10 июня 2021

Ничего лишнего: российские ученые разработали высокоточный прибор для поиска полезных ископаемых на Луне

Усовершенствовать процесс поиска полезных ископаемых на Луне решили ученые Института космических исследований РАН. Им удалось разработать прибор, который по точности своих измерений значительно превосходит активно используемые сейчас гамма-спектрометры. Установить новое устройство ученые планируют на российский «Луноход-Геолог». В дальнейшем прибор можно будет применять для изучения и других небесных тел.

 

Не всем по зубам

Как единственный естественный спутник Земли Луна всегда была интересна для изучения. Прежде всего, потому, что она находится намного ближе других космических тел, у нее нет атмосферы, а ее тектоническая деятельность (какие-либо перемещения участков твердой поверхности) гораздо слабее, чем у нашей планеты. Следовательно за последние несколько миллиардов лет на Луне мало что изменилось. А это значит, что изучая ее, ученые смогут существенно продвинуться в изучении всей Вселенной и намного глубже заглянуть в прошлое. Кроме того, Луна — это отличная тренировочная база перед полетами к другим планетам и источник самых разных полезных ископаемых.

Проблема в том, что попасть на спутник и собрать необходимые для изучения образцы все еще не так просто. В первую очередь это огромные затраты — например на программу «Аполлон», в рамках которой американские астронавты несколько раз успешно высадились на Луну, было потрачено больше 20 миллиардов долларов. Отправление роботизированной техники, которая способна добыть нужные образцы без помощи человека, тоже недешевое удовольствие. К тому же далеко не все космические аппараты достигают поверхности спутника и имеют достаточно точное для исследований оборудование.

Так, в июле 2019 года Индия отправила на Луну свою вторую межпланетную станцию «Чандраян-2». Она состояла из орбитального аппарата, посадочной платформы «Викрам» и лунохода «Прагаян». Эта миссия предполагала спуск аппаратов на поверхность Луны для изучения сейсмической активности ее поверхности, а также термических свойств и состава лунного грунта. Для этого на луноходе были установлены спектрометры, оптические приборы для анализа состава материалов.

Когда «Чандраян-2» вышла на орбиту Луны, посадочный модуль отделился от станции и начался процесс прилунения. После основного этапа торможения модуль должен был зависнуть над поверхностью Луны, чтобы выбрать подходящую область для окончательной посадки. Но когда до поверхности оставался всего один километр, а скорость движения составляла около 60 метров в секунду, аппарат пропал с радаров. Установить с ним связь пока так и не удалось, а выполнение научной программы, к большому сожалению ученых и любителей, приостановлено.

 

Аппараты-исследователи

Начало изучения Луны с помощью космических аппаратов было положено в 1959 году, когда советская автоматическая межпланетная станция «Луна-2» совершила посадку на поверхность спутника. Выглядела станция как шар, из которого торчит четыре антенны, словно ножки стула, и летела она не с пустыми руками. На станции было установлено несколько измерительных приборов, среди которых: сцинтилляционные счетчики для регистрации ядерных излучений и элементарных частиц (например протонов, электронов и нейтронов); магнитометры для измерения магнитного поля и магнитных свойств материалов; счетчики Гейгера для измерения радиации и детекторы микрометеоритов.

Но образец лунного грунта с помощью автоматического аппарата ученые смогли получить только спустя 11 лет, благодаря запуску станции «Луна-16». С помощью специальной дрели она достигла 35-сантиметровой глубины поверхности Луны и собрала 101 грамм материала, который был доставлен на Землю в герметичной капсуле возвращаемого аппарата.

В том же году на поверхность спутника был доставлен и первый в мире самоходный аппарат под названием «Луноход-1». Он весил 756 кг (почти столько же весит автомобиль «Ока»), работал от солнечной батареи и передвигался с помощью восьми колес. Основной задачей аппарата было изучение лунной поверхности, ее химического состава и свойств. Для этого на нем были установлены две телекамеры и четыре панорамных телефотометра, которые сделали больше двадцати тысяч снимков; рентгеновский спектрометр и телескоп; детектор радиации и другие измерительные приборы. С их помощью за 301 день работы «Лунохода-1» было сделано 537 физико-механических и 25 химических анализов свойств лунного грунта.

 

Не без недостатков

Одним из основных инструментов как советских, так и современных луноходов считается спектрометр. Это оптический прибор для анализа состава веществ прямо на месте, без доставки материала на Землю. Спектрометры бывают разных видов: лазерные, рентгеновские, гамма и другие. Например нередко используемый на луноходах сцинтилляционный гамма-спектрометр в самом простом своем решении выглядит как металлическая трубка с окошком на торце. Внутри трубки установлены сцинтилляционный кристалл, фотоэлектронный умножитель и усилитель электрических импульсов.

Через окошко в объем сцинтилляционного кристалла попадают гамма-кванты, составляющие частицы космического электромагнитного излучения. Кристалл, в свою очередь, может состоять из разных веществ, например из бромида церия (CeBr3). Попадая на кристалл, кванты вызывают в нем вспышки света. Они улавливаются умножителем — вакуумной лампой, основная задача которой регистрировать очень слабые световые потоки. Принцип ее работы основан на явлении фотоэффекта — вырывании электронов с поверхности фотокатода. Это отрицательно заряженный металлический электрод, который обычно тонким слоем наносится на внутреннюю поверхность окошка спектрометра.

Когда электроны покидают фотокатод, они фокусируются на специальной металлической перегородке — диноде, первом электроде вакуумной лампы. И начинается процесс умножения. В его основе лежит явление вторичной электронной эмиссии, когда один электрон порождает два и более. Этот процесс повторяется, пока электроны не пройдут все диноды — в результате их количество многократно увеличивается. В конечном счете электроны приходят на анод — электрод, который передает электроны регистрирующему импульсы устройству. После на компьютере со специальным программным обеспечением анализируются амплитуды всех пришедших импульсов и строится специальный график — спектр. Благодаря тому, что каждый химический элемент имеет свой спектр излучения, можно определить состав вещества.

Но у этого прибора есть недостатки, из-за которых страдает точность исследований. Поскольку у Луны нет атмосферы, луноход подвергается воздействию галактических космических лучей, что делает его таким же источником гамма-излучения, как и вещества на поверхности спутника. А образующие лунный грунт компоненты также входят в состав материалов, из которых построен космический аппарат. То есть спектрометр улавливает излучение не только от вещества, но и от самого космического аппарата, из-за чего снижается качество измерений.

 

Отсечь все ненужное

Сделать еще один шаг в сторону изучения поверхности Луны и повысить точность измерительных приборов решили ученые Института космических исследований РАН. Им удалось разработать прототип устройства, с помощью которого можно будет без помех искать не только полезные ископаемые, но и благородные металлы: золото, серебро и металлы платиновой группы. Новое устройство планируют установить на будущий российский тяжелый «Луноход-Геолог».

Чтобы избежать влияния локального фонового излучения на точность измерений, разработчики решили объединить детектор для фиксации гамма-излучения и детектор вызывающих его космических лучей в одном спектрометре. Проблема выделения лишнего сигнала в этом случае решается методом меченых галактических космических лучей. То есть прибор будет фиксировать не только гамма-фотон, исходящий от вещества, которое находится на поверхности Луны или в грунте. В первую очередь он зафиксирует пролетевшую через детектор высокоэнергичную частицу космического излучения, которая и провоцирует возникновение этого гамма-фотона. Такие фотоны будут отмечены меткой совпадения, благодаря чему ложные данные отсеются.

Ученые называют этот прибор космическим гамма-спектрометром с метками от галактических космических лучей (КГС-МГКЛ). Кроме детектора гамма-лучей и детектора галактических космических лучей, в нем находится блок электроники, который позволяет записывать и анализировать данные. Другие подробности разработки пока не разглашаются.

Фиксировать наличие в лунном грунте полезных ископаемых прибор сможет на глубине от 20 сантиметров до метра на участке шириной до 30 сантиметров. Кроме основных породообразующих элементов, спектрометр способен искать редкоземельные и благородные металлы. Но этот процесс требует большего количества данных, поэтому луноходу нужно будет периодически останавливаться на пару часов для сбора статистики гамма-излучения.

Над разработкой прототипа ученые трудились три года. Все испытания показали, что он полностью готов к работе. А в перспективе прибор планируют использовать не только на Луне, но и на других небесных телах без атмосферы или с тонким атмосферным слоем, например на Марсе.

 

Автор: Анна Добровольская

По материалам: https://mir24.tv/news/16444321/rossiiskie-uchenye-izobreli-pribor-dlya-poiska-dragmetallov-na-lune-i-marse

Источник: https://www.shutterstock.com/ru/video/clip-24333326-earth-view-moon-surface---beautiful-space

 

Все
новости