Спектр просвещения: новый прибор будет искать ракетное топливо на Луне

Российские специалисты разработали сверхкомпактный прибор для анализа изотопного состава летучих веществ в лунном грунте. Аппарат рассчитан на работу на поверхности спутника Земли и будет включен в состав оборудования межпланетной станции «Луна-27». Исследования с его помощью приблизят специалистов к пониманию происхождения спутника и его эволюции. Также прибор поможет изучить наличие в реголите водяного льда, из компонентов которого (водорода и кислорода) инженеры предполагают в будущем производить топливо для лунных космических кораблей.

Лунный спектрометр

Российские ученые из Института космических исследований РАН и Московского физико-технического института совместно с коллегами из Венского технического университета разработали прибор для изучения летучих соединений, выделенных из реголита — лунного грунта. Аппарат представляет собой перестраиваемый диодно-лазерный спектрометр (ДЛС-Л).

Посредством нового исследовательского инструмента специалисты намерены изучить содержание водорода, кислорода, углерода, выделенных из реголита приповерхностных слоев, а также их изотопов — подвидов одних и тех же элементов, которые почти одинаковы по химическим свойствам, но отличаются по массе и, следовательно, по своим физическим характеристикам.

Аппарат предназначен для проведения анализа проб непосредственно в месте их отбора. Это имеет критически важное значение, поскольку позволит исключить изменение изотопного состава и загрязнение образцов. Такая опасность возникает при их длительной транспортировке на Землю, а также при хранении и изучении в земных лабораториях.

— В связи с ограничениями, которые накладываются характером межпланетной миссии, инженеры укладывались в крайне сжатые технические параметры. В результате масса аппарата составила всего 650 г, а габариты — 258×88×115 мм. Такие характеристики делают спектрометр самым миниатюрным в своем классе. Небольшие размеры прибора позволят включить его в состав миссии «Луны-27», — рассказал «Известиям» один из разработчиков нового прибора инженер ИКИ и ведущий инженер МФТИ Вячеслав Мещеринов.

Экспедиция этой межпланетной станции с посадкой на поверхность спутника Земли запланирована на 2028 год.

Как пояснили разработчики, точный анализ изотопного состава летучих соединений на Луне позволит ученым с высокой степенью достоверности судить о происхождении спутника и о перспективах ее освоения.

По словам ученых, в соответствии с современными теориями, существует три главных источника летучих веществ на Луне. Во-первых, выделение газов из лунной мантии — слоя в недрах пород, расположенного между корой и ядром. Во-вторых, эти вещества могут образовываться при взаимодействии протонов (положительно заряженных элементарных частиц) солнечного ветра с поверхностными породами. В-третьих, их источником могут быть метеориты и кометы, которые ударяются о поверхность спутника. При этом в каждом из перечисленных случаев состав летучих веществ будет уникален. Поэтому, исследуя их, можно получить важные сведения о геологической истории спутника.

— Также понимание эволюции Луны может помочь реконструировать раннюю геологическую историю Земли. Это связано с тем, что, как считает ряд исследователей, в начале развития планета и спутник были похожи, но затем вследствие тектонических процессов, воздействия атмосферы, океанов, органики и эрозии почв земная кора сильно видоизменилась, тогда как на лунная поверхность в большей степени сохранила первозданные черты, — отметил академик РАН, руководитель научного направления «Планетарная геофизика и геодинамика» Института физики Земли имени О.Ю. Шмидта РАН Александр Глико.

Топливо для космических кораблей

В связи с будущими миссиями по освоению Луны изучение летучих веществ представляет для ученых большой практический интерес. Например, водород и кислород, которые содержатся в реголите, специалисты рассматривают как возможные компоненты топлива для будущих ракет, которые будут стартовать с поверхности Луны, подчеркнул Вячеслав Мещеринов.

К тому же изучение доступности водяного льда вблизи места посадки позволит скорректировать планы развертывания лунных станций, персоналу которых будет необходима вода.

— В целом длительность изучения одной пробы на Луне составит от 40 до 90 минут. Сначала реголит с помощью роботизированной руки будет поднят на борт спускаемого аппарата. После чего образцы пройдут специальную обработку и их нагреют до температуры около 1000 °C. Затем полученные в результате термического разложения летучие соединения направят в ячейку лазерного спектрометра для изотопного анализа, — объяснил порядок действий прибора руководитель разработки ведущий инженер ИКИ Имант Виноградов.

По его словам, новый аппарат — это усовершенствованный вариант устройства, которое было создано в 2012 году для марсианской посадочной миссии «Фобос-Грунт». Его создавали совместно с французскими партнеры из Реймского университета. Однако та экспедиция не удалась.

Как сообщили ученые, общее время, которое потребовалось для разработки ДЛС-Л, превысило 10 лет. В ходе наземных испытаний были полностью подтверждены функциональные параметры прибора.

— Состав пород Луны изучен благодаря советским, американским, китайским и индийским миссиям. Однако более сложные вопросы, которые касаются происхождения Луны и формирования ценных ресурсов, требуют всё более сложных и точных приборов. Причем если на Земле для этих целей используют громоздкое оборудование, то лунные инструменты, учитывая сложность доставки, должны быть миниатюрными, — отметил старший научный сотрудник Института геохимии и аналитической химии имени В.И. Вернадского РАН Сергей Воропаев.

По мнению эксперта, чтобы обеспечить корректность измерений, требуется более тщательная проработка опорных спектров — эталонных данных для сравнения с последующими измерениями. При этом, учитывая особенности Луны, там могут присутствовать аномальные, невероятные в земных условиях комбинации изотопов водорода, кислорода и других элементов. Тогда опорные спектры не подойдут и для анализа потребуется дополнительная информация. Это также необходимо учитывать при планировании исследований.

— Водород-кислородная топливная пара обладает одним из самых высоких показателей удельного импульса. Компоненты топлива из воды можно получить методом электролиза (разделения на элементы электричеством). В лунных условиях это действительно может стать самым доступным «горючим», — объяснил «Известиям» руководитель космического стартапа Виктор Булыбенко.

Но есть и сложности, отметил специалист. В частности, на электролиз тратится много энергии. Кроме того, водород и кислород при использовании в качестве топлива нужно охлаждать до сверхнизких температур. Еще один минус — невысокая плотность топливной пары, что потребует больших баков будущих лунных космических кораблей.