El descubrimiento de agua en Marte y la Luna por sondas europeas y americanas es principalmente un mérito de los científicos rusos.
Detrás de los informes periódicos de cada vez más hallazgos nuevos realizados por misiones europeas y estadounidenses, se escapa a la atención del público que muchos de estos descubrimientos se realizaron gracias al trabajo de científicos, ingenieros y diseñadores rusos. Entre tales descubrimientos, se puede destacar especialmente la detección de rastros de agua en los cuerpos celestes más cercanos a nosotros y, como parecía anteriormente, completamente secos: la Luna y Marte. Fueron los detectores de neutrones rusos, que trabajaban en dispositivos extranjeros, los que ayudaron a encontrar agua aquí, y en el futuro ayudarán a proporcionar expediciones tripuladas. Maxim Mokrousov, Jefe del Laboratorio de Dispositivos de Física Nuclear del Instituto de Investigación Espacial (IKI), RAS, le dijo al Russian Planet por qué las agencias espaciales occidentales prefieren los detectores de neutrones rusos.
- Las naves espaciales - en órbita, aterrizaje y rovers - llevan conjuntos completos de instrumentos: espectrómetros, altímetros, cromatógrafos de gas, etc. ¿Por qué los detectores de neutrones en muchos de ellos son rusos? ¿Cuál es la razón para esto?
- Esto se debe a la victoria de nuestros proyectos en licitaciones abiertas, que son realizadas por los organizadores de dichas misiones. Al igual que nuestros competidores, presentamos una oferta e intentamos demostrar que nuestro dispositivo es óptimo para el dispositivo dado. Y ahora varias veces lo hemos logrado con éxito.
Nuestro rival habitual en este tipo de competencias es el Laboratorio Nacional de Los Alamos, el mismo donde se implementó el Proyecto Manhattan y se creó la primera bomba atómica. Pero, por ejemplo, nuestro laboratorio fue invitado especialmente a fabricar un detector de neutrones para el rover MSL (Curiosity), habiendo aprendido sobre la nueva tecnología que teníamos. Creado para el rover estadounidense, DAN se convirtió en el primer detector de neutrones con generación activa de partículas. En realidad, consta de dos partes: el detector en sí y el generador, en el que los electrones acelerados a velocidades muy altas golpean el objetivo de tritio y, de hecho, se produce una reacción termonuclear completa, aunque en miniatura, con la liberación de neutrones.
Los estadounidenses no saben cómo hacer tales generadores, pero fue creado por nuestros colegas del Instituto de Investigación de Automatización de Moscú que lleva el nombre de Dukhov. En la época soviética, fue un centro clave donde se desarrollaron fusibles para ojivas nucleares, y hoy en día parte de sus productos son para fines comerciales civiles. En general, estos detectores con generadores se utilizan, por ejemplo, en la exploración de reservas de petróleo; esta tecnología se llama registro de neutrones. Simplemente tomamos este enfoque y lo usamos para el rover; hasta ahora nadie ha hecho esto.
Detector de neutrones activos DAN
Uso: Laboratorio de Ciencias de Marte / rover Curiosity (NASA), 2012 al presente. Peso: 2,1 kg (detector de neutrones), 2,6 kg (generador de neutrones). Consumo de energía: 4,5 W (detector), 13 W (generador). Resultados principales: detección de agua acumulada en el suelo a una profundidad de 1 m a lo largo de la ruta del rover.
Maxim Mokrousov: “A lo largo de casi todo el camino de 10 kilómetros atravesado por el rover, el agua en las capas superiores del suelo se encontraba generalmente entre un 2 y un 5%. Sin embargo, en mayo de este año, se topó con un área en la que hay mucha más agua o algunos químicos inusuales están presentes. El rover fue desplegado y devuelto a un lugar sospechoso. Como resultado, resultó que el suelo allí es realmente inusual para Marte y se compone principalmente de óxido de silicio.
- Con la generación, todo está más o menos claro. ¿Y cómo se produce la detección de neutrones en sí?
- Detectamos neutrones de baja energía con contadores proporcionales basados en helio-3 - funcionan en DAN, LEND, MGNS y todos nuestros demás dispositivos. Un neutrón atrapado en helio-3 "rompe" su núcleo en dos partículas, que luego se aceleran en un campo magnético, creando una reacción de avalancha y, a la salida, un pulso de corriente (electrones).
Maxim Mokrousov y Sergey Kapitsa. Foto: Del archivo personal
Los neutrones de alta energía se detectan en el centelleador por los destellos que crean cuando lo golpean, generalmente plástico orgánico, como el estilbeno. Bueno, los rayos gamma pueden detectar cristales basados en lantano y bromo. Al mismo tiempo, recientemente han aparecido cristales aún más eficientes basados en cerio y bromo, los usamos en uno de nuestros detectores más recientes, que volará a Mercurio el próximo año.
- Y, sin embargo, ¿por qué los espectrógrafos occidentales se eligen exactamente en las mismas competencias abiertas de las agencias espaciales occidentales, otros instrumentos también son occidentales y los detectores de neutrones son rusos una y otra vez?
- En general, se trata de física nuclear: en este ámbito, seguimos siendo uno de los países líderes del mundo. No se trata solo de armas, sino también de la gran cantidad de tecnologías relacionadas en las que participan nuestros científicos. Incluso durante la era soviética, logramos hacer un trabajo de base tan bueno aquí que incluso en la década de 1990 no era posible perderlo todo por completo, pero hoy estamos nuevamente aumentando el ritmo.
Debe entenderse que las propias agencias occidentales no pagan un centavo por estos nuestros dispositivos. Todos ellos están hechos con el dinero de Roscosmos, como nuestro aporte a las misiones extranjeras. A cambio de esto, recibimos un alto estatus de participantes en proyectos internacionales de exploración espacial, y además, acceso directo prioritario a los datos científicos que recopilan nuestros instrumentos.
Transmitimos estos resultados después del procesamiento, por lo tanto, se nos considera legítimamente los coautores de todos los hallazgos que se hicieron gracias a nuestros dispositivos. Por lo tanto, todos los eventos de alto perfil con la detección de la presencia de agua en Marte y la Luna son, si no del todo, en muchos aspectos nuestro resultado.
Una vez más podemos recordar uno de nuestros primeros detectores, HEND, que todavía funciona a bordo de la sonda estadounidense Mars Odyssey. Fue gracias a él que se compiló por primera vez un mapa del contenido de hidrógeno en las capas superficiales del Planeta Rojo.
Espectrómetro de neutrones HEND
Uso: Nave espacial Mars Odyssey (NASA), 2001 al presente. Peso: 3,7 kg. Consumo de energía: 5,7 W. Resultados principales: mapas de alta latitud de la distribución del hielo de agua en el norte y sur de Marte con una resolución de unos 300 km, observación de cambios estacionales en los casquetes circumpolares.
Maxim Mokrousov: “Sin falsa modestia, puedo decir que en Mars Odyssey, que pronto estará en órbita durante 15 años, casi todos los instrumentos ya han comenzado a funcionar mal, y solo el nuestro sigue funcionando sin problemas. Funciona en conjunto con un detector gamma, representando efectivamente un solo instrumento con él, cubriendo una amplia gama de energías de partículas.
- Ya que hablamos de los resultados, ¿qué tipo de tareas científicas realizan estos dispositivos?
- Los neutrones son las partículas más sensibles al hidrógeno, y si sus átomos están presentes en cualquier parte del suelo, los neutrones son inhibidos eficazmente por sus núcleos. En la Luna o Marte, pueden ser creados por rayos cósmicos galácticos o emitidos por una pistola de neutrones especial, y de hecho medimos los neutrones reflejados por el suelo: cuantos menos hay, más hidrógeno.
Bueno, el hidrógeno, a su vez, es probablemente agua, ya sea en una forma congelada relativamente pura o enlazada en la composición de minerales hidratados. La cadena es simple: neutrones - hidrógeno - agua, por lo que la principal tarea de nuestros detectores de neutrones es precisamente la búsqueda de reservas de agua.
Somos gente práctica, y todo este trabajo se realiza para futuras misiones tripuladas a la misma Luna o Marte, para su desarrollo. Si aterriza en ellos, entonces el agua, por supuesto, es el recurso más importante que deberá entregarse o extraerse localmente. La electricidad se puede obtener de paneles solares o fuentes nucleares. El agua es más difícil: por ejemplo, la carga principal que los buques de carga tienen que entregar a la ISS hoy en día es agua. Cada vez lo toman de 2 a 2,5 toneladas.
LEND detector de neutrones
Uso: Nave espacial Lunar Reconnaissance Orbiter (NASA), 2009 al presente. Peso: 26,3 kg. Consumo de energía: 13 W Resultados principales: descubrimiento de posibles reservas de agua en el Polo Sur de la Luna; construcción de un mapa global de la radiación de neutrones de la Luna con una resolución espacial de 5 a 10 km.
Maxim Mokrousov: “En LEND ya hemos utilizado un colimador a base de boro-10 y polietileno, que bloquea los neutrones en los lados del campo de visión del dispositivo. Duplicó con creces la masa del detector, pero permitió lograr una mayor resolución al observar la superficie lunar; creo que esta fue la principal ventaja del dispositivo, que nos permitió evitar a nuestros colegas de Los Alamos nuevamente.
- ¿Cuántos dispositivos de este tipo se han fabricado ya? ¿Y cuanto está planeado?
- Son fáciles de enumerar: ya están operando HAND en el Mars Odyssey y LEND en el LRO lunar, DAN en el rover Curiosity, así como BTN-M1 instalado en la ISS. Vale la pena agregar a esto el detector NS-HEND, que estaba incluido en la sonda rusa "Phobos-Grunt" y, lamentablemente, se perdió junto con ella. Ahora, en diferentes etapas de preparación, tenemos cuatro dispositivos más.
BTN-M1. Foto: Instituto de Investigaciones Espaciales RAS
El primero de ellos, el próximo verano, volará el detector FREND, se convertirá en parte de la misión conjunta con EU ExoMars. Esta misión es a muy gran escala, incluirá un orbitador, un módulo de aterrizaje y un pequeño rover, que se lanzarán por separado durante 2016-2018. FREND estará trabajando en una sonda en órbita, y en ella usaremos el mismo colimador que en el LEND lunar para medir el contenido de agua en Marte con la misma precisión con la que se hizo para la Luna. Mientras tanto, tenemos estos datos para Marte solo en una aproximación bastante aproximada.
El espectrómetro de neutrones y gamma de Mercurio (MGNS), que operará en la sonda BepiColombo, lleva mucho tiempo listo y entregado a nuestros socios europeos. Está previsto que el lanzamiento tenga lugar en 2017, mientras que las últimas pruebas de vacío térmico del instrumento ya están en marcha como parte de la nave espacial.
También estamos preparando instrumentos para misiones rusas: estos son dos detectores ADRON, que operarán como parte de los vehículos de descenso Luna-Glob, y luego Luna-Resurs. Además, el detector BTN-M2 está en funcionamiento. No solo realizará observaciones a bordo de la ISS, sino que también permitirá elaborar varios métodos y materiales para la protección eficaz de los astronautas del componente neutrónico de la radiación cósmica.
Detector de neutrones BTN-M1
Uso: Estación Espacial Internacional (Roscosmos, NASA, ESA, JAXA, etc.), desde 2007. Peso: 9,8 kg. Consumo de energía: 12,3 W Los principales resultados: se construyeron mapas de los flujos de neutrones en las cercanías de la ISS, se evaluó la situación de la radiación en la estación en relación con la actividad del Sol, se estaba realizando un experimento para registrar estallidos de rayos gamma cósmicos.
Maxim Mokrousov: “Habiendo participado en este proyecto, nos sorprendió bastante: después de todo, de hecho, las diferentes formas de radiación son partículas diferentes, incluidos electrones, protones y neutrones. Al mismo tiempo, resultó que el componente de neutrones del peligro de radiación aún no se ha medido correctamente, y esta es una forma particularmente peligrosa, porque los neutrones son extremadamente difíciles de detectar con métodos convencionales.
- ¿Hasta qué punto se pueden llamar rusos a estos dispositivos? ¿Es alta la proporción de elementos y partes de la producción nacional en ellos?
- Aquí, en IKI RAS, se ha establecido una producción mecánica en toda regla. También tenemos todas las instalaciones de prueba necesarias: un soporte de choque, un soporte de vibración, una cámara de vacío térmico y una cámara para probar la compatibilidad electromagnética … De hecho, solo necesitamos la producción de terceros para componentes individuales, por ejemplo, placas de circuito impreso. Los socios del Instituto de Investigación de Tecnología Electrónica e Informática (NIITSEVT) y varias empresas comerciales nos ayudan con esto.
Anteriormente, por supuesto, nuestros instrumentos tenían una gran cantidad, alrededor del 80%, de componentes importados. Sin embargo, ahora los nuevos dispositivos que producimos se ensamblan casi por completo a partir de componentes domésticos. Creo que en un futuro próximo no habrá más del 25% de las importaciones en ellos, y en el futuro podremos depender aún menos de socios extranjeros.
Puedo decir que la microelectrónica doméstica ha dado un gran paso adelante en los últimos años. Hace ocho años, en nuestro país, no se producían en absoluto placas electrónicas adecuadas para nuestras tareas. Ahora están las empresas Zelenograd "Angstrem", "Elvis" y "Milandr", existe el Voronezh NIIET - la elección es suficiente. Se nos hizo más fácil respirar.
Lo más ofensivo es la dependencia absoluta de los fabricantes de cristales centelleadores para nuestros detectores. Hasta donde yo sé, se están haciendo intentos para cultivarlos en uno de los institutos de Chernogolovka cerca de Moscú, pero aún no han logrado alcanzar las dimensiones y volúmenes requeridos de un cristal superpuro. Por tanto, a este respecto, todavía tenemos que confiar en los socios europeos, más precisamente, en la preocupación de Saint-Gobain. Sin embargo, en este mercado la preocupación es un monopolio total, por lo que el mundo entero permanece en una posición dependiente.
