Вгрызание в Красную планету

Зонд InSight стартовал с Земли в мае прошлого года и в ноябре совершил успешную посадку на Марс в районе нагорья Элизий (Elysium Planitia). До InSight посадочные модули Phoenix и Viking-1 смогли пробурить отверстия глубиной лишь 18 и 22 сантиметра соответственно. Но ученые уже столкнулись с трудностями. Для посадки было выбрано место, где на поверхности практически нет камней, но это, похоже, не помогло. За четыре часа аппарат продвинулся вглубь на 40 сантиметров, после чего бур наткнулся на препятствие — крупный камень или какую-то другую плотную породу. Сейчас инженеры рассчитывают, каким способом продолжать миссию: начать бурить новую скважину либо попробовать сдвинуть камень.

Бурение ведется с помощью устройства Heat Flow and Physical Properties Package («Набор изучения теплового потока и физических свойств», HP3). HP3 представляет собой научный инструмент, предназначенный для измерения теплового потока под поверхностью Марса. Благодаря данным, собранным этим аппаратом, ученые смогут лучше разобраться в том, как сформировалась Красная планета.

Если HP3 выйдет на заданную глубину, в созданную им дыру будет помещено устройство под неофициальным названием «крот», разработанное в Германском центре авиации и космонавтики (DLR). Оно представляет собой 40-сантиметровый зонд заостренной формы с отбойным механизмом, питание на который будет подаваться по кабелю, подключенному к посадочному модулю.

Пока интегрированные в кабель датчики будут проводить замеры температуры, «крот» будет заниматься измерением тепловых потоков. Находясь под поверхностью, инструменты окажутся изолированными от воздействия внешних температурных флуктуаций, вызываемых сменой времени суток или сезонными изменениями.

«Наш зонд создан для замера температурных показателей под поверхностью Марса. Температурные изменения на поверхности, связанные с сезонными переходами и сменой циклов дня и ночи, могут приводить к “шуму” в наших данных, поэтому мы хотим опуститься как можно глубже», — рассказала заместитель руководителя миссии InSight Сью Смрекар.

Проводить бурение планируется постепенно, шаг за шагом углубляясь по 50 сантиметров под поверхность. После каждой фазы бурения планируется брать двухдневный перерыв, чтобы создающееся в результате трения бура о породу тепло успевало полностью рассеяться, не создавая дополнительный тепловой «шум». Затем в лунке в течение 24 часов будет искусственно удерживаться температура 10 °C и проводиться измерения теплопроводности планеты.

Нагрев внутри лунки замеряется специальным датчиком, интегрированным в буровую установку. Во внешнюю оболочку ударного механизма встроена специальная металлическая пластинка. При нагреве среды и бура нагревается и сама пластинка. Считывание показаний с этой пластинки позволяет определить уровень тепловых потоков недр Марса. В дополнение к этому у самого посадочного модуля InSight имеется радиометр, с помощью которого аппарат проводит измерения изменений температуры на поверхности Красной планеты. Варьироваться она может в диапазоне от нескольких градусов выше нуля до −100 °C.

Команда миссии считала, что устройство сможет отодвинуть мелкие камни в сторону либо обогнуть их. Но на первой же фазе бурения оно с этой задачей не справилось.

Установки для бурения грунта внеземных объектов, основанные на его механическом разрушении режущими или ударными инструментами, впервые были разработаны в 60–70-х годах прошлого века. В частности, механическое бурение лунного грунта советской станцией «Луна-24» было произведено на глубину до 2,25 м в 1976 году.

Между тем такой способ совершенно не подходит для поиска воды на других планетах. При механическом бурении сильно нагревается грунт (на 200 °C и выше). В космических условиях это приведет к мгновенному испарению воды и льда. Ведь на Луне, например, атмосфера полностью отсутствует, а на Марсе ее плотность более чем в тысячу раз меньше по сравнению с земной. Как следствие, при бурении механическими способами обнаружение воды становится невозможным.

Однако испарения можно избежать при помощи ультразвука. Ультразвуковое бурение по сравнению с механическими способами гораздо меньше нагревает вещество грунта (не более чем на 50 °C) и, следовательно, повышает вероятность обнаружения воды вне Земли. Стоит также отметить, что этот способ значительно превышает другие по скорости.

Бурение ультразвуком для исследования других планет собираются опробовать российские ученые. Алтайский государственный технический университет вошел в китайскую лунную программу, и, как сообщили в отделе общественных связей АлтГТУ, в течение двух лет ученые совместно с коллегами из Харбинского политехнического университета будут вести исследование и разработку физических принципов ультразвукового бурения поверхности внеземных объектов и планет для обнаружения воды и льда.

Устройство под неофициальным названием «крот», разработанное в Германском центре авиации и космонавтики (DLR). Оно представляет собой 40-сантиметровый зонд заостренной формы с отбойным механизмом, питание на который будет подаваться по кабелю, подключенному к посадочному модулю

DLR

Руководитель проекта с российской стороны — доктор технических наук, профессор кафедры методов и средств измерений и автоматизации Бийского технологического института (филиал АлтГТУ) Владимир Хмелев рассказал, что вузу предоставили грант в размере 1,3 млн рублей в год.

«Принцип работы ультразвуковой установки заключается в контактном воздействии колеблющегося металлического инструмента (с частотой колебаний 20–25 кГц) на поверхность грунта, — разъяснил “Стимулу” Владимир Хмелев. — За счет высокочастотных акустических колебаний в материале образуются микротрещины и происходит отделение забираемого образца от грунта или полное разрушение грунта для проведения анализов. Наивысшая производительность бурения и забора грунта достигается при сочетании ультразвукового воздействия с вращением и ударами колеблющегося инструмента по поверхности грунта».

Авторы проекта планируют определить оптимальные режимы ультразвукового бурения для максимальной сохранности воды и льда. Результатом станут научные основы для создания устройств с помощью этого метода.

Российско-китайские исследования в этом направлении — одна из перспектив развития лунной и марсианской программ: найти воду, чтобы можно было построить на Луне станцию, где будут жить люди. По словам Владимира Хмелева, косвенные исследования показали, что на обратной стороне Луны в кратерах глубиной до 10 км близко к поверхности находится вода. Ультразвуковое оборудование в перспективе может быть установлено на луноходах и марсоходах. Исследования ведутся с 2010 года совместно с Институтом космических исследований РАН.

«К сожалению, в нашей стране в ближайшее время не планируют полеты на обратную сторону Луны для изучения грунта. Китайское государство намечает такие работы: в декабре прошлого года они отправили первый аппарат на обратную сторону Луны, посадив его в кратере, начали проводить предварительные исследования, а в последующие годы они планируют проведение работ, уже связанных с бурением. Поэтому мы и собираемся работать совместно с Харбинским университетом, который участвует в лунной программе китайского государства», — пояснил ученый.