За тайнами лунной пыли

В ближайшую неделю к Луне отправится китайская станция «Чанъэ-7» (Chang’E 7). В рамках соглашения между Государственной корпорацией по космической деятельности «Роскосмос» и Китайской национальной космической администрацией (КНКА) на ней был установлен российский прибор «Пылевой мониторинг Луны» (ПмЛ-Ч7), разработанный в ИКИ РАН. Цель эксперимента — изучение пылевой экзосферы Луны, регистрация микрометеоритов, вторичных пылевых частиц и измерение параметров плазмы в окрестности космического аппарата.

Прибор ПмЛ-Ч7 состоит из блока пьезокерамических (ПК) сенсоров, чувствительных к ударам пылевых частиц, и электростатического датчика, включающего индукционный зонд и зонд Ленгмюра. При попадании пылевой частицы на ПК сенсор, можно оценить ее механический импульс и судить о массе и скорости частицы. По данным зонда Ленгмюра можно оценить локальные параметры окружающей плазмы: плотность и температуру, по сигналу индукционного датчика — электрический заряд частицы.

О целях эксперимента, особенностях прибора и сотрудничестве с китайскими коллегами рассказывает научный руководитель эксперимента доктор физ.-мат. наук Александр Валентинович Захаров.

— Расскажите, пожалуйста, о лунном грунте: чем он отличается от привычного земного?

— На Земле нет условий, близких к тем, что существуют на Луне. Это связано прежде всего с тем, что у Луны нет магнитного поля и атмосферы. Из-за этого на нее заметно влияют солнечное излучение, т.е. электромагнитные волны, и солнечный ветер, а также микрометеориты. Когда они ударяли по поверхности Луны на протяжении ее исторического развития, коренная порода постоянно разрушалась, образуя рыхлую поверхность.

В конечном итоге вся поверхность Луны покрыта частицами размерами от нанометров до крупных валунов. Но большая часть пылевых частиц имеет размеры в десятки микрон, от 40 до 60 мкм. Для понимания: толщина человеческого волоса составляет от 50 до 100 мкм. Важно, что речь идет о размерах заметно меньших тех, к которым мы привыкли в повседневной жизни.

— И какая глубина этого слоя?

— Толщина несколько метров. Помню роман Артура Кларка «Лунная пыль», по сюжету которого корабль буквально тонет в лунной пыли. И в то время (рассказ впервые опубликован в 1961 г.) действительно можно было представить нечто подобное. Позже экспериментально подтвердили, что посадочные аппараты не утонут в реголите (см. комментарий после статьи).

Но сами по себе мелкие частицы не так интересны, куда увлекательнее то, что с ними происходит.

Поскольку на Луне нет атмосферы, весь спектр солнечного излучения беспрепятственно достигает поверхности Луны. Ультрафиолетовая часть излучения в результате фотоэффекта выбивает электроны из вещества реголита, и он приобретает положительный заряд. Над поверхностью Луны при этом образуется облако отрицательно заряженных фотоэлектронов, и возникает так называемый двойной слой: положительно заряженная поверхность и отрицательно заряженное облако над ней.

На каждую частицу на поверхности Луны действуют три силы: сила тяжести, сила адгезии (сцепления с соседними частицами) и электростатическая сила. Если электростатическая сила превышает сумму сил сцепления и тяжести, то такие частицы могут отрываться от поверхности и переходить в состояние свободного полета — левитировать над Луной. По-видимому, это условие выполняется для частиц размером в сотни нанометров, но вряд ли для частиц размером в десятки микрон.

Так, по модельным соображениям, формируется естественное облако пылевых частиц над лунной поверхностью. Чем же они отличаются от земных? Поскольку они образовались в результате ударного воздействия (микрометеоритной бомбардировки), эти частицы имеют острые края. Можно представить это так: если взять стекло и измельчить его, образуются острые, режущие края.

— Давно ли узнали об этом слое и когда его стали изучать?

— То, что Луну покрывает слой пыли, предполагали еще до начала лунных экспедиций (подробнее об этом в комментарии после интервью). Но изучать ее непосредственно стало возможным только с началом лунных экспедиций. Аппараты серии Surveyor (NASA, 1966—1968) и советский «Луноход-2», исследовавшие поверхность Луны, действительно обнаружили свечение вблизи терминатора — линии, разделяющей светлую и темную части спутника. Это явление вызвало удивление и множество вопросов. Ученые стали предполагать, что это свечение могло быть связано с частицами, находящимися над поверхностью Луны.

С тех пор наука о Луне активно развивалась, и можно выделить несколько ключевых моментов. Во-первых, любопытное свечение, о котором мы говорили, стало отправной точкой для дальнейших исследований.

Во-вторых, стоит упомянуть эксперименты, проведенные в рамках программы «Аполлон». Во время миссии «Аполлона-17» астронавты развернули прибор LEAM (Lunar Ejecta and Meteorite, дословно «лунные выбросы и метеориты»). Он был создан для регистрации высокоскоростных (от 1 до 25 км/с) микрометеоритов. Но один из детекторов мог регистрировать и низкоскоростные частицы.

К сожалению, его тепловые характеристики не позволяли ему работать в дневное время. Дело в том, что на Луне температура в светлую часть суток достигает очень высоких значений, что создавало проблемы для функционирования оборудования.

Поэтому LEAM работал в основном в области терминатора и получил хороший результат на восходе и закате. За время работы детектора максимальная скорость счета наблюдалась именно во время терминатора. Причем наибольшая скорость — во время восхода Солнца.

Во время программы «Аполлон» пыль всех взволновала, потому что ее частицы оседали на радиаторах и меняли тепловой режим.

Кроме того, пыль повлияла на лазерные отражатели, которые на поверхности Луны установили и американские, и советские ученые. Со временем их эффективность существенно снизилась под воздействием факторов внешней среды, прежде всего, лунной пыли. Их отражательная способность снизилась примерно на порядок за 40 лет.

— Проводились ли оценки воздействия пыли на китайских посадочных станциях?

— У них был эксперимент со специальными весами, на которых взвешивали лунную пыль. К сожалению, пока публикаций с результатами я не видел.

— Как Вы оцениваете ее биологическое и химическое воздействие? Если пыль очень мелкая, насколько она опасна для астронавтов?

— Особое беспокойство вызывает пыль, возникающая в результате антропогенного воздействия, — прежде всего при старте и посадке ракет. Работа мощных двигателей поднимает с поверхности облака реголита. Для этого явления даже существует специальный термин, введенный американскими специалистами: на русский язык его можно перевести как «дополнительная пыль».

Кстати, интересный факт. Американцы тогда оценили, что масса всей экзосферы Луны эквивалентна той массе, что лунные модули «Аполлонов» выбросили при посадке и старте с Луны.

При отрыве пылевых частиц от поверхности реголита они могут приобретать вращательный импульс и начинать вращаться. В условиях вакуума, где нет сопротивления среды, вращательный момент сохраняется. Если учесть, что они обладают острыми краями, то по своему поведению они начинают напоминать своеобразные метательные снаряды, подобные японским сюрикенам. Энергия не такая уж и большая, так что если частица попадает на технику, то после одного оборота она быстро остановится, но тем не менее даст некое повреждение, особенно, когда частиц много.

Она способна проникать даже через скафандры. Хотя они герметичные, мельчайшие частицы все равно находят пути для проникновения внутрь. Самое неприятное, по воспоминаниям астронавтов, происходило, когда лунная пыль попадала в атмосферу внутри посадочного модуля и ей дышали. Особенно, когда летели к Земле: в невесомости пыль поднималась и вызывала раздражение.

Более того, по современным оценкам, если бы астронавты сделали еще несколько выходов на поверхность Луны, то уже их скафандры могли потерять герметичность.

— Если лунная пыль удерживается на поверхностях исключительно за счет статического электричества, нельзя ли использовать активную защиту? Например, создать заряд, чтобы частицы пыли отталкивались и не оседали на оборудовании и скафандрах.

Это одно из перспективных направлений по минимизации негативного воздействия пыли. Действительно, существует довольно много исследований, посвященных этой проблеме.

Сейчас есть два основных подхода для минимизации воздействия пыли: активные способы и неактивные. Активные — это как раз электростатические, механические и т.д. Неактивные — поверхности, основанные на уникальном свойстве лотоса. Оказалось, листья этого цветка из-за своей структуры обладают минимальной адгезией. Частицы к ним не прилипают, вода остается каплями. Можно стремиться делать поверхности, напоминающие их по структуре.

— Что нового о лунной пыли сможет рассказать Ваш прибор — ПмЛ-Ч7?

— Наш метод регистрации частиц — ударный. Это пьезопластинка, которая определяет импульс, полученный при ударе частицы. Дополнительно прибор измеряет параметры плазмы, которая влияет на динамику пылевых частиц над поверхностью реголита.

Этот прибор — копия того, что был установлен на российском космическом аппарате «Луна-25». Во время полета «Луны-25» ПмЛ зафиксировал попадание частицы на орбите Луны. Для следующей посадочной станции «Луна-27» разрабатывается усовершенствованный вариант прибора, больших размеров, а датчики мы планируем разместить на штанге. Это позволит уменьшить влияние самого аппарата на окружающую среду.

Для «Чанъэ-7» этого не было сделано, так как при подписании договора об установке ПмЛ нам поставили жесточайшие сроки поставки прибора.

Поэтому сложно ожидать очень точных результатов: в ходе лунной экспедиции «Чанъэ-7» у нас не было возможности установить штангу с детектором отдельно от аппарата. Сам прибор закреплен непосредственно на корпусе, который, в свою очередь, накапливает статический заряд под воздействием солнечного излучения. Таким образом, он будет либо притягивать частицы, либо отталкивать — в зависимости от того, какой стороной к Солнцу окажется наш аппарат.

Тем не менее результаты все равно ожидаются очень интересными, поскольку посадка китайской станции планируется в районе около южного полюса Луны.

— Как организовано сотрудничество с китайскими специалистами?

— Работы с российской стороны проводятся по контракту и при поддержке Госкорпорации «Роскосмос». В 2024-2025 гг. ИКИ РАН были созданы образцы прибора и поставлены в Китай для наземных испытаний, которые к настоящему времени успешно завершены. Все технические вопросы обсуждаются в рамках российско-китайской группы по проекту.

В мае мы обсудили научную программу работы прибора, утвердили ее и подписали. Там отражены все нюансы, связанные с выполнением измерений, передачей информации и обработкой результатов.

Наш прибор включат уже на поверхности Луны. Информацию будут стараться передавать ежедневно. По результатам работы у нас будет возможность корректировать его научную программу. Надеемся, что как минимум в течение года после получения информации мы подготовим совместную статью.

Основная работа ПмЛ-Ч7 пока планируется в течение лунного дня (около 14 земных дней). Мы попросили, чтобы была возможность включать его и при прохождении терминатора и хотя бы на короткое время ночью. Но это будет зависеть от условий работы посадочного аппарата.

— Есть ли на станции приборы, с которыми ПмЛ будет взаимодействовать?

— Да. Там есть свои зонды Ленгмюра. У нас сбоку, у них сверху. Мы договорились, что можем обмениваться информацией, сравнивать результаты и т.д.

— Как дальше планируется сотрудничество с Китаем?

— На «Чанъэ-8» тоже должна быть установлена аппаратура ПмЛ, но уже в варианте, который будет применен на «Луне-27», — со штангой и прочим оборудованием.

Вообще, то, что они пока реализуют свою космическую программу без аварий, это просто чудо. Более того, хотел бы отметить, что над этой программой работают молодые сотрудники, может, чуть за тридцать. У нас сложились очень хорошие отношения.

— Большая ли команда создавала ПмЛ-Ч7?

— Наш коллектив — сотрудники отдела физики планет и других отделов ИКИ РАН: главный конструктор прибора Геннадий Дольников, ведущий по прибору Илья Кузнецов и другие, всего около двадцати человек. Руководители проекта — Владислав Третьяков, заместитель директора, и Дмитрий Зарубин, ведущий инженер, координатор международных проектов ИКИ РАН. Научный руководитель программы исследований Луны — академик Лев Зеленый, научный руководитель Института.

Изначально идея совместного эксперимента появилась в рамках российско-китайской группы по научной программе Международной научной лунной станции (ее сопредседатель с российской стороны — директор ИКИ РАН академик Анатолий Петрукович). Постепенно в рамках этого небольшого, но важного проекта сложился хороший «межведомственный» российской и международный коллектив.

Комментарий: когда и что мы узнали о лунной пыли

Долгое время единственным источником знаний о Луне был свет. Астрономы изучали, как солнечные лучи отражаются от лунной поверхности. Этим занимались лучшие умы Европы и России: французы Лио и Дольфус, харьковская школа Барабашова и ленинградская школа Шаронова. По их исследованиям был сделан вывод о сильной шероховатости или мелкой раздробленности вещества на поверхности. Также было отмечено, что по отражательной способности и поляризационным свойствам вещество Луны не похоже на все исследованные к тому времени земные породы в их естественном или раздробленном состоянии (Луна. Физматгиз. М. 1960).

Лишь в конце двадцатых и начале тридцатых годов XX века началось исследование Луны в тепловом электромагнитном излучении на инфракрасных волнах длиной 10–15 мкм. Измерения Петтита и Никольсона в 1927 и 1930 гг. во время лунаций (полного лунного дня) позволили определить температуру поверхности. Перепад составил от +100…+120 градусов Цельсия днем до –150… -160 градусов Цельсия ночью (Е. Pettit, S. В. Niсоlsоn, Astrophys. J. 72, 102, 1930). В целом, с учетом отсутствия у Луны атмосферы это ожидалось, и куда более интересными стали их измерения во время лунного затмения. Те места Луны, на которые попадала тень Земли, остывали на 190 градусов Цельсия буквально за несколько минут (Е. Pettit, Astrophys. J. 91, 408, 1940).

Дополнительные данные принесли первые измерения радиоизлучения Луны. В 1949 г. Пиддингтон и Миннет (Piddington, J. H. and Minnett, H. C., Microwave Thermal Radiation from the Moon, Australian Journal of Scientific Research, Series A2,1949, p. 63) впервые детально исследовали собственное тепловое радиоизлучение Луны на волне 1,25 см. Стало понятно, что оно определяется толстым слоем вещества и несет информацию о физических свойствах всего слоя, а не только о поверхности, о которых можно было судить по световым отраженным волнам и собственному инфракрасному излучению.

Интересно, что по данным в радиодиапазоне температура Луны менялась как раз достаточно медленно. Другими словами, быстро остывал и нагревался лишь тонкий слой лунной поверхности. Здесь нужно отметить, что точные размеры этих слоев определить этими методами было сложно. Скажем, в упомянутой выше работе Пиддингтона и Миннета они оценили среднюю глубину, с которой шло радиоизлучение, в 40 см. Но глубина теплоизолирующего слоя могла быть как больше, так и немного меньше этого. Но эти результаты позволили Весселинку (J. С. Wesselink, Bull. Astron. Inst. Neth. 10, 351, 1948) и затем Ягеру (J . G. Jaeger, Austr. J . Phys. 6, 10, 1953) оценить теплопроводность лунного вещества, которая оказалась очень малой. На Земле веществ с такой теплопроводностью не было: в 1000 раз меньше, чем у гранита, и в 10 раз меньше, чем у пемзы (В.Д. Кротиков, В.С. Троицкий. Радиоизлучение и природа Луны // Успехи физических наук. Декабрь 1963).

Да, материала с таким уровнем теплоизоляции на Земле не существовало, но его вполне можно было представить. Миллиарды лет перепады температуры разрушали лунные камни, превращая их в мельчайшую пыль. Свой вклад также вносили вулканический пепел и остатки метеоритов. Пыль стекала и собиралась в маленьких ложбинках и больших кратерах, постепенно покрывая всю Луну. Соприкасаясь друг с другом только в нескольких точках, пылинки крайне плохо передавали бы тепло, а ведь между ними был вакуум. Теплоизолирующий материал, соединяющий лучшие достоинства термоса, но лишенный его хрупкости. Это были не только теории: эксперименты Смолуховского (Μ. Smoluchowski, Bull. Acad. Sci. Cracovi A, 548, 1911) в 1911 г. о теплопроводности порошков в вакууме хорошо ее подтверждали.

До начала 1960-х гг. все это казалось исключительно теоретическими изысканиями. Но после начала пилотируемой программы «Аполлон» у них появился очевидный практический момент. Вопрос параметров лунной пыли и ее прочности стал жизненно важным для проектирования пилотируемого лунного модуля. Как отмечали в США в 1961 г. (Lunar impact. A History of Project Ranger. R. Cargil Hall. NASA. Washington, D.C. 1977), масса посадочной системы, разработанной для неблагоприятных условий на Луне, может «съесть» до 50 процентов заложенного веса; в случае твердой опоры ее массу можно будет снизить до 5 процентов. Для проверки параметров лунной поверхности в США предназначались аппараты серий Ranger и Surveyor, а в Советском Союзе — Е-6.

Есть известная историческая байка о том, что Сергей Павлович Королев, устав от споров о том, насколько твердая поверхность Луны, просто написал: «Луна твердая!» — в качестве технического задания для разработчиков. И отчасти так действительно и было. Однако это произошло при разработке нашего лунного корабля, на котором советский человек должен был высадиться на Луну. Записка с текстом «Посадку ЛК следует рассчитывать на достаточно твердый грунт типа пемзы...» датирована 28 октября 1964 г. Станции серии Е-6 разрабатывались с 1959 г. и предназначались для посадки на любой тип грунта. Собственно, к моменту написания записки они уже были созданы и даже отправлены к Луне. Например, «Луна-4» отправилась в космос 4 января 1963 г. Увы, мягко сесть им еще не удалось, что и потребовало написания данной записки.

Уже после смерти С. П. Королева советская станция Е-6 (под индексом «Луна-9») впервые в истории совершила мягкую посадку на Луну 3 февраля 1966 г., передала первые панорамы лунной поверхности и показала, что она достаточно твердая, чтобы выдержать значительный вес. Тем самым была подтверждена верность инженерной интуиции Главного конструктора.

Беседу проводил Павел Шубин, ИКИ РАН. Автор комментария: Павел Шубин, ИКИ РАН

Источник информации и фото: пресс-служба ИКИ РАН