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

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.

Саммари

Несмотря на то, что новые пилотируемые экспедиции на Луну пока не планируются, изучение спутника автоматическими аппаратами продолжается. Свой вклад в повышение качества их работы сделали ученые Института космических исследований РАН. Они разработали устройство, которое решает проблему влияния фонового излучения на точность измерений гамма-спектрометров — приборов для определения составов веществ. Благодаря этой разработке искать полезные ископаемые на поверхности Луны станет проще. Установить прибор планируют на российском «Луноходе-Геологе».