Марсианская быль: ученые открыли опасный для колонистов Красной планеты эффект
Российские исследователи впервые экспериментально изучили феномен, который представляет опасность для сложных технических устройств на Марсе. Речь идет о статическом электричестве, которое возникает при столкновении частиц пыли в атмосфере планеты. Особенно во время бурь. Это приводит к возникновению микроскопических разрядов, которые излучают электромагнитные волны. Такое излучение может вывести из строя электронику роботов и напланетных станций, что ставит под сомнение безопасность будущих марсианских колонистов. Подробнее — в материале «Известий».
«Сигналы» марсианской пыли
Метод, который позволит слышать «сигналы» марсианской пыли, разработали ученые из Института космических исследований РАН и Московского физико-технического института. Об этом «Известиям» рассказали в Минобрнауки РФ.
Речь идет о микроскопических молниях, объяснили специалисты. Они возникают в сухой и разреженной атмосфере из углекислого газа Красной планеты, когда частицы песка и пыли сталкиваются друг с другом и обмениваются зарядами. При этом образуются микроскопические разряды, которые создают электромагнитное излучение. Его можно поймать и зарегистрировать, как радиоволны. Эти разряды влияют на химию атмосферы, но также представляют потенциальную угрозу для электроники космических аппаратов.
— Длительное время в научном сообществе лишь предполагали наличие этого эффекта, но не имели инструментов для его изучения и, что важнее, интерпретации. Целью наших исследований было научиться по характеру радиосигнала определять свойства частиц, которые вызывают разряд, и условия, в которых он произошел. Для этого мы применили трехэтапный метод. Он объединил лабораторные эксперименты и наблюдения в реальной среде, — рассказал «Известиям» сотрудник кафедры космической физики МФТИ Мохамад Абделаал.
Лабораторная установка для создания «песчаной бури в банке». Слева (a) — схема эксперимента: сжатый воздух создает вихрь, поднимающий частицы песка в 3D-печатной камере, а встроенная антенна (EMA) регистрирует электромагнитные импульсы от микроразрядов. Справа (b) — фотография реальной установки в процессе работы
Он пояснил, что сначала ученые создали миниатюрную песчаную бурю, поместив частицы песка в камеру с вихревым потоком воздуха. При этом чувствительная спиральная антенна улавливала радиоимпульсы от микроразрядов.
В ходе экспериментов команда обнаружила, что мелкие частицы (до 40 мкм) генерируют частые сложные и многокомпонентные сигналы, тогда как более крупные песчинки порождают редкие, мощные и четкие одиночные импульсы.
— На следующем шаге мы воссоздали марсианские условия, — продолжил Мохамад Абделаал. — Для этого камеру поместили в вакуумную установку и заполнили углекислым газом при низком давлении. В качестве «пыли» использовали природные земные пески и синтетические аналоги марсианского грунта с высоким содержанием оксидов железа. Эксперименты подтвердили, что состав пыли также влияет на разряд. К примеру, базальтовые частицы, характерные для Марса, быстрее рассеивают заряд, что приводит к более слабым, но постоянным электромагнитным сигналам.
Экспериментальная установка для моделирования электрических явлений в атмосфере Марса. Пылевая камера интегрирована в вакуумную систему, которая откачивается и затем заполняется углекислым газом при низком давлении. Этот стенд позволяет изучать генерацию электромагнитных сигналов в условиях, максимально приближенных к марсианским
Кроме того, сообщил ученый, опыты показали, что в имитированной марсианской атмосфере электрический пробой происходит при гораздо более низком напряжении, чем на Земле. Это означает, что для возникновения искры на Красной планете требуется существенно меньше накопленного заряда, и такие явления там происходят чаще.
Третий этап, рассказали исследователи, был посвящен проверке и калибровке лабораторных данных. Для этого ученые предприняли экспедицию в степи Калмыкии, где засушливый климат и песчаные ландшафты служат земным аналогом Марса.
В ходе этих работ специальный прибор регистрировал естественные электромагнитные сигналы и — одновременно — скорость ветра, влажность, температуру и уровень солнечной радиации. Итоги полевых испытаний подтвердили выводы, сделанные в лаборатории.
Как пылевые бури повлияют на колонистов Марса
— В результате мы создали сквозную методику, которая предполагает применение одного и того же оборудования как для изучения искусственных зарядов, так и их естественных аналогов. Это позволяет строить надежные физические модели, а также закладывает фундамент для исследований на поверхности Марса. Установка электромагнитного анализатора на будущие планетоходы или стационарные станции позволит в реальном времени получать данные о динамике пылевых бурь, распределении частиц по размерам и даже о геологии Красной планеты, — поделился Мохамад Абделаал.
По его словам, понимание этих процессов — вопрос безопасности будущих колонистов. Ведь статические разряды, безобидные на Земле, в марсианских условиях могут вывести из строя сложную электронику, лишив экспедиции технической поддержки.
В дальнейшем, добавил ученый, исследования можно расширить за счет изучения электрических явлений в сернокислотных облаках Венеры или в экзосфере (тонкой газовой оболочке) над поверхностью Луны.
— Пыль присутствует на всех планетах земной группы, и электростатическое налипание и разряды представляют серьезную проблему для работающих механизмов и электроники, — сообщил «Известиям» старший научный сотрудник лаборатории геохимии углерода им. Э.М. Галимова ГЕОХИ РАН Сергей Воропаев.
Сигналы пыли разного размера. Каждая панель показывает электромагнитный сигнал от разряда (вверху) и его спектральный анализ во времени (цветное изображение внизу), где цвет отражает интенсивность сигнала на определенной частоте. Видно, как меняется структура сигнала: от мощного одиночного всплеска для мелких частиц (a, <20 мкм) до сложной, двухэтапной структуры для несортированной смеси песка (d)
Он добавил, что заряды на частицах возникают в основном из-за трения, но они различаются в зависимости от окружающей среды. Причем воспроизвести на Земле условия Красной планеты можно лишь частично — в силу другого состава атмосферы и наличия магнитного поля. Вместе с тем подсказку могут дать марсианские метеориты. Созданные на их основе образцы помогут изучить особенности накопления зарядов и разрядки на частицах «пыли». Но на некоторые вопросы можно ответить только на месте.
— Разработка космической техники требует учета вредных факторов. В частности, на поверхности Луны или Марса возникают дополнительные негативные факторы. Например, из-за мелкодисперсности и сухости пыли образуются электростатические заряды. Поскольку поверхность оборудования не заземлена, они могут накапливаться и приводить к сбоям, искажению сигналов и даже выходу оборудования из строя, — поделился представитель правления «Консорциум робототехники и систем интеллектуального управления» Евгений Дудоров.
Борьба с этими факторами — сложная задача, отметил эксперт. Тем не менее при проектировании аппаратов их так или иначе учитывают.
— Накопленный опыт показывает, что электростатика на Марсе — не критичный фактор. И на будущих программах по освоению планеты он скажется слабо, — отметил заместитель заведующего научно-экспозиционным отделом Музея космонавтики Павел Гайдук.
Прибор «Пылевой комплекс» (Dust Complex) во время полевых измерений в Калмыкии. Электромагнитный анализатор с антенной установлен на мачте для регистрации естественных радиосигналов, порождаемых электризацией пыли в приземном слое атмосферы. Такие полевые кампании необходимы для калибровки лабораторных данных и проверки моделей в реальных условиях
Значительные проблемы, сообщил историк, связанные с этими эффектами, испытывал аппарат «Марс-3», который в 1971 году совершил первую мягкую посадку на поверхность планеты. Схожие аномалии наблюдали и у некоторых более поздних миссий, например, «Викингов». Чтобы в дальнейшем исключить отказы техники, нужно предварительно изучить феномен с помощью дронов со спецаппаратурой.
— В то же время до колонизации Марса еще очень далеко, — высказал точку зрения популяризатор космонавтики Николас Оксман. — Пока заявления Илона Маска, который создает ажиотаж вокруг этой темы, направлены, в первую очередь, на формирование позитивного фона вокруг новых разработок компании SpaceX.
По словам специалиста, это помогает привлекать инвестиции. На практике же основная ближайшая задача «марсианского» корабля Starship — не колонизация Красной планеты, а вывод спутников связи Starlink на низкие околоземные орбиты. Эта группировка имеет коммерческую ценность и повышает капитализацию компании.