El descobriment de l'aigua a Mart i la Lluna per sondes europees i americanes és principalment un mèrit dels científics russos
Darrere dels informes periòdics de cada vegada més noves troballes realitzades per missions europees i americanes, s’escapa de l’atenció del públic que molts d’aquests descobriments es van fer gràcies al treball de científics, enginyers i dissenyadors russos. Entre aquests descobriments, es pot destacar especialment la detecció de traces d’aigua a les zones més properes a nosaltres i, com semblava anteriorment, a cossos celestes completament secs: la Lluna i Mart. Van ser els detectors de neutrons russos, que treballaven en dispositius estrangers, els que van ajudar a trobar aigua aquí, i en el futur ajudaran a proporcionar expedicions tripulades. Maxim Mokrousov, cap del Laboratori de Dispositius de Física Nuclear de l’Institut de Recerca Espacial (IKI), RAS, va dir al planeta rus per què les agències espacials occidentals prefereixen els detectors de neutrons russos.
- Les naus espacials (orbitant, aterrant i explorant) transporten conjunts sencers d’instruments: espectròmetres, altímetres, cromatògrafs de gasos, etc. Per què els detectors de neutrons en molts d’ells són russos? Quin és el motiu?
- Això es deu a la victòria dels nostres projectes en licitacions obertes, que duen a terme els organitzadors d’aquestes missions. Igual que els nostres competidors, presentem una oferta i intentem demostrar que el nostre dispositiu és òptim per al dispositiu determinat. I ara diverses vegades hem tingut èxit.
El nostre rival habitual en aquestes competicions és el laboratori nacional de Los Alamos, el mateix on es va implementar el Projecte Manhattan i es va crear la primera bomba atòmica. Però, per exemple, el nostre laboratori va ser especialment convidat a fabricar un detector de neutrons per al rover MSL (Curiosity), després d’haver conegut la nova tecnologia que teníem. Creat per al rover nord-americà, DAN es va convertir en el primer detector de neutrons amb generació activa de partícules. En realitat, consta de dues parts: el propi detector i el generador, en què els electrons accelerats a velocitats molt altes colpegen l'objectiu del triti i, de fet, es produeix una reacció termonuclear en tota regla, encara que miniatura, amb l'alliberament de neutrons.
Els nord-americans no saben com fabricar aquests generadors, però van ser creats pels nostres col·legues de l'Institut d'Investigació d'Automatització de Moscou que porta el nom de Dukhov. A l'època soviètica, era un centre clau on es desenvolupaven fusibles per a ogives nuclears, i actualment una part dels seus productes són per a usos civils i comercials. En general, aquests detectors amb generadors s’utilitzen, per exemple, en l’exploració de reserves de petroli, aquesta tecnologia s’anomena registre de neutrons. Acabem d’aconseguir aquest enfocament i l’hem utilitzat per al rover; fins ara ningú no ho ha fet.
Detector de neutrons actiu DAN
Ús: Mars Science Laboratory / Curiosity (NASA), del 2012 al present. Pes: 2,1 kg (detector de neutrons), 2,6 kg (generador de neutrons). Consum d'energia: 4,5 W (detector), 13 W (generador). Principals resultats: detecció d’aigua lligada al terra a 1 m de profunditat al llarg del recorregut del rover.
Maxim Mokrousov: “Al llarg de gairebé tot el recorregut de deu quilòmetres recorregut pel rover, l’aigua de les capes superiors del sòl sol trobar-se entre un 2-5%. Tanmateix, al maig d’aquest any va topar amb una zona en la qual hi ha molta més aigua o hi ha productes químics inusuals. El rover es va desplegar i va tornar a un lloc sospitós. Com a resultat, va resultar que el sòl allà és realment inusual per a Mart i consisteix principalment en òxid de silici.
- Amb la generació, tot queda gairebé clar. I com es fa la pròpia detecció de neutrons?
- Detectem neutrons de baixa energia amb comptadors proporcionals basats en heli-3: funcionen a DAN, LEND, MGNS i a tots els altres dispositius. Un neutró atrapat en heli-3 "divideix" el seu nucli en dues partícules, que després s'acceleren en un camp magnètic, creant una reacció d'allau i, a la sortida, un pols de corrent (electrons).
Maxim Mokrousov i Sergey Kapitsa. Foto: de l'arxiu personal
Els neutrons d’alta energia es detecten al centelleig mitjançant els flaixos que creen quan l’encerten, generalment de plàstic orgànic, com l’estilbè. Bé, els raigs gamma poden detectar cristalls basats en el lantà i el brom. Al mateix temps, han aparegut cristalls encara més eficients basats en ceri i brom recentment, els fem servir en un dels nostres detectors més recents, que volaran a Mercuri l'any vinent.
- I, tanmateix, per què s’escullen espectrògrafs occidentals exactament en les mateixes competicions obertes de les agències espacials occidentals, altres instruments també són occidentals i els detectors de neutrons són russos una i altra vegada?
- En general, es tracta de física nuclear: en aquest àmbit, seguim sent un dels països líders del món. No es tracta només d’armes, sinó també de la massa de tecnologies relacionades en què participen els nostres científics. Fins i tot durant l'era soviètica, vam aconseguir aquí unes bases tan bones que fins i tot als anys noranta no era possible perdre-ho tot del tot, però avui tornem a augmentar el ritme.
Cal entendre que les pròpies agències occidentals no paguen ni un cèntim per aquests nostres dispositius. Tots ells estan fets amb els diners de Roscosmos, com la nostra contribució a missions estrangeres. A canvi d'això, rebem un elevat estat de participants en projectes internacionals d'exploració espacial i, a més, l'accés directe prioritari a les dades científiques que recopilen els nostres instruments.
Transmetem aquests resultats després de processar-los, per tant, ens consideren amb raó els coautors de totes les troballes que es van fer gràcies als nostres dispositius. Per tant, tots els esdeveniments de gran perfil amb la detecció de la presència d’aigua a Mart i la Lluna són, si no del tot, doncs en molts aspectes el nostre resultat.
Podem tornar a recordar un dels nostres primers detectors, HEND, que encara funciona a bord de la sonda nord-americana Mars Odyssey. Va ser gràcies a ell que es va elaborar per primera vegada un mapa del contingut d’hidrogen a les capes superficials del planeta vermell.
Espectròmetre de neutrons HEND
Ús: sonda espacial Mars Odyssey (NASA), del 2001 al present. Pes: 3, 7 kg. Consum d'energia: 5,7 W. Principals resultats: mapes de latitud elevada de distribució de gel d’aigua al nord i al sud de Mart amb una resolució d’uns 300 km, observació de canvis estacionals als casquets circumpolars.
Maxim Mokrousov: “Sense falsa modèstia, puc dir que a Mars Odyssey, que aviat estarà en òrbita durant 15 anys, gairebé tots els instruments ja han començat a funcionar malament i només el nostre continua funcionant sense problemes. Funciona en tàndem amb un detector gamma, representant eficaçment un instrument únic amb ell, cobrint una àmplia gamma d’energies de partícules.
- Com que estem parlant dels resultats, quin tipus de tasques científiques fan aquests dispositius?
- Els neutrons són les partícules més sensibles a l’hidrogen i, si els seus àtoms estan presents en qualsevol lloc del sòl, els neutrons són inhibits efectivament pels seus nuclis. A la Lluna o a Mart, poden ser creats per raigs còsmics galàctics o emesos per una pistola de neutrons especials, i en realitat mesurem els neutrons reflectits pel sòl: com menys hi hagi, més hidrogen.
Doncs bé, l’hidrogen, al seu torn, és molt probablement aigua, ja sigui en forma congelada relativament pura o lligada a la composició de minerals hidratats. La cadena és senzilla: neutrons - hidrogen - aigua, per tant, la tasca principal dels nostres detectors de neutrons és precisament la recerca de reserves d’aigua.
Som gent pràctica, i tot aquest treball es fa per a futures missions tripulades a la mateixa Lluna o Mart, per al seu desenvolupament. Si hi aterrau, l’aigua, per descomptat, és el recurs més important que s’haurà de lliurar o extreure localment. L’electricitat es pot obtenir a partir de plaques solars o fonts nuclears. L’aigua és més difícil: per exemple, la càrrega principal que han de lliurar els vaixells de càrrega a l’ISS avui és l’aigua. Cada vegada que en prenen 2–2,5 tones.
Detector de neutrons LEND
Ús: sonda espacial Lunar Reconnaissance Orbiter (NASA), del 2009 al present. Pes: 26,3 kg. Consum d'energia: 13W Principals resultats: descobriment de les possibles reserves d’aigua al pol sud de la Lluna; construcció d’un mapa global de radiació de neutrons de la Lluna amb una resolució espacial de 5-10 km.
Maxim Mokrousov: “A LEND ja hem utilitzat un colimador basat en bor-10 i polietilè, que bloqueja els neutrons als costats del camp de visió del dispositiu. Va duplicar més que la massa del detector, però va permetre obtenir una resolució més gran en observar la superfície lunar; crec que aquest era el principal avantatge del dispositiu, que ens va permetre tornar a passar per alt els nostres companys de Los Alamos.
- Quants dispositius d’aquest tipus ja s’han fabricat? I quant està previst?
- Són fàcils d’enumerar: ja funcionen HAND a l’Odissea de Mars i LEND al LRO lunar, DAN al rover Curiosity, així com el BTN-M1 instal·lat a l’ISS. Val la pena afegir-hi el detector NS-HEND, que es va incloure a la sonda russa "Phobos-Grunt" i, per desgràcia, es va perdre juntament amb ell. Ara, en diferents etapes de preparació, disposem de quatre dispositius més d’aquest tipus.
BTN-M1. Foto: Space Research Institute RAS
El primer d’ells, l’estiu vinent, farà volar el detector FREND, passarà a formar part de la missió conjunta amb la UE ExoMars. Aquesta missió és a gran escala, inclourà un orbitador, un lander i un petit rover, que es llançaran per separat durant el 2016-2018. FREND treballarà en una sonda orbitant, i en ella utilitzarem el mateix colimador que en el LEND lunar per mesurar el contingut d’aigua a Mart amb la mateixa precisió amb què es va fer per a la Lluna. Mentrestant, tenim aquestes dades de Mart només en una aproximació bastant aproximada.
L’espectròmetre gamma i neutrons Mercurian (MGNS), que funcionarà amb la sonda BepiColombo, ja fa temps que està a punt i s’ha lliurat als nostres socis europeus. Està previst que el llançament es faci el 2017, mentre que les últimes proves de buit tèrmic de l’instrument ja estan en marxa com a part de la nau espacial.
També estem preparant instruments per a missions russes: es tracta de dos detectors ADRON, que funcionaran com a part dels vehicles de baixada Luna-Glob, i després Luna-Resurs. A més, el detector BTN-M2 està en funcionament. No només durà a terme observacions a bord de la ISS, sinó que també permetrà elaborar diversos mètodes i materials per protegir eficaçment els astronautes del component neutrònic de la radiació còsmica.
Detector de neutrons BTN-M1
Ús: estació espacial internacional (Roscosmos, NASA, ESA, JAXA, etc.), des del 2007. Pes: 9,8 kg. Consum d'energia: 12,3W Els principals resultats: es van construir mapes de fluxos de neutrons als voltants de l’ISS, es va avaluar la situació de la radiació a l’estació en relació amb l’activitat del Sol, es va dur a terme un experiment per registrar esclats de raigs gamma còsmics.
Maxim Mokrousov: “Havent participat en aquest projecte, ens va sorprendre força: al cap i a la fi, de fet, les diferents formes de radiació són partícules diferents, inclosos els electrons, els protons i els neutrons. Al mateix temps, va resultar que el component de neutrons del risc de radiació encara no s'ha mesurat correctament, i aquesta és una forma especialment perillosa, ja que els neutrons són extremadament difícils de controlar mitjançant mètodes convencionals.
- Fins a quin punt es poden anomenar russos aquests dispositius? Hi ha una elevada proporció d’elements i parts de la producció nacional?
- S'ha establert aquí una producció mecànica completa, a l'IKI RAS. També disposem de totes les instal·lacions de prova necessàries: un suport de xoc, un suport de vibracions, una cambra de buit tèrmic i una cambra per provar la compatibilitat electromagnètica … De fet, només necessitem producció de tercers per a components individuals, per exemple, plaques de circuits impresos. Els col·laboradors de l'Institut de Recerca en Tecnologia Electrònica i Informàtica (NIITSEVT) i diverses empreses comercials ens ajuden a això.
Abans, és clar, els nostres instruments tenien una gran quantitat, aproximadament el 80%, de components importats. Ara bé, ara els nous dispositius que produïm estan gairebé completament muntats a partir de components domèstics. Crec que en un futur proper no hi haurà més del 25% de les importacions, i en el futur podrem dependre encara menys dels socis estrangers.
Puc dir que la microelectrònica domèstica ha fet un veritable salt endavant en els darrers anys. Fa vuit anys, al nostre país, no es produïen en absolut cap placa electrònica adequada per a les nostres tasques. Ara hi ha les empreses Zelenograd "Angstrem", "Elvis" i "Milandr", hi ha el Voronezh NIIET: l'elecció és suficient. Ens va ser més fàcil respirar.
El més ofensiu és la absoluta dependència dels fabricants de cristalls de centelleig per als nostres detectors. Que jo sàpiga, s’està intentant cultivar-los en un dels instituts de Chernogolovka, prop de Moscou, però encara no han aconseguit les dimensions i els volums necessaris d’un cristall superpur. Per tant, en aquest sentit, encara hem de confiar en els socis europeus, més precisament, en la preocupació de Saint-Gobain. No obstant això, en aquest mercat la preocupació és un monopolista complet, per tant, tot el món roman en una posició dependent.
