Тренировочный лагерь для марсоходов

 

Область интересов Пабло — исследование поверхности планет с помощью управляемых аппаратов, а также изучение земных ландшафтов, наиболее сходных с внеземными. В 2008 г. Пабло окончил аспирантуру по физике в университете г. Вальядолид (Испания), имея на тот момент опыт работы более чем в 20 проектах, посвященных разработке методов исследования поверхности планет Солнечной системы. За последние десять лет Пабло провел более 2 000 рабочих часов в полевых условиях, в том числе в арктических и пустынных ландшафтах, где участвовал в испытании прототипов оборудования, предназначенного для исследования других планет. В июне прошлого года при поддержке Российского научного фонда в новосибирском Академгородке проходила международная конференция «GeoRAMAN-2016», посвященная использованию рамановской спектроскопии в науках о Земле и смежных дисциплинах. Пабло, наряду с другими представителями Американского (NASA) и Европейского (ESA) космических агентств, участвовал в секции «Рамановская спектроскопия и космические исследования».

 

— Когда я был маленьким, то, как и все дети, мечтал стать астронавтом. Но из-за моего высокого роста астронавт из меня вряд ли бы получился, однако свой вклад в исследование космоса я успешно вношу, занимаясь методами исследования поверхности других планет. Для меня это глубоко философская вещь — осознавать, что перед нами бескрайняя Вселенная, ждущая своих исследователей, и чувствовать свою принадлежность к их числу, даже если я исследую ее руками роботов, управляя ими с Земли. Я работаю одновременно в двух областях, которые очень хорошо дополняют друг друга. С одной стороны, участвую в подготовке космических экспедиций по исследованию Марса и других планет. С другой — изучаю места с «экстремальными» (малопригодными для жизни) условиями на поверхности нашей планеты: в Арктике, Антарктиде, в пустынях и на вулканах. Везде, где можно найти скрытые формы жизни, приспособившиеся к самым суровым условиям, мы на практике тестируем оборудование, предназначенное для поисков следов внеземной жизни. Хоть до сих пор и неизвестно, существует ли жизнь на других планетах, и если да, то в каких формах, ясно, что она должна быть адаптирована к экстремальным условиям. Достаточно представить себе условия на поверхности Марса, чтобы понять, насколько они отличаются от той «тепличной» окружающей среды, к которой мы привыкли на Земле. Одно из мест, где мне приходилось работать, например, — архипелаг Шпицберген. Там мы тестировали научные приборы, которыми экипируются марсоходы: рентгеновский спектрометр-дифрактометр CheMin (успешно функционирует на марсоходе Curiosity), рамановский спектрометр RLS и георадар WISDOM (будут установлены на марсоходе «Экзомарс» — ExoMars) и многие другие.

 

Ежегодная экспедиция «Шпицберген — арктический аналог Марса» (AMASE) — совместный проект Американского (NASA) и Европейского (ESA) космических агентств по тестированию оборудования для марсоходов в условиях, приближенных к марсианским. 

 

— В ходе таких испытаний мы обучаем наших специалистов методике исследования поверхности планеты управляемым аппаратом, которой они должны овладеть в совершенстве, прежде чем взяться за управление настоящим марсоходом. Также мы объясняем им, каким образом интерпретировать полученные данные — можем, например, попросить команду, находящуюся в Америке, Европе или даже Австралии определить природу объектов с полигона на основании переданных им фотографий и показаний приборов. Иногда люди с трудом верят полученным результатам. Так, в Арктике, демонстрируя возможности рамановской спектроскопии для обнаружения следов жизни, мы сняли спектры с поверхности камня и с небольшой трещины в нем. Известно, что в условиях арктического климата микроорганизмам сложно развиваться на незащищенной поверхности, и они предпочитают селиться в таких укрытиях. Соответственно, спектр, снятый с трещины, дал сигнал, интерпретируемый как «здесь есть жизнь» (если бы мы обнаружили такой сигнал на Марсе, это было бы значимым результатом). Однако наша команда не могла поверить, что это может быть так просто, до тех пор, пока я не пошел на кухню и не снял спектры с таким же сигналом с помидора и кочана капусты. Возможность такой верификации данных крайне важна при исследовании планет, когда при обработке поступающих сигналов часто приходится сталкиваться с неожиданным результатом. Даже в случае Марса, о котором, казалось бы, известно немало, каждая управляемая экспедиция ежедневно приносит нам новые сюрпризы, и мы в свою очередь должны быть готовы быстро среагировать на них. В случае с помидором и капустой верификация неожиданных данных была несложной, однако в реальности это часто требует быстрого вовлечения большого числа специалистов и дополнительных экспериментов только для того, чтобы данные экспедиции обрели научную значимость.

 

 

На поверхности других планет нас интересует три вещи: геохимия (элементный и изотопный состав), минералогия (минералы и сложенные ими горные породы), а также наличие следов внеземной жизни. Одним из наиболее универсальных методов исследования вещества при этом является рамановская спектроскопия, ранее в основном применявшаяся для идентификации минералов, но сейчас успешно адаптированная и для поиска биомаркеров (характерных следов жизнедеятельности организмов). Важным для комических исследований достоинством этого метода является техническая простота и компактность рамановского спектрометра в сравнении, например, с громоздким прибором для рентгеновской дифракции, функционирующим сейчас на марсоходе Curiosity.

 

Рамановская спектроскопия (спектроскопия комбинационного рассеяния) — метод исследования вещества на основании спектра рассеянного им лазерного излучения. Рамановская спектроскопия широко применяется для диагностики минералов, но наиболее перспективное ее применение при исследовании планет — поиск следов жизни. Это возможно благодаря высокой чувствительности метода к присутствию соединений класса каротиноидов, являющихся продуктом жизнедеятельности многих бактерий, грибов, водорослей и других организмов.

 

 

На 2020 год планируется отправка на Марс двух марсоходов: российско-европейского «Экзомарса» (англ. ExoMars) и американского «Марс-2020» (англ. Mars 2020 Rover Mission). «Экзомарс» будет экипирован камерами, рамановским и инфракрасными спектрометрами для идентификации минералов и поиска биомаркеров, а также георадаром для подземных исследований и анализатором органических молекул. Американский марсоход оснастят двумя рамановскими спектрометрами, адаптированными соответственно для поиска органических молекул и идентификации минералов, а также мощным инструментом для анализа химического состава горных пород — лазерно-искровым эмиссионным спектрометром. Помимо поиска следов внеземной жизни, задачей «Марс-2020» будет отбор проб с сохранением их в герметичных контейнерах для отправки на Землю в ходе последующих экспедиций.

 

Готовящиеся к запуску марсоходы:

1) «Экзомарс» (Роскосмос и Европейское космическое агентство, 2020 г.). Основная цель: поиск следов жизнедеятельности древних или современных организмов.

Научное оборудование:

— инфракрасный спектрометр ISEM для наблюдения участков марсианского грунта в инфракрасном диапазоне (будет установлен на подвижной мачте марсохода вместе с видеокамерами). Позволит идентифицировать минералы на поверхности Марса, в том числе содержащие связанную воду. Прибор разработан в Институте космических исследований РАН (Москва);

— георадар WISDOM для исследования структуры грунта на глубине до трех метров с помощью электромагнитных импульсов;

— нейтронный спектрометр ADRON. Наблюдая рассеяние нейтронов грунтом, нейтронный спектрометр сможет определить наличие подземных вод и льдов. Прибор также разработан в Институте космических исследований РАН;

— двухметровый бур для отбора образцов с глубины, снабженный встроенным спектрометром Ma_MISS для анализа минералов в стенках скважины;

— инфракрасный спектрометр MicrOmega для микроанализа проб марсианского грунта. Способен получать спектр и идентифицировать минеральный состав в точке размером 0,02 мм;

— рамановский спектрометр RLS. Облучая образец лазером и фиксируя спектр рассеянного излучения, рамановский спектрометр будет выполнять две задачи: наиболее достоверно определять минеральный состав образца и выявлять наличие в нем биомаркеров (каротиноидов), свидетельствующих о жизнедеятельности организмов на поверхности Марса;

— анализатор органических молекул MOMA — установка для выделения из пробы марсианского грунта органических молекул (путем нагрева или воздействия лазера), их разделения методом газовой хроматографии и идентификации методом масс-спектроскопии.

2) «Марс-2020» (Американское космическое агентство). Основная цель: поиск следов жизнедеятельности древних или современных организмов. 

Научное оборудование:

— рентгенфлюоресцентный спектрометр PIXL. Сканируя образец рентгеновским пучком диаметром 0,12 мм и фиксируя ответное «свечение» в рентгеновском диапазоне, спектрометр позволит определять содержание в образце 26 элементов и их пространственное распределение;

— георадар RIMFAX для исследования структуры грунта на глубине до десяти метров с помощью электромагнитных импульсов;

— комбинированный рамановский и люминесцентный спектрометр с ультрафиолетовым лазером SHERLOC. Основная задача — поиск органических субстанций по характерному свечению в ультрафиолете, также может использоваться для идентификации минералов;

— комбинированный дистанционный зонд SuperCam. Объединяет в себе спектрометр и два лазера (зеленый и инфракрасный). Мощный импульс инфракрасного лазера, фокусируясь на образце на расстоянии до семи метров, переводит часть атомов с поверхности в состояние плазмы, спектр свечения которой фиксируется спектрометром и позволяет оценить элементный состав. Фокусируя на образце зеленый лазер, прибор может также фиксировать рамановский спектр и спектр флюоресценции для идентификации минералов;

— экспериментальная установка MOXIE для получения кислорода из марсианской атмосферы: путем электролиза при температуре 800 °С будет разлагать углекислый газ на кислород и угарный газ с целью отработки данной технологии.

 

 

— Что касается пилотируемых экспедиций, то, по моим сведениям, сейчас NASA уделяет больше внимания проектам высадки человека не на Марс, а на астероиды. Интерес к последним объясняется возможным наличием в них полезных ископаемых (редкоземельных и благородных металлов), а также присутствием на поверхности некоторых из них заметного количества воды (в виде льда). Таким образом, на примере астероидов планируется отработать технологии добычи ресурсов в космосе, и здесь люди имеют большое преимущество перед роботами, поскольку могут принимать решения в условиях новой задачи, а также быстрее и эффективнее совершать многие действия. С другой стороны, люди, конечно, гораздо более требовательны в отношении жизнеобеспечения, чем роботы.

 

Привлекательность астероидов для пилотируемых экспедиций также объясняется небольшими затратами топлива для преодоления гравитации при обратном полете. Напротив, для обратного полета Марс — Земля потребуется доставить на Марс ступени и запас топлива, сравнимые с теми, что используются при запуске с Земли.

 

Следующим шагом, который ставят перед собой NASA и ESA, является создание постоянных баз на Луне и Марсе. Главным требованием для этого является возможность использования местных ресурсов, в первую очередь для жизнеобеспечения. Мы не сможем выращивать растения в марсианской почве, но могли бы, например, использовать гидропонику. Для этого, однако, требуется найти большое количество воды, что опять заставляет задуматься о возможности ее добычи на астероидах.

 

Подготовил Сергей Ращенко, ИГМ СО РАН

 

Фото: Юлии Поздняковой (1), сайты ESA и NASA (остальные)