Космическая лаборатория «Марс патфайндер»

Еще древних астрологов и астрономов завораживала странная, казалось, зловеще красная планета, столь отличная от всех других планет Солнечной системы. Интерес многократно возрос, когда в 1877 году Д.В. Скиапарелли «обнаружил» на Марсе рукотворные «каналы».

Однако интерес ученых Марс вызвал совсем другой причиной. Они считают, что понимание закономерностей эволюции твердой оболочки и глубоких недр Марса, исследование состава и истории атмосферы и гидросферы – ключ к расшифровке законов развития и не только Земли, но и шаг к познанию истории всей Солнечной системы.

Первая автоматическая станция отправилась к Марсу осенью 1962 года. То был советский «Марс-1». Но достигнуть «красной» планеты ей не удалось. С 1965 по 1969 год американские станции «Маринер-4», «Маринер-6», «Маринер-7» передали более двухсот снимков «красной» планеты.

Дорога на поверхность Марса была проложена только в 1971 году. Зато это сделали сразу два аппарата. Сначала советская автоматическая станция «Марс-2» доставила на поверхность Марса капсулу, а спускаемый аппарат следующей советской станции – «Марс-3» – совершил первую мягкую посадку. Одновременно естественные спутники Марса – Фобос и Деймос обрели рукотворных собратьев: обе советские станции вместе с прибывшим к Марсу американским аппаратом «Маринер-9» стали его первыми искусственными спутниками. Они позволили людям впервые подробно рассмотреть Марс с близкого расстояния.

Следующие четыре советские автоматические станции, запущенные в 1973 году, уточнили полученные с орбит данные, а спускаемый аппарат одной из них – «Марса-6» – впервые прощупал атмосферу планеты изнутри. Так совместными усилиями двух стран – Советского Союза и США – был подготовлен очередной этап в исследовании Марса.

Вскоре на Марс опустились два американских аппарата «Викинг». Они передали на Землю цветные фотографии окружающей их местности и провели анализ марсианского грунта, определив его химический состав. Всего «Викинг-1» и «Викинг-2» отправили на Землю более пятидесяти тысяч снимков. Но главным в их программе были поиски жизни. Автоматические исследователи пытались найти на Марсе органические вещества. Тогда удалось проанализировать только пыль, покрывающую поверхность планеты, определить более или менее точно содержание в ней железа, магния, кальция, алюминия, калия, серы и хлора.

Несмотря на то что станции были удалены одна от другой на 6500 километров, результаты анализа совпали. Был сделан вывод, что эта пыль, покрывающая, вероятно, всю поверхность планеты, – продукт выветривания, разрушения и измельчения мафических (основных) пород Марса.

Чтобы добиться лучших результатов, надо было пробиться сквозь слой марсианской пыли и определить химический состав пород, скрытых под ней. Для этого ученые Института космических исследований РАН под руководством Р.З. Сагдеева, Института геохимии и аналитической химии РАН под руководством В.Л. Барсукова и многих других институтов и организаций создали пенетраторы (от английского слова «penetrate» – проникать). Это особые, не взрывающиеся снаряды, внутри которых располагаются приборы для химического анализа. В пенетраторы установили приборы для химического анализа марсианских пород.

Предполагалось доставить пенетраторы к цели автоматическими межпланетными станциями и сбрасывать с определенной высоты так, чтобы они проникли в глубину на несколько метров. Но, прежде чем сбрасывать пенетраторы на Марс, было решено применить их для исследования его спутника Фобоса. Однако в 1989 году советские «Фобос-1» и «Фобос-2» потерялись в космосе. В 1996 году российский «Марс-96» упал на Землю после запуска.

Между тем германским, российским и американским ученым и конструкторам во главе с Е. Ридером из немецкого Макс-Планк-Института химии к тому времени удалось создать настоящее чудо техники для химического анализа на расстоянии в десятки миллионов километров от Земли. Именно такие анализаторы стояли на погибшем корабле «Марс-96». В итоге анализатор установили на американскую межпланетную автоматическую станцию «Марс патфайндер», которая готовилась к запуску на Марс.

Этот полет открывал ранее недоступные возможности. Действительно, марсианские породы в экспедициях «Викинг» анализировались с помощью приборов, установленных на металлической штанге-руке. Можно было сделать анализ только в прямом смысле на расстоянии вытянутой руки. Пенетраторы хотя и могут проникнуть сквозь слой пыли в коренные породы, но способны сделать анализы только в отдельных ограниченных точках планеты.

В экспедиции же «Патфайндер» должен был участвовать американский марсоход «Соджорнер». На шестиколесной машинке длиной чуть больше 50 сантиметров и высотой 30 сантиметров установили солнечную батарею, лабораторию для определения химического состава марсианских пород и три телевизионные камеры. Марсоход должен был разъезжать по марсианской поверхности и по команде останавливаться для нужных измерений. А значит, появилась возможность исследовать состав пород на большой площади, в специально выбранных районах.

Надо отметить относительную дешевизну проекта – 266 миллионов долларов – по сравнению, например, со стоимостью готовящегося полета американского аппарата на Сатурн – 1,48 миллиардов долларов.

4 июля 1997 года американская космическая лаборатория «Марс патфайндер» совершила посадку на поверхность Марса. Почти за семь месяцев полета «Патфайндер» преодолел 78,6 миллионов километров космического пространства. 4 июля 1997 года станция вошла в атмосферу планеты на высоте 130 километров непосредственно с траектории полета со скоростью 7,4 километров в секунду. От перегрева (из-за сопротивления марсианского воздуха) станцию предохранял теплоизолирующий щит. В девяти километрах от поверхности планеты раскрылся парашют, а щит был сброшен. За 10,1 секунды до посадки, на высоте 335 метров, вокруг посадочного модуля были надуты воздушные мешки – амортизаторы системы мягкой посадки. На высоте 100 метров сработали пороховые двигатели, которые притормозили падение и отвели парашюты в сторону от посадочного модуля. Через 4 секунды модуль со скоростью около 21 метра в секунду упал на грунт, подпрыгнул вверх на 15 метров и, совершив 16 скачков, замер. Воздушная оболочка была спущена и притянута к аппарату. Лаборатория раскрыла солнечные панели, подняла на высоту человеческого роста съемочную камеру и выпустила миниатюрный марсоход.

«Местом посадки станции была выбрана равнина, – пишет в газете «Коммерсант» Илья Виноградов, – носящая имя греческого бога войны Ареса. Она наиболее благоприятна для работы солнечных панелей, обеспечивающих работу станции. «Патфайндер» сразу установил несколько рекордов. Станция стала первым космическим аппаратом, который сел на планету без предварительного выхода на орбиту; выпустил парашют на сверхзвуковой скорости; использовал для уменьшения последствий удара при посадке воздушные мешки, похожие на те, что применяются в автомобилях, но большие по размеру.

Праздничная атмосфера, царившая в НАСА после удачной посадки "Патфайндер", была быстро испорчена возникшими в работе станции неполадками. Запутавшаяся на спусковой платформе ткань воздушного мешка мешала начать движение доставленному на Марс дистанционно управляемому роботу "Соджорнер", оборудованному приборами для спектрального анализа образцов марсианского грунта. Специалистам из НАСА удалось очистить путь, но потом оказалось, что неполадки в работе главного модема робота привели к потере возможности дистанционного управления аппаратом. Однако и на этот раз НАСА оказалось на высоте, марсоход был выведен на поверхность планеты и начал передачу изображений на Землю».

С нетерпением ждали на Земле результатов первого пробного анализа марсианского воздуха. И вот пришло радостное известие. «Соджорнер» показал почти стопроцентную концентрацию углекислого газа, как это и есть на самом деле в атмосфере этой планеты. Можно было приступить к исследованиям химического состава пород Марса.

Для определения состава марсианских пород было решено использовать проникающее рентгеновское излучение. Оборудование для этого ее создатели – немецкие, российские и американские ученые назвали APXS (альфа-протон-рентгеновский спектрометр).

«Сердце APX-спектрометра, – пишет в «Соросовском образовательном журнале» Ю.А. Шуколюков, – было создано группой российских исследователей под руководством В. Радченко в Институте атомных реакторов в Димитровграде под Ульяновском. Оно сделано из трансуранового искусственного химического элемента кюрия, точнее, из одного изотопа этого элемента – кюрия-244. Общее количество кюрия-244 в нем таково, что источник ежесекундно испускает почти 2 миллиарда альфа-частиц, каждая с энергией около 6 миллионов электрон-вольт.

Пролетая сквозь исследуемое вещество, многие из альфа-частиц легко выбивают электроны из внутренних K– или L-оболочек атомов. На освободившиеся места перескакивают электроны с более высоких энергетических уровней с других электронных оболочек. Высвобождается энергия в форме гамма-квантов характеристического рентгеновского излучения. Для каждого химического элемента со своими электронными оболочками характерен собственный спектр излучения – набор квантов специфической энергии. Для регистрации этих квантов служит детектор – 256-канальный энергетический анализатор. Каждый канал в нем подсчитывает только «свои» кванты определенной энергии. Набор подсчитанного числа квантов с разной энергией – это рентгеновский спектр марсианской породы. Его непросто расшифровать, потому что он представляет собой результат наложения спектров разных элементов, присутствующих в образце.

Для расшифровки готовят стандарты разного, заранее известного химического состава и сравнивают их рентгеновские спектры со спектром анализируемой породы. По составу того стандарта, спектр которого ближе всего спектру исследуемого образца, судят о содержании элементов в образце. Расчеты делают на компьютерах по специальным программам».

Рентгеновский анализатор записывал спектры. Он мог это делать только при температуре ниже минус 30 градусов Цельсия. При более высокой температуре анализатор уже неспособен хорошо различать кванты разной энергии. Конечно, можно было охлаждать детектор миниатюрным бортовым холодильником. Но в итоге поступили по-другому. Для экономии драгоценной на Марсе электрической энергии решили воспользоваться тем, что сама планета ночью становится огромным холодильником с температурой до минус 80 градусов.

В марсоход поместили также детектор протонов и еще один прибор, в котором используется резерфордовское рассеяние альфа-частиц.

Информация, полученная от трех детекторов, потом направляется в трехканальный электронный блок, способный ее запомнить и подготовить к передаче на Землю. Для этого блока потребовался контейнер размером 7x8x6,5 сантиметров. В то же время сам же APX-спектрометр имеет такие размеры, что легко умещается в чайной чашке. Целая лаборатория весом всего в 570 граммов.

Итак, перемещаясь от одной точки к другой, «Соджорнер» при помощи APX-спектрометр снова и снова анализировал лежавшую под колесами красновато-бурую пыль далекой планеты. Измерения были сделаны в шести местах, удаленных одно от другого. Но всюду химический состав был почти одинаковым.

Но исследователей ждал сюрприз. 6 июля 1997 года «Соджорнер» уперся своим чувствительным электронным носом – прибором для определения химического состава, укрепленным на шарнирном устройстве, в довольно большой камень. К большому удивлению исследователей Марса, у этого камня, получившего название Barnacle Bill, химический состав оказался совершенно не таким, как ожидали исходя из всех предшествовавших исследований Марса.

Впервые в истории науки анализы марсианских коренных пород дали сенсационный результат – на Марсе есть не только мафические породы. Предполагают, что куски пород в районе посадки «Патфайндера» могли быть принесены туда потоками воды когда-то бежавших по планете рек, с возвышенности, находящейся южнее, возможно, представляющей собой древнюю марсианскую кору. О ее древности говорит обилие на ней метеоритных кратеров.

Новые данные, полученные в экспедиции «Патфайндера», опрокинули прежние представления о Марсе. Оказалось, что кора «красной» планеты химически подобна коре Земли. Возможно, на Марсе шли процессы, во многом сходные с геологическими проявлениями на Земле. Химические и петрологические особенности марсианских метеоритов вполне соответствуют таким представлениям.