Я есть грунт: история добычи инопланетных пород

28 декабря 2023, 20:15

С момента первого полёта человека в космос учёные (и не только) мечтали добраться до других планет и исследовать их. И если пока человек побывал только Луне, то автоматические аппараты смогли сделать намного больше. Они отобрали ценнейшие образцы и привезли их на землю, и теперь мы можем прикоснуться к ним своими руками. А зачем всё это нужно?

Я есть грунт: история добычи инопланетных пород — © Ferra.ru

Что изучаем?

Для начала стоит определиться с тем, что такое реголит (потому что добывают именно его). Если кратко, то это слой разных мелких материалов, который покрывает поверхности планет, спутников и астероидов. В этом слое можно найти обломки, песчинки, минералы, и даже пылинки.

У нас на Земле реголит — это верхний слой земной коры, на котором растут растения и живут различные организмы. Но в последнее время этот термин чаще применяется для лунного грунта или какого-либо другого, инопланетного (или астероидного).

Луна

Почти полвека назад, когда на Луну летали астронавты программы Apollo, им пришлось использовать разнообразные геологические инструменты. Совочки с телескопическими ручками и буровые устройства — всё было создано специально для работы на поверхности спутника Земли.

США

Первые образцы лунного реголита были собраны во время миссии Apollo 11. Астронавты Армстронг и Олдрин, при всех ограничениях своих неудобных скафандров, сумели добыть 21,7 кг образцов. При этом каждый образец нужно было фотографировать и, когда позволяло время, описывать место, откуда он взят (совсем как на Земле).

На следующей миссии (Apollo 12) удалось привезти уже более 35 кг образцов, взятых с использованием более продвинутого инструмента — совков с длинными ручками и ручных буров с диаметром 2 см. Тут Чарльзу Конраду потребовалось по-настоящему постараться — каждый удар молотка углублял шурф всего лишь на сантиметр.

Астронавты Юджин Сернан и Харрисон Шмитт в своей экспедиции (Apollo 17) взяли с собой не только хитроумные совки с захватами и грабли из нержавеющей стали, но и настоящий буровой станок! Этот бур, созданный из титанового сплава, позволял извлекать столбик керна диаметром 2 см с глубины 3 метров.

Всего в ходе этих миссий было собрано более 380 кг реголита разных фракций.

Кстати, всё оборудование американцы бросили на Луне — тащить обратно такую тяжесть обошлось бы слишком дорого.

СССР

Советский Союз также внёс свой вклад в исследование лунных грунтов. Одним из наиболее значимых достижений было успешное выполнение программы «Луна». В рамках этой программы с 1959 по 1976 годы было запущено более 20 миссий к Луне.

В 1959 году миссия «Луна-2» стала первым космическим аппаратом, достигшим спутника. В 1966 году, благодаря миссии «Луна-9», впервые удалось выполнить мягкую посадку на Луне и передать фотографии её поверхности на Землю.

Подлинным триумфом советской космонавтики считается миссия «Луна-16» (сентябрь 1970 года). Аппарат совершил мягкую посадку в районе Моря Изобилия, взял образец лунного грунта (101 грамм) методом ротационного бурения и благополучно вернулся на Землю. Это была первая в истории успешная миссия по добыче образцов реголита в автоматическом режиме.

Через два года, станции «Луна-20» удалось собрать новую партию грунта массой в 55 граммов.

В августе 1976 года устройство для забора образцов станции «Луна-24» добыло три образца реголита с глубин 100, 150 и 190 сантиметров, с общей массой в 170 граммов с поверхности Моря Кризисов.

Анализ результатов этого полёта доказал наличие на Луне воды.

СССР сотрудничал с учёными из США, Франции и Великобритании и делился добытыми веществами. В обмен наши исследователи получили примерно 30 граммов лунного грунта, который привезли астронавты миссий «Аполлон».

Китай

Последний на данный момент лунный грунт доставили на Землю китайцы в рамках миссии «Чанъэ-5». Китайской станции удалось отобрать более килограмма проб лунной породы и почвы с лавового покрова в Океане Бурь.

Ученые-планетологи, анализируя эти образцы лунного базальта, подтвердили, что они являются самыми молодыми среди всех, когда-либо изученных.

В 2022–2023 годах Россия и Китай взаимно передали друг другу по 1,5 грамма образцов лунного грунта, доставленных «Чанъэ-5» и «Луной-16».

Астероиды и не только

В 1999 году NASA отправили в космос миссия Stardust, которая должна была отобрать образцы пыли и газов из кометы Wild 2.

Кометы считаются своеобразными временными капсулами, в которых сохраняются материалы, возможно, с момента образования нашей Солнечной системы.

Stardust

Станция Stardust совершила проход сквозь кому кометы Wild 2, используя аэрогель, призванный собрать образцы пыли и газов.

Кома кометы — это газовая и пылевая оболочка, окружающая ядро кометы при её приближении к Солнцу.

Затем капсула с отделилась от станции и вернулась на Землю в 2006 году, совершив вход в атмосферу на рекордной скорости 12,9 км/с.

При вскрытии капсулы стало ясно, что миссия выполнена успешно — захвачено порядка 30 крупных и мелких частиц кометного вещества. Анализ этих образцов помог учёным раскрыть много загадок химического состава и структуры комет.

Genesis

В 2001 году была запущена миссия Genesis (тоже от NASA) с целью изучения состава солнечного ветра.

Солнечный ветер — это поток заряженных частиц, которые исходят от Солнца. Они несут в себе ключевую информацию о химическом составе нашей звезды и, следовательно, о процессах, происходящих в её ядре.

Аппарат обладал специальными устройствами для отбора частиц солнечного ветра — особые коллекторные решётки. Происходило это во время длительного полёта по орбите вокруг точки Лагранжа L1 системы Земля-Солнце.

К сожалению, при возвращении на Землю в 2004 году парашют не раскрылся и капсула с образцами на высокой скорости врезалась в землю. Почти все образцы были загрязнены (а ведь для их сбора даже двигатели не включали в космосе, чтобы этого самого загрязнения не было).

Но всё-таки капсула полностью не разрушилась и некоторые образцы уцелели, а учёные получили много ценной информации.

Hayabusa

В мае 2003 года японцы отправили аппарат Hayabusa, который добрался до астероида Итокава в сентябре 2005 года.

Основная цель миссии заключалась в сборе образцов поверхностного слоя астероида с помощью специального механизма.

Несмотря на ряд трудностей, включая проблемы с двигателями и сбои в системах, Hayabusa в конечном итоге смог собрать образцы астероида.

Затем предстояло обратный путь на Землю, и в июне 2010 года аппарат успешно вернулся с образцами (весом менее одного грамма).

Hayabusa 2

Позднее в декабре 2014 года полетел Hayabusa 2. Четыре года он летел к астероиду Рюгу и успешно на него сел.

Космический аппарат также был оснащён специальным пробоотборником, который позволил собрать образцы с поверхности астероида. Помимо этого на него нацепили ударный цельнометаллический заряд Small Carry-on Impactor (SCI), состоящий из медного снаряда и заряда взрывчатки.

21 сентября 2018 года на поверхность астероида впервые приземлились два подпрыгивающих ровера, которые сделали свои первые снимки поверхности.

Вслед за ними совершил посадку модуль MASCOT. Он проработал на астероиде более 17 часов, за это время модуль три раза менял свое местоположение, успешно выполнил запланированные исследования состава грунта и свойств астероида и передал данные на орбитальный аппарат.

22 февраля 2019 года зонд Hayabusa 2 совершил успешную посадку на относительно ровной шестиметровой поверхности 900-метрового астероида. После того как были взяты образцы грунта (путем выстрела стержнем из тантала и сбора осколков), Hayabusa 2 снова отправился на околоастероидную орбиту.

Дважды поверхность астероида обстреливали с Hayabusa 2: сначала стержнем из тантала, а затем медной болванкой с зарядом взрывчатки. И сам модуль также два раза садился на Рюгу, собирал получившиеся осколки и после этого взлетал.

И вот, в 2020 году Hayabusa 2 успешно вернулся на Землю, привезя с собой уже 5.4 грамма ценных образцов.

OSIRIS-REx

Ещё совсем недавно успешно завершилась миссия по сбору образцов OSIRIS-REx, который изучал астероид Бенну.

OSIRIS-REx использовал сложные методы аэрокосмической навигации, чтобы подойти к Бенну и выполнить мягкую посадку на его поверхность. После этого аппарат собрал образцы реголита астероида с помощью специального механизма TAGSAM (Touch-and-Go Sample Acquisition Mechanism).

Пролетая мимо Земли 24 сентября 2023, зонд сбросил капсулу с высоты примерно 102 тысяч километров, которая мягко приземлилась на парашютах. По предварительным оценкам собрали более чем 60 г реголита. Промежуточные результаты хотят озвучить уже в середине октября.

Теперь OSIRIS-REx полетел к астероиду Апофис. Новая фаза миссии получила название OSIRIS-APEX.

Марс

Также прямо сейчас на Марсе трудится ровер Perseverance, который в том числе бурит марсианскую поверхность и отбирает образцы. Для их возвращения NASA и ESA разработали специальную миссию — NASA-ESA Mars Sample Return, которая станет их флагманом в 2033 году.

Образцы помещают в специальные титановые цилиндры, которые будут ждать своего времени в специальном тайнике. Предполагается, что за ними туда полетит отдельный аппарат, который затем и доставит всё это на Землю.

Состоять он будет из орбитального аппарата и посадочного модуля с подвижным ровером, который будет собирать образцы, набуренные Perseveranc’ом. Даже были планы по использованию вертолёта, чтобы он также перевозил цилиндры с пробами.

После сбора цилиндров небольшая ракета под названием «Mars Ascent Vehicle» (MAV) поднимет груз на орбиту, где его захватит орбитальный аппарат.

Эта миссия всё ещё находится на стадии разработки и по состоянию на август 2023 года сталкивалась со значительным перерасходом средств. Компоненты спускаемого аппарата для извлечения образцов находятся на стадии тестирования на Земле.

Права на собственность и к чему всё это

Ладно, это всё очень здорово, но кому всё это космическое богатство принадлежит? На самом деле, существуют международные договоренности о том, что грунты с других планет не являются собственностью какой-то конкретной страны.

Они считаются общим достоянием всего человечества. Это, конечно, важно, чтобы никто не мог монополизировать исследования в космосе.

А что в этих грунтах такого ценного? Ну, во-первых, они могут содержать информацию о процессах, происходящих на разных космических объектах. Например, анализ минералов позволяет узнать о составе грунта и его истории.

К тому же, в некоторых образцах могут скрываться следы органических соединений, что может намекать на возможность существования жизни в прошлом или настоящем.

Кроме того, минералы и элементы, которые встречаются в породах, могут иметь огромное значение для нашей цивилизации в целом.

Например, редкоземельные металлы, которые могут содержаться в астероидах или лунном грунте, используются в производстве электроники, магнитов и других современных технологий.

Ещё одна увлекательная перспектива — добыча ресурсов прямо в космосе. Вместо того чтобы всё время отправлять грузы с Земли, мы можем использовать ресурсы с других планет в качестве сырья для строительства и производства на космических станциях.

Но пока что это слишком дорогое удовольствие, но в перспективе позволит значительно сократить расходы и сделает космические исследования более эффективными.