Russos em Marte

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A descoberta de água em Marte e na Lua por sondas europeias e americanas é principalmente um mérito de cientistas russos

Por trás dos relatórios regulares de mais e mais novas descobertas feitas por missões europeias e americanas, escapa à atenção do público que muitas dessas descobertas foram feitas graças ao trabalho de cientistas, engenheiros e designers russos. Entre essas descobertas, pode-se destacar especialmente a detecção de vestígios de água nos corpos celestes mais próximos de nós e, ao que parecia, completamente secos - a Lua e Marte. Foram os detectores de nêutrons russos, trabalhando em dispositivos estrangeiros, que ajudaram a encontrar água aqui e, no futuro, ajudarão a prover expedições tripuladas. Maxim Mokrousov, chefe do Laboratório de Dispositivos de Física Nuclear do Instituto de Pesquisa Espacial (IKI), RAS, disse ao planeta russo porque as agências espaciais ocidentais preferem os detectores de nêutrons russos.

- Nave espacial - orbitando, pousando e rovers - carregam conjuntos inteiros de instrumentos: espectrômetros, altímetros, cromatógrafos de gás, etc. Por que os detectores de nêutrons em muitos deles são russos? Qual é a razão para isto?

- Isso se deve à vitória de nossos projetos nos editais, que são realizados pelos organizadores dessas missões. Como nossos concorrentes, apresentamos uma oferta e tentamos provar que nosso dispositivo é ideal para o dispositivo em questão. E agora, várias vezes, tivemos sucesso.

Nosso rival usual em tais competições é o Laboratório Nacional de Los Alamos, o mesmo onde o Projeto Manhattan foi implementado e a primeira bomba atômica foi criada. Mas, por exemplo, nosso laboratório foi especialmente convidado a fazer um detector de nêutrons para o rover MSL (Curiosity), tendo aprendido sobre a nova tecnologia que tínhamos. Criado para o rover americano, o DAN se tornou o primeiro detector de nêutrons com geração de partículas ativas. Na verdade, consiste em duas partes - o próprio detector e o gerador, no qual elétrons acelerados a velocidades muito altas atingem o alvo de trítio e, de fato, ocorre uma reação termonuclear completa, embora em miniatura, com a liberação de nêutrons.

Os americanos não sabem fazer tais geradores, mas eles foram criados por nossos colegas do Instituto de Pesquisa de Automação de Moscou em homenagem a Dukhov. Nos tempos soviéticos, era um centro importante onde fusíveis para ogivas nucleares foram desenvolvidos e hoje parte de seus produtos são para fins comerciais civis. Em geral, esses detectores com geradores são usados, por exemplo, na exploração de reservas de petróleo - essa tecnologia é chamada de registro de nêutrons. Nós apenas pegamos essa abordagem e a usamos para o rover; até agora ninguém fez isso.

DAN detector de nêutrons ativos

Uso: Mars Science Laboratory / Curiosity (NASA) rover, de 2012 até o presente. Peso: 2,1 kg (detector de nêutrons), 2,6 kg (gerador de nêutrons). Consumo de energia: 4,5 W (detector), 13 W (gerador). Principais resultados: detecção de água presa no solo a uma profundidade de 1 m ao longo da rota do rover.

Maxim Mokrousov: “Ao longo de quase todo o caminho de 10 quilômetros percorrido pelo rover, a água nas camadas superiores do solo costumava ser encontrada de 2 a 5%. No entanto, em maio deste ano, ele encontrou uma área em que há muito mais água ou alguns produtos químicos incomuns estão presentes. O rover foi implantado e retornou a um local suspeito. Como resultado, descobriu-se que o solo lá é realmente incomum para Marte e consiste principalmente de óxido de silício."

- Com a geração, tudo fica mais ou menos claro. E como ocorre a própria detecção de nêutrons?

- Detectamos nêutrons de baixa energia com contadores proporcionais baseados em hélio-3 - eles funcionam em DAN, LEND, MGNS e todos os nossos outros dispositivos. Um nêutron preso em hélio-3 "quebra" seu núcleo em duas partículas, que são então aceleradas em um campo magnético, criando uma reação de avalanche e, na saída, um pulso de corrente (elétrons).

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Maxim Mokrousov e Sergey Kapitsa. Foto: do arquivo pessoal

Nêutrons de alta energia são detectados no cintilador pelos flashes que eles criam quando o atingem - geralmente plástico orgânico, como estilbeno. Bem, os raios gama podem detectar cristais à base de lantânio e bromo. Ao mesmo tempo, cristais ainda mais eficientes à base de cério e bromo apareceram recentemente. Nós os usamos em um de nossos detectores mais recentes, que voará para Mercúrio no próximo ano.

- E, no entanto, por que os espectrógrafos ocidentais são escolhidos exatamente nas mesmas competições abertas das agências espaciais ocidentais, outros instrumentos também são ocidentais e os detectores de nêutrons são sempre russos?

- De um modo geral, tudo gira em torno da física nuclear: nessa área, continuamos sendo um dos países líderes do mundo. Não se trata apenas de armas, mas também da massa de tecnologias relacionadas nas quais nossos cientistas estão envolvidos. Mesmo durante a era soviética, conseguimos fazer aqui um trabalho de base tão bom que mesmo na década de 1990 não foi possível perder tudo por completo, mas hoje estamos novamente acelerando o ritmo.

Deve ser entendido que as próprias agências ocidentais não pagam um centavo por esses nossos dispositivos. Todos eles são feitos com o dinheiro da Roscosmos, como nossa contribuição para as missões estrangeiras. Em troca, recebemos um alto status de participantes em projetos de exploração espacial internacional e, além disso, acesso direto e prioritário aos dados científicos que nossos instrumentos coletam.

Transmitimos esses resultados após o processamento, portanto, somos legitimamente considerados co-autores de todas as descobertas que foram feitas graças aos nossos dispositivos. Portanto, todos os eventos de alto perfil com a detecção da presença de água em Marte e na Lua são, senão inteiramente, em muitos aspectos nosso resultado.

Podemos mais uma vez nos lembrar de um de nossos primeiros detectores, o HEND, que ainda está operando a bordo da sonda American Mars Odyssey. Foi graças a ele que um mapa do conteúdo de hidrogênio nas camadas superficiais do Planeta Vermelho foi compilado pela primeira vez.

Espectrômetro de nêutrons HEND

Uso: nave espacial Mars Odyssey (NASA), de 2001 até o presente. Peso: 3,7 kg. Consumo de energia: 5,7 W. Principais resultados: mapas de alta latitude da distribuição do gelo de água no norte e sul de Marte com uma resolução de cerca de 300 km, observação de mudanças sazonais nas calotas circumpolares.

Maxim Mokrousov: “Sem falsa modéstia, posso dizer que no Mars Odyssey, que em breve estará em órbita por 15 anos, quase todos os instrumentos já começaram a funcionar mal, e apenas o nosso continua a funcionar sem problemas. Ele funciona em conjunto com um detector gama, efetivamente representando um único instrumento com ele, cobrindo uma ampla gama de energias de partículas."

- Já que estamos falando de resultados, que tipo de tarefas científicas são realizadas por tais dispositivos?

- Os nêutrons são as partículas mais sensíveis ao hidrogênio e, se seus átomos estiverem presentes em qualquer parte do solo, os nêutrons são efetivamente inibidos por seus núcleos. Na Lua ou em Marte, eles podem ser criados por raios cósmicos galácticos ou emitidos por um canhão de nêutrons especial, e realmente medimos os nêutrons refletidos pelo solo: quanto menos há, mais hidrogênio.

Bem, o hidrogênio, por sua vez, é mais provavelmente água, seja em uma forma congelada relativamente pura, ou ligada à composição de minerais hidratados. A cadeia é simples: nêutrons - hidrogênio - água, portanto a principal tarefa de nossos detectores de nêutrons é justamente a busca por reservas de água.

Somos pessoas práticas, e todo esse trabalho é feito para futuras missões tripuladas à mesma Lua ou Marte, para seu desenvolvimento. Se você pousar neles, a água, é claro, é o recurso mais significativo que precisará ser entregue ou extraído localmente. A eletricidade pode ser obtida de painéis solares ou fontes nucleares. Água é mais difícil: por exemplo, a principal carga que os cargueiros hoje devem entregar à ISS é água. Cada vez que eles levam 2–2,5 toneladas.

LEND detector de nêutrons

Uso: nave espacial Lunar Reconnaissance Orbiter (NASA), de 2009 até o presente. Peso: 26,3 kg. Consumo de energia: 13W Principais resultados: descoberta de potenciais reservas de água no Pólo Sul da Lua; construção de um mapa global da radiação de nêutrons da Lua com uma resolução espacial de 5–10 km.

Maxim Mokrousov: “Em LEND já usamos um colimador à base de boro-10 e polietileno, que bloqueia nêutrons nas laterais do campo de visão do dispositivo. Mais do que duplicou a massa do detector, mas permitiu obter uma maior resolução ao observar a superfície lunar - penso que esta foi a principal vantagem do aparelho, que nos permitiu voltar a contornar os nossos colegas de Los Alamos.”

- Quantos desses dispositivos já foram feitos? E quanto está planejado?

- São fáceis de listar: já estão operando HAND no Mars Odyssey e LEND no lunar LRO, DAN no rover Curiosity, bem como BTN-M1 instalado na ISS. Vale a pena acrescentar a isso o detector NS-HEND, que estava incluído na sonda russa "Phobos-Grunt" e, infelizmente, se perdeu junto com ela. Agora, em diferentes estágios de prontidão, temos mais quatro desses dispositivos.

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BTN-M1. Foto: Instituto de Pesquisas Espaciais RAS

O primeiro deles - no próximo verão - voará no detector FREND, que fará parte da missão conjunta com os ExoMars da UE. Esta missão é em grande escala, irá incluir um orbitador, um módulo de pouso e um pequeno rover, que será lançado separadamente durante 2016-2018. FREND estará trabalhando em uma sonda orbital, e nela usamos o mesmo colimador do LEND lunar para medir o conteúdo de água em Marte com a mesma precisão com que foi feito para a Lua. Nesse ínterim, temos esses dados para Marte apenas em uma aproximação um tanto grosseira.

O espectrômetro de gama e nêutrons Mercurian (MGNS), que operará na sonda BepiColombo, está pronto há muito tempo e foi entregue aos nossos parceiros europeus. A previsão é que o lançamento aconteça em 2017, enquanto os últimos testes de vácuo térmico do instrumento já estão em andamento como parte da espaçonave.

Também estamos preparando instrumentos para missões russas - são dois detectores ADRON, que vão operar como parte dos veículos de descida Luna-Glob, e depois Luna-Resurs. Além disso, o detector BTN-M2 está em operação. Ele não apenas fará observações a bordo da ISS, mas também tornará possível trabalhar vários métodos e materiais para a proteção eficaz dos astronautas do componente de nêutrons da radiação cósmica.

Detector de nêutrons BTN-M1

Utilização: Estação Espacial Internacional (Roscosmos, NASA, ESA, JAXA, etc.), desde 2007. Peso: 9,8 kg. Consumo de energia: 12,3 W Os principais resultados: mapas de fluxos de nêutrons nas proximidades da ISS foram construídos, a situação da radiação na estação foi avaliada em relação à atividade do Sol, um experimento estava sendo conduzido para registrar explosões de raios gama cósmicos.

Maxim Mokrousov: “Tendo nos envolvido neste projeto, ficamos bastante surpresos: afinal, na verdade, diferentes formas de radiação são diferentes partículas, incluindo elétrons e prótons e nêutrons. Ao mesmo tempo, descobriu-se que o componente de nêutron do perigo de radiação ainda não foi medido adequadamente, e esta é uma forma particularmente perigosa, porque os nêutrons são extremamente difíceis de rastrear usando métodos convencionais."

- Até que ponto esses dispositivos podem ser chamados de russos? A participação de elementos e partes da produção doméstica é alta neles?

- Uma produção mecânica completa foi estabelecida aqui, no IKI RAS. Também temos todas as instalações de teste necessárias: um suporte de choque, um suporte de vibração, uma câmara de vácuo térmica e uma câmara para teste de compatibilidade eletromagnética … Na verdade, só precisamos de produção de terceiros para componentes individuais - por exemplo, placas de circuito impresso. Parceiros do Instituto de Pesquisa em Tecnologia Eletrônica e de Computação (NIITSEVT) e uma série de empresas comerciais nos ajudam nisso.

Antes, é claro, nossos instrumentos tinham muitos, cerca de 80%, de componentes importados. No entanto, agora os novos dispositivos que produzimos são quase totalmente montados com componentes domésticos. Acho que no futuro próximo não haverá mais do que 25% das importações neles, e no futuro poderemos depender ainda menos de parceiros estrangeiros.

Posso dizer que a microeletrônica doméstica deu um salto real nos últimos anos. Oito anos atrás, em nosso país, não eram produzidas placas eletrônicas adequadas para nossas tarefas. Agora, existem as empresas de Zelenograd "Angstrem", "Elvis" e "Milandr", existe a NIIET de Voronezh - a escolha é suficiente. Ficou mais fácil respirar.

O mais ofensivo é a dependência absoluta dos fabricantes de cristais cintiladores para nossos detectores. Pelo que eu sei, tentativas estão sendo feitas para cultivá-los em um dos institutos de Chernogolovka perto de Moscou, mas eles ainda não conseguiram atingir as dimensões e volumes exigidos de um cristal superpuro. Portanto, a este respeito, ainda temos de contar com os parceiros europeus, mais precisamente, com a preocupação da Saint-Gobain. No entanto, neste mercado a empresa é um monopolista completo, portanto o mundo inteiro permanece em uma posição dependente.

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