoáng chất ngậm nước. Chuỗi này rất đơn giản: neutron - hydro - nước, do đó nhiệm vụ chính của máy dò neutron của chúng tôi chính xác là tìm kiếm nguồn dự trữ nước.
Chúng tôi là những người thực tế và tất cả công việc này được thực hiện cho các sứ mệnh có người lái lên Mặt Trăng hoặc Sao Hỏa trong tương lai, vì sự phát triển của chúng. Nếu bạn hạ cánh trên chúng, thì tất nhiên, nước là nguồn tài nguyên quan trọng nhất cần được cung cấp hoặc khai thác tại địa phương. Điện có thể được lấy từ các tấm pin mặt trời hoặc các nguồn hạt nhân. Nước khó hơn: ví dụ, hàng hóa chính mà các tàu chở hàng phải đưa lên ISS ngày nay là nước. Mỗi lần họ lấy được 2–2,5 tấn.
Máy dò neutron LEND
Sử dụng: Tàu vũ trụ Lunar Reconnaissance Orbiter (NASA), 2009 đến nay. Trọng lượng: 26,3 kg. Công suất tiêu thụ: 13W Các kết quả chính: khám phá ra trữ lượng nước tiềm năng ở cực Nam của Mặt trăng; xây dựng bản đồ toàn cầu về bức xạ neutron của Mặt trăng với độ phân giải không gian từ 5–10 km.
Maxim Mokrousov: “Trong LEND, chúng tôi đã sử dụng một ống chuẩn trực dựa trên boron-10 và polyethylene, chúng chặn neutron ở các mặt của trường nhìn của thiết bị. Nó lớn hơn gấp đôi khối lượng của máy dò, nhưng nó có thể đạt được độ phân giải cao hơn khi quan sát bề mặt Mặt Trăng - tôi nghĩ đây là lợi thế chính của thiết bị, cho phép chúng tôi qua mặt các đồng nghiệp từ Los Alamos một lần nữa."
- Có bao nhiêu thiết bị như vậy đã được thực hiện? Và kế hoạch là bao nhiêu?
- Dễ dàng liệt kê: chúng đã vận hành HAND trên Mars Odyssey và LEND trên LRO mặt trăng, DAN trên Curiosity rover, cũng như BTN-M1 được lắp đặt trên ISS. Điều đáng giá là phải bổ sung thêm máy dò NS-HEND, được đưa vào tàu thăm dò "Phobos-Grunt" của Nga và thật không may, đã bị mất cùng với nó. Bây giờ, ở các giai đoạn sẵn sàng khác nhau, chúng tôi có thêm bốn thiết bị như vậy.
BTN-M1. Ảnh: Viện nghiên cứu vũ trụ RAS
Chiếc đầu tiên trong số họ - vào mùa hè tới - sẽ bay máy dò FREND, nó sẽ trở thành một phần của sứ mệnh chung với EU ExoMars. Nhiệm vụ này có quy mô rất lớn, nó sẽ bao gồm một tàu quỹ đạo, một tàu đổ bộ và một tàu thăm dò nhỏ, sẽ được phóng riêng trong giai đoạn 2016-2018. FREND sẽ làm việc trên một tàu thăm dò quỹ đạo và trên đó, chúng tôi sử dụng ống chuẩn trực tương tự như trên LEND mặt trăng để đo hàm lượng nước trên sao Hỏa với cùng độ chính xác mà nó đã được thực hiện đối với Mặt trăng. Trong khi đó, chúng tôi có những dữ liệu này về sao Hỏa chỉ ở mức gần đúng.
Máy đo phổ gamma và neutron Mercurian (MGNS), sẽ hoạt động trên tàu thăm dò BepiColombo, từ lâu đã sẵn sàng và được bàn giao cho các đối tác châu Âu của chúng tôi. Theo kế hoạch, vụ phóng sẽ diễn ra vào năm 2017, trong khi các thử nghiệm chân không nhiệt cuối cùng của thiết bị đã được tiến hành như một phần của tàu vũ trụ.
Chúng tôi cũng đang chuẩn bị các công cụ cho các sứ mệnh của Nga - đây là hai máy dò ADRON, sẽ hoạt động như một phần của các phương tiện có nguồn gốc từ Luna-Glob, và sau đó là Luna-Resurs. Ngoài ra, máy dò BTN-M2 đang hoạt động. Nó sẽ không chỉ tiến hành các quan sát trên tàu ISS mà còn có thể đưa ra nhiều phương pháp và vật liệu khác nhau để bảo vệ hiệu quả các phi hành gia khỏi thành phần neutron của bức xạ vũ trụ.
Máy dò nơtron BTN-M1
Sử dụng: Trạm Vũ trụ Quốc tế (Roscosmos, NASA, ESA, JAXA, v.v.), từ năm 2007. Trọng lượng: 9,8 kg. Công suất tiêu thụ: 12.3W Các kết quả chính: bản đồ về thông lượng neutron trong vùng lân cận của ISS được xây dựng, tình hình bức xạ tại trạm được đánh giá liên quan đến hoạt động của Mặt trời, một thí nghiệm đang được tiến hành để ghi nhận các vụ nổ tia gamma vũ trụ.
Maxim Mokrousov: “Tham gia vào dự án này, chúng tôi khá ngạc nhiên: xét cho cùng, trên thực tế, các dạng bức xạ khác nhau là các hạt khác nhau, bao gồm electron, proton và neutron. Đồng thời, hóa ra thành phần neutron của nguy cơ bức xạ vẫn chưa được đo lường chính xác, và đây là dạng đặc biệt nguy hiểm của nó, bởi vì neutron cực kỳ khó sàng lọc bằng các phương pháp thông thường."
- Bản thân những thiết bị này có thể được gọi là tiếng Nga ở mức độ nào? Tỷ trọng các yếu tố và bộ phận của sản xuất trong nước có cao không?
- Một cơ sở sản xuất cơ khí chính thức đã được thành lập ở đây, tại IKI RAS. Chúng tôi cũng có tất cả các phương tiện kiểm tra cần thiết: giá đỡ chống sốc, giá đỡ rung, buồng chân không nhiệt và buồng để kiểm tra khả năng tương thích điện từ … Trên thực tế, chúng tôi chỉ cần bên thứ ba sản xuất cho các bộ phận riêng lẻ - ví dụ: bo mạch in. Các đối tác từ Viện Nghiên cứu Công nghệ Máy tính và Điện tử (NIITSEVT) và một số doanh nghiệp thương mại giúp chúng tôi điều này.
Tất nhiên trước đây, nhạc cụ của chúng ta có rất nhiều, khoảng 80% là linh kiện nhập khẩu. Tuy nhiên, hiện nay các thiết bị mới do chúng tôi sản xuất hầu như được lắp ráp hoàn chỉnh từ các linh kiện trong nước. Tôi nghĩ rằng trong tương lai gần sẽ không có quá 25% nhập khẩu của họ và trong tương lai chúng tôi sẽ có thể phụ thuộc ít hơn vào các đối tác nước ngoài.
Có thể nói vi điện tử trong nước đã có một bước tiến nhảy vọt trong những năm gần đây. Cách đây 8 năm, ở nước ta chưa sản xuất được những bảng điện tử phù hợp với nhiệm vụ của mình. Bây giờ có các doanh nghiệp Zelenograd "Angstrem", "Elvis" và "Milandr", có Voronezh NIIET - sự lựa chọn là đủ. Nó trở nên dễ thở hơn cho chúng tôi.
Điều khó chịu nhất là sự phụ thuộc tuyệt đối vào các nhà sản xuất tinh thể scintillator cho máy dò của chúng tôi. Theo những gì tôi biết, những nỗ lực đang được thực hiện để trồng chúng ở một trong những viện Chernogolovka gần Moscow, nhưng họ vẫn chưa thành công trong việc đạt được kích thước và khối lượng cần thiết của một tinh thể siêu mịn. Do đó, về vấn đề này, chúng ta vẫn phải dựa vào các đối tác châu Âu, chính xác hơn là vào mối quan tâm của Saint-Gobain. Tuy nhiên, trên thị trường này, mối quan tâm là một nhà độc quyền hoàn toàn, do đó cả thế giới vẫn ở vị trí phụ thuộc.
