Российские ученые разработали метод, который позволит эффективнее исследовать лунный грунт, не прилуняясь

Ученые Санкт-Петербургского государственного университета и Московского государственного технического университета гражданской авиации разработали новый метод изучения лунного грунта, который позволяет более эффективно исследовать состав пород на расстоянии. В основе — начатые еще в советское время наработки, пролежавшие «на полке» почти 40 лет. Научная работа опубликована в престижном международном журнале Planetary and Space Science.

Методы дистанционного изучения лунного грунта существуют уже несколько десятков лет. Это так называемые пассивные методы — гамма-спектральный, нейтронно-спектральный и рентгенофлуоресцентный. Все они основаны на исследовании естественно возбуждаемого излучения поверхностных пород Луны с орбиты ее искусственного спутника. И хотя существующие сегодня методы помогли достичь значительных успехов в исследовании лунных пород, все они имеют определенные недостатки.

Основным минусом пассивных методов дистанционного анализа ученые называют низкую интенсивность естественных потоков характеристических излучений лунных пород. Усилить интенсивность, а тем более контролировать эти потоки человек не может. Усовершенствовать эти методы тоже крайне сложно: нельзя ни увеличить пространственное разрешение получаемых результатов — карт состава пород, ни увеличить число определяемых элементов, ни увеличить точность определения их содержания. К примеру, самый популярный — рентгенофлуоресцентный — метод зависит от вспышек на Солнце, которые длятся очень короткое время, а прогнозировать их получается только на три дня вперед.

«Принципиально новые возможности может открыть только переход к применению активных методов дистанционного элементного анализа, основанных на спектрометрии искусственно возбуждаемых в поверхностном слое грунта характеристических излучений породообразующих элементов», — говорит автор исследования, профессор кафедры физической механики математико-механического факультета СПбГУ доктор физико-математических наук Евгений Колесников.

Различные исследования в этом направлении ученый ведет со своей научной группой, а последнюю работу опубликовал совместно с доцентом кафедры электротехники и авиационного электрооборудования МГТУ ГА кандидатом физико-математических наук Александром Зеленским (в прошлом — выпускником и аспирантом кафедры физической механики СПбГУ). «В настоящее время результаты проводимых нами исследований снова становятся актуальными в связи с резким усилением активности в изучении естественного спутника Земли. В работах по изучению Луны, наряду с Россией и США, участвуют теперь Европа, Китай, Индия и Япония. Важное место в современных исследованиях, как и в прошлом, принадлежит изучению элементного состава поверхностных пород Луны», — говорит Александр Зеленский.

Метод, разработанный учеными СПбГУ и МГТУ ГА, основан на спектрометрии характеристического рентгеновского излучения (ХРИ) лунных пород. Это излучение исследователи предлагают искусственно возбуждать в поверхностном слое грунта Луны электронным пучком: специальный комплекс аппаратуры создает пучок и направляет его на интересующий участок лунной поверхности, а затем на основе анализа регистрируемого рентгеновского излучения определяет элементный состав пород этого участка. В результате могут быть оперативно созданы подробные карты состава поверхностных пород Луны. Весь процесс должен будет осуществляться на одном космическом аппарате, на окололунной орбите, проходящей на высоте порядка 40 километров над поверхностью Луны.

Выбор оптимального вида характеристического излучения и способа его возбуждения диктуется необходимыми требованиями к параметрам системы: она должна определять содержание в лунных породах интересующих ученых элементов со значительного расстояния и при этом иметь возможность компактно размещаться на лунной орбите. Всем этим требованиям удовлетворяет разработанный учеными метод.

«Основным преимуществом предлагаемой нами системы, по сравнению с другими активными системами дистанционного элементного анализа — например, на основе применения пучков нейтральных атомов водорода, является сравнительно небольшая энергия электронов зондирующего пучка: от нескольких десятков кэВ (для элементов начала периодической таблицы) до сотен кэВ (для элементов середины таблицы). Кроме того, большие величины сечений возбуждения ХРИ позволяют при сравнительно низких уровнях тока зондирующего пучка создать на орбите аппарата-носителя системы потоки характеристического рентгеновского излучения элементов лунных пород с интенсивностью, достаточной для их надежной регистрации на фоне возбуждаемого одновременно с ХРИ тормозного излучения электронов пучка, а также фоновых потоков рентгеновского излучения естественного происхождения», — объясняет Евгений Колесников.

С помощью разработанного учеными метода можно будет составлять более подробные и точные карты поверхностных пород Луны как по легким (магний, алюминий и кремний), так и тяжелым (кальций, титан, железо) основным породообразующим элементам, определять связи форм рельефа с элементным составом, а также состав пород отдельных участков лунной поверхности, представляющих научный интерес. Более эффективное изучение лунной поверхности необходимо не только чтобы обогатить наши знания о ее природе, но и — в перспективе — чтобы построить базы на Луне и приступить к ее промышленному освоению.

Отметим, что изучением возможностей исследования лунного грунта дистанционно — с орбиты Луны — отечественная наука начала заниматься более полувека назад. В 1960–70-е годы это направление успешно развивалось как в СССР, так и в США. В Советском Союзе значительную роль в разработке возможных принципов построения перспективных систем дистанционного исследования лунных пород играл НИИ математики и механики Ленинградского государственного университета. Однако в 1980-е лунные программы были приостановлены и многие начинания в этой области остались на бумаге, а затем отправились в архив.

Сегодня совершенствование методов исследования поверхности Луны снова становится актуальным. Изучением спутника Земли, теперь занимаются не только Россия и США, но и многие другие страны. Разработки 1970–80-х годов, как отмечает Евгений Колесников, идейно не отличаются от предлагаемых учеными СПбГУ и МГТУ ГА сегодня, однако технологии, с помощью которых предлагается реализовать проект, за полвека значительно усовершенствовались. «Можно сказать, что в нашем случае новое — это хорошо забытое старое. В данном исследовании за основу были взяты многолетние наработки лаборатории физической механики НИИ математики и механики СПбГУ, в том числе результаты депонированной в ВИНИТИ рукописной работы 1982 года, написанной мной совместно с А. П. Курышевым, старшим научным сотрудником НИИММ. В той работе мы впервые показали, что этот метод можно использовать на практике», — рассказывает Евгений Колесников.