Die Entdeckung von Wasser auf Mars und Mond durch europäische und amerikanische Sonden ist in erster Linie ein Verdienst russischer Wissenschaftler
Hinter den regelmäßigen Berichten über immer neue Funde europäischer und amerikanischer Missionen entgeht der öffentlichen Aufmerksamkeit, dass viele dieser Entdeckungen dank der Arbeit russischer Wissenschaftler, Ingenieure und Designer gemacht wurden. Unter diesen Entdeckungen kann man besonders die Entdeckung von Wasserspuren auf den uns am nächsten liegenden und, wie es zuvor schien, völlig trockenen Himmelskörpern hervorheben - Mond und Mars. Es waren russische Neutronendetektoren, die an ausländischen Geräten arbeiteten, die hier halfen, Wasser zu finden und in Zukunft bemannte Expeditionen zu versorgen. Maxim Mokrousov, Leiter des Labors für nukleare Physikgeräte am Institut für Weltraumforschung (IKI), RAS, sagte dem russischen Planeten, warum westliche Weltraumbehörden russische Neutronendetektoren bevorzugen.
- Raumfahrzeuge - umkreisen, landen und Rover - tragen ganze Instrumentensätze: Spektrometer, Höhenmesser, Gaschromatographen usw. Warum sind Neutronendetektoren auf vielen von ihnen russisch? Was ist der Grund dafür?
- Dies ist auf den Sieg unserer Projekte bei offenen Ausschreibungen zurückzuführen, die von den Organisatoren solcher Missionen durchgeführt werden. Wie unsere Mitbewerber unterbreiten wir ein Angebot und versuchen zu beweisen, dass unser Gerät für das jeweilige Gerät optimal ist. Und das ist uns nun schon mehrfach erfolgreich gelungen.
Unser üblicher Konkurrent bei solchen Wettbewerben ist das Los Alamos National Laboratory, das gleiche, in dem das Manhattan-Projekt umgesetzt und die erste Atombombe hergestellt wurde. Aber zum Beispiel wurde unser Labor speziell eingeladen, einen Neutronendetektor für den MSL-Rover (Curiosity) zu bauen, nachdem wir von der neuen Technologie erfahren hatten, die wir hatten. DAN wurde für den amerikanischen Rover entwickelt und war der erste Neutronendetektor mit aktiver Teilchenerzeugung. Es besteht eigentlich aus zwei Teilen - dem Detektor selbst und dem Generator, in dem auf sehr hohe Geschwindigkeiten beschleunigte Elektronen auf das Tritium-Target treffen und tatsächlich eine vollwertige, wenn auch winzige, thermonukleare Reaktion unter Freisetzung von Neutronen abläuft.
Die Amerikaner wissen nicht, wie man solche Generatoren herstellt, aber es wurde von unseren Kollegen des nach Dukhov benannten Moskauer Forschungsinstituts für Automatisierung geschaffen. Zu Sowjetzeiten war es ein wichtiges Zentrum, in dem Zünder für Nuklearsprengköpfe entwickelt wurden, und heute sind Teile der Produkte für zivile, kommerzielle Zwecke bestimmt. Im Allgemeinen werden solche Detektoren mit Generatoren beispielsweise bei der Exploration von Ölreserven eingesetzt – diese Technologie wird Neutronenprotokollierung genannt. Wir haben einfach diesen Ansatz gewählt und ihn für den Rover verwendet; das hat bis jetzt noch keiner gemacht.
Aktiver Neutronendetektor DAN
Verwendung: Mars Science Laboratory / Curiosity (NASA) Rover, 2012 bis heute. Gewicht: 2,1 kg (Neutronendetektor), 2,6 kg (Neutronengenerator). Leistungsaufnahme: 4,5 W (Detektor), 13 W (Generator). Wichtigste Ergebnisse: Nachweis von gebundenem Wasser im Boden in 1 m Tiefe entlang der Route des Rovers.
Maxim Mokrousov: „Entlang fast des gesamten 10 Kilometer langen Wegs, den der Rover zurücklegte, wurde das Wasser in den oberen Bodenschichten normalerweise zu 2–5% gefunden. Im Mai dieses Jahres stieß er jedoch auf ein Gebiet, in dem es entweder viel mehr Wasser gibt oder ungewöhnliche Chemikalien vorhanden sind. Der Rover wurde eingesetzt und an einen verdächtigen Ort zurückgebracht. Dabei stellte sich heraus, dass der Boden dort für den Mars wirklich ungewöhnlich ist und hauptsächlich aus Siliziumoxid besteht."
- Mit der Generation ist alles ungefähr klar. Und wie läuft die Neutronendetektion selbst ab?
- Wir detektieren niederenergetische Neutronen mit Proportionalzählern auf Basis von Helium-3 - sie funktionieren in DAN, LEND, MGNS und all unseren anderen Geräten. Ein in Helium-3 gefangenes Neutron „zerlegt“seinen Kern in zwei Teilchen, die dann in einem Magnetfeld beschleunigt werden, wodurch eine Lawinenreaktion und am Ausgang ein Stromimpuls (Elektronen) entsteht.
Maxim Mokrousov und Sergey Kapitsa. Foto: Aus persönlichem Archiv
Hochenergetische Neutronen werden im Szintillator durch die Blitze nachgewiesen, die sie beim Auftreffen erzeugen – meist organisches Plastik wie Stilben. Nun, Gammastrahlen können Kristalle auf der Basis von Lanthan und Brom erkennen. Gleichzeitig sind in letzter Zeit noch effizientere Kristalle auf Basis von Cer und Brom aufgetaucht, die wir in einem unserer neuesten Detektoren einsetzen, der nächstes Jahr zum Merkur fliegen wird.
- Und warum werden westliche Spektrographen in genau den gleichen offenen Wettbewerben westlicher Raumfahrtagenturen ausgewählt, andere Instrumente sind auch westlich und Neutronendetektoren immer wieder russisch?
- Im Großen und Ganzen dreht sich alles um die Kernphysik: Auf diesem Gebiet sind wir nach wie vor eines der führenden Länder der Welt. Es geht nicht nur um Waffen, sondern auch um die Masse verwandter Technologien, mit denen sich unsere Wissenschaftler beschäftigen. Schon zu Sowjetzeiten haben wir hier eine so gute Basis geschaffen, dass man auch in den 90er Jahren nicht alles komplett verlieren konnte, aber heute erhöhen wir wieder das Tempo.
Es versteht sich, dass die westlichen Agenturen selbst keinen Cent für diese unsere Geräte zahlen. Alle von ihnen werden mit dem Geld von Roskosmos gemacht, als unser Beitrag zu Auslandsmissionen. Dafür erhalten wir einen hohen Status als Teilnehmer an internationalen Weltraumforschungsprojekten und darüber hinaus vorrangigen direkten Zugang zu den wissenschaftlichen Daten, die unsere Instrumente sammeln.
Wir übermitteln diese Ergebnisse nach der Verarbeitung, daher gelten wir zu Recht als Mitautoren aller Erkenntnisse, die dank unserer Geräte gewonnen wurden. Daher sind alle hochkarätigen Ereignisse mit dem Nachweis der Anwesenheit von Wasser auf Mars und Mond, wenn auch nicht vollständig, in vielerlei Hinsicht unser Ergebnis.
Wir erinnern uns noch einmal an einen unserer ersten Detektoren, HEND, der noch immer an Bord der amerikanischen Mars-Odyssey-Sonde im Einsatz ist. Ihm ist es zu verdanken, dass erstmals eine Karte des Wasserstoffgehalts in den Oberflächenschichten des Roten Planeten erstellt wurde.
HEND Neutronenspektrometer
Verwendung: Raumsonde Mars Odyssey (NASA), 2001 bis heute. Gewicht: 3,7 kg. Leistungsaufnahme: 5,7 W. Hauptergebnisse: Karten der Wassereisverteilung in hohen Breiten im Norden und Süden des Mars mit einer Auflösung von ca. 300 km, Beobachtung saisonaler Veränderungen in den zirkumpolaren Kappen.
Maxim Mokrousov: „Ohne falsche Bescheidenheit kann ich sagen, dass auf Mars Odyssey, der bald 15 Jahre im Orbit sein wird, fast alle Instrumente bereits versagen und nur unseres weiterhin problemlos funktioniert. Es arbeitet mit einem Gamma-Detektor zusammen und stellt damit effektiv ein einzelnes Instrument dar, das einen weiten Bereich von Teilchenenergien abdeckt.
- Da wir über die Ergebnisse sprechen, welche wissenschaftlichen Aufgaben werden von solchen Geräten erfüllt?
- Neutronen sind die empfindlichsten Teilchen gegenüber Wasserstoff, und wenn seine Atome irgendwo im Boden vorhanden sind, werden Neutronen durch ihre Kerne effektiv gehemmt. Auf dem Mond oder dem Mars können sie durch galaktische kosmische Strahlung erzeugt oder von einer speziellen Neutronenkanone emittiert werden, und wir messen tatsächlich die vom Boden reflektierten Neutronen: Je weniger, desto mehr Wasserstoff.
Nun, Wasserstoff wiederum ist höchstwahrscheinlich Wasser, entweder in relativ reiner gefrorener Form oder gebunden in der Zusammensetzung hydratisierter Mineralien. Die Kette ist einfach: Neutronen - Wasserstoff - Wasser, daher ist die Hauptaufgabe unserer Neutronendetektoren genau die Suche nach Wasserreserven.
Wir sind praktische Leute, und all diese Arbeit wird für zukünftige bemannte Missionen zum selben Mond oder Mars für deren Entwicklung geleistet. Wenn Sie darauf landen, ist Wasser natürlich die wichtigste Ressource, die entweder vor Ort geliefert oder abgebaut werden muss. Strom kann aus Sonnenkollektoren oder nuklearen Quellen gewonnen werden. Wasser ist schwieriger: Die Hauptfracht, die Frachtschiffe heute zur ISS liefern müssen, ist beispielsweise Wasser. Jedes Mal nehmen sie es 2–2,5 Tonnen.
LEND Neutronendetektor
Verwendung: Raumsonde Lunar Reconnaissance Orbiter (NASA), 2009 bis heute. Gewicht: 26,3 kg. Leistungsaufnahme: 13W Wichtigste Ergebnisse: Entdeckung potenzieller Wasserreserven am Südpol des Mondes; Erstellung einer Globalkarte der Neutronenstrahlung des Mondes mit einer räumlichen Auflösung von 5–10 km.
Maxim Mokrousov: „Bei LEND haben wir bereits einen Kollimator auf Basis von Bor-10 und Polyethylen verwendet, der Neutronen an den Seiten des Sichtfelds des Geräts blockiert. Es hat die Masse des Detektors mehr als verdoppelt, ermöglichte aber eine höhere Auflösung bei der Beobachtung der Mondoberfläche – das war meiner Meinung nach der Hauptvorteil des Geräts, das es uns ermöglichte, unsere Kollegen aus Los Alamos wieder zu umgehen.“
- Wie viele solcher Geräte wurden bereits hergestellt? Und wie viel ist geplant?
- Sie sind leicht aufzuzählen: Sie betreiben bereits HAND auf der Mars Odyssey und LEND auf dem Mond-LRO, DAN auf dem Curiosity-Rover sowie BTN-M1 auf der ISS. Erwähnenswert ist der NS-HEND-Detektor, der in der russischen Sonde "Phobos-Grunt" enthalten war und leider damit verloren ging. Jetzt, in unterschiedlichen Stadien der Bereitschaft, haben wir vier weitere solcher Geräte.
BTN-M1. Foto: Weltraumforschungsinstitut RAS
Der erste von ihnen wird - nächsten Sommer - den FREND-Detektor fliegen, er wird Teil der gemeinsamen Mission mit dem EU-ExoMars. Diese Mission ist sehr groß angelegt und umfasst einen Orbiter, einen Lander und einen kleinen Rover, die 2016-2018 separat gestartet werden. FREND wird an einer umlaufenden Sonde arbeiten, auf der wir den gleichen Kollimator wie auf dem Mond LEND verwenden, um den Wassergehalt auf dem Mars mit der gleichen Genauigkeit wie beim Mond zu messen. Inzwischen liegen uns diese Daten für den Mars nur in ziemlich grober Näherung vor.
Das Mercurian Gamma- und Neutronenspektrometer (MGNS), das an der BepiColombo-Sonde betrieben wird, ist längst fertig und an unsere europäischen Partner übergeben. Der Start soll 2017 erfolgen, während die letzten thermischen Vakuumtests des Instruments bereits im Rahmen der Raumsonde laufen.
Wir bereiten auch Instrumente für russische Missionen vor - das sind zwei ADRON-Detektoren, die als Teil der Luna-Glob-Abstiegsfahrzeuge eingesetzt werden, und dann Luna-Resurs. Außerdem ist der Melder BTN-M2 in Betrieb. Es wird nicht nur Beobachtungen an Bord der ISS durchführen, sondern auch verschiedene Methoden und Materialien zum wirksamen Schutz von Astronauten vor dem Neutronenanteil der kosmischen Strahlung erarbeiten.
BTN-M1 Neutronendetektor
Nutzung: Internationale Raumstation (Roscosmos, NASA, ESA, JAXA, etc.), seit 2007. Gewicht: 9,8 kg. Leistungsaufnahme: 12,3 W Die wichtigsten Ergebnisse: Karten von Neutronenflüssen in der Umgebung der ISS wurden erstellt, die Strahlungssituation an der Station im Zusammenhang mit der Sonnenaktivität bewertet, ein Experiment zur Registrierung kosmischer Gammablitze durchgeführt.
Maxim Mokrousov: „Nachdem wir uns an diesem Projekt beteiligt hatten, waren wir ziemlich überrascht: Schließlich sind verschiedene Strahlungsformen verschiedene Teilchen, einschließlich Elektronen, Protonen und Neutronen. Gleichzeitig stellte sich heraus, dass der Neutronenanteil der Strahlengefahr noch nicht richtig gemessen wurde, und dies ist eine besonders gefährliche Form davon, da Neutronen mit herkömmlichen Methoden nur sehr schwer abzuschirmen sind.“
- Inwieweit können diese Geräte selbst als russisch bezeichnet werden? Ist der Anteil an Elementen und Teilen der heimischen Produktion darin hoch?
- Hier, bei der IKI RAS, wurde eine vollwertige mechanische Fertigung aufgebaut. Außerdem verfügen wir über alle notwendigen Prüfeinrichtungen: einen Schockständer, einen Vibrationsständer, eine Thermovakuumkammer und eine Kammer zur Prüfung auf elektromagnetische Verträglichkeit … Tatsächlich benötigen wir nur für einzelne Komponenten Fremdfertigung - zum Beispiel für Leiterplatten. Dabei helfen uns Partner des Forschungsinstituts für Elektronik- und Computertechnik (NIITSEVT) und einer Reihe von Wirtschaftsunternehmen.
Früher hatten unsere Instrumente natürlich viel, etwa 80 %, importierte Komponenten. Inzwischen werden die von uns produzierten Neugeräte jedoch fast vollständig aus Haushaltskomponenten zusammengebaut. Ich denke, dass in naher Zukunft nicht mehr als 25 % der Importe in ihnen sein werden, und wir werden in Zukunft noch weniger von ausländischen Partnern abhängig sein können.
Ich kann sagen, dass die heimische Mikroelektronik in den letzten Jahren einen echten Sprung nach vorne gemacht hat. Vor acht Jahren wurden in unserem Land überhaupt keine für unsere Aufgaben geeigneten elektronischen Platinen hergestellt. Jetzt gibt es die Selenograder Unternehmen "Angstrem", "Elvis" und "Milandr", es gibt das Woronesch NIIET - die Auswahl ist ausreichend. Das Atmen fiel uns leichter.
Das Offensivste ist die absolute Abhängigkeit von den Herstellern von Szintillatorkristallen für unsere Detektoren. Meines Wissens wird versucht, sie in einem der Institute von Chernogolovka bei Moskau zu züchten, aber es ist ihnen noch nicht gelungen, die erforderlichen Abmessungen und Volumina eines hochreinen Kristalls zu erreichen. Daher sind wir in dieser Hinsicht weiterhin auf europäische Partner angewiesen, genauer gesagt auf den Konzern Saint-Gobain. In diesem Markt ist der Konzern jedoch ein kompletter Monopolist, daher bleibt die ganze Welt in einer abhängigen Position.
