Химия лунного грунта

ИЗМЕРЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ АППАРАТОВ «СЕРВЕЙЕР»

Запуски американских аппаратов типа «Сервейер» имели целью не только измерение химического состава грунта — планировалось и изучение лунного рельефа, гравитационного поля Луны, а также различных физических условий на лунной поверхности. Осуществление этой программы началось в 1966 г., когда «Сервейер-1» совершил мягкую посадку в Океане Бурь и передал на Землю изображения лунной поверхности. С помощью прилунившегося в апреле 1967 г. «Сервейера-3» проводилось (помимо телевизионной съемки поверхности) определение механических свойств грунта. Запуски «Сервейера-2 и -4» окончились неудачей.

Последние три аппарата этой серии — «Сервейер-5, -6 и -7», запущенные в 1967–1968 гг., передали цветное изображение лунной поверхности, исследовали механические свойства лунного грунта, а также произвели определение в нем содержания ряда элементов методом «обратно рассеянных альфа-частиц».

Суть этого метода в следующем. Альфа-частицы, испущенные радиоактивными источниками, при столкновениях с ядрами атомов испытывают рассеяние, причем энергия рассеянных частиц зависит от сорта ядер и от угла, под которым вылетела рассеянная частица. Если облучить какое-либо вещество альфа-частицами строго определенной энергии и установить (под фиксированным углом) счетчик рассеянных частиц, то он будет регистрировать альфа-частицы лишь определенных энергий, соответствующих наличию в изучаемом веществе тех или иных химических элементов, т. е. будет получен определенный спектр альфа-частиц. В действительности же, из-за особых свойств радиоактивных источников и счетчиков спектр будет состоять не из линий, а из «обрывов», соответствующих положению этих линий (рис. 5). По положению «обрывов» и определяют, какие элементы присутствуют в исследуемом образце.

Рис. 5. Типичный спектр, получаемый при анализе, использующем метод «обратно рассеянных альфа-частиц»

Возможность анализа спектров рассеянных альфа-частиц в качестве метода изучения химического состава была известна давно, однако метод не получил распространения в практике лабораторных и промышленных исследований в силу нескольких причин. Например, данный метод позволяет уверенно определить в отдельности содержание в сложных образцах лишь тех элементов, которые расположены в начале периодической таблицы Менделеева. Более тяжелые элементы этим методом практически могут быть определены лишь в виде групп — «от титана до цинка» (9 элементов), все элементы «тяжелее цинка» и т. д. Причем лучше всего можно определить элементы, если детектор регистрирует альфа-частицы, рассеянные на образце в обратном направлении (назад). Кроме того, метод позволяет проводить анализы только в вакууме, при этом только один анализ занимает очень много времени — десятки часов. Впрочем, в рамках программы «Сервейер» (неподвижные станции для локальных исследований Луны) последнее обстоятельство не играло особой роли. В то же время следует отметить, что данный метод дает возможность определить общую картину химического состава вещества и при этом способен указать на аномально высокое содержание каких-либо элементов (или групп элементов). Однако он не позволяет получить детальные сведения о концентрации отдельных элементов, являющихся «представительными» для разных типов горных пород. Все это определило то обстоятельство, что данный метод использовался лишь на первом этапе изучения химического состава грунта.

Разработкой рассматриваемого метода в целях его применения для космических исследований занималась группа ученых Института им. Э. Ферми при Калифорнийском университете (руководитель работ А. Туркевич). Созданная ими аппаратура станций «Сервейер» состоит из блока электроники и блока, в котором расположены радиоактивные источники и детекторы альфа-частиц. Схематическое изображение последнего блока показано на рис. 6. В блоке, установленном на «Сервейере-5», использованы 6 альфа-источников радиоактивного кюрия-242 (период полураспада 163 дня, энергия альфа-частиц 6,11 МэВ) общей активностью около 100 мК. Из-за длительности предстартовых испытаний и в связи с относительно коротким периодом полураспада изотопа необходимо было вставить новый набор источников и провести его калибровку непосредственно перед самым стартом.

Рис. 6. Выносной блок аппарата «Сервейер» (при исследованиях блок опускался на грунт): 1 — детектор альфа-частиц; 2 — радиоактивный источник (альфа-излучатель); 3 — детектор протонов; 4 — исследуемый грунт

Сам блок представлял собой прямоугольный параллелепипед, в нижней части которого имелась круглая пластина, установленная с целью свести к минимуму погружение блока в лунный грунт. В нижней же части блока было круглое отверстие, через которое исследуемый грунт равномерно облучался альфа-частицами. Вблизи альфа-источников располагались два полупроводниковых детектора, регистрировавших альфа-частицы, рассеянные в почти обратном (облучению) направлении (в интервале углов 174 ± 1°). Расстояния от грунта до источников и от детекторов до грунта около 7 см.

Кроме того, в блоке были установлены четыре детектора протонов. Они регистрировали протоны, возникающие при ядерных реакциях, в которых участвовали альфа-частицы и ядра элементов лунного грунта. Полученные спектры протонов давали информацию о содержании наиболее легких элементов и существенно дополняли результаты исследований, проводимых по методу «обратно рассеянных альфа-частиц».

Характерной особенностью использованного метода и созданного на его основе прибора является очень большая длительность анализа лунного грунта. При заданной конструкцией геометрии прибора и использовании источников, в которых происходит 10¹¹ распадов радиоактивных ядер в минуту, за это время можно было зафиксировать примерно 60 альфа-частиц и всего 5 протонов. Поэтому для достаточно полного анализа требовались целые сутки непрерывной работы прибора.

Блок детекторов был соединен кабелем с электронным блоком, который находился внутри станции «Сервейер». На поверхность грунта блок детекторов опускался с помощью зубчатого механизма на нейлоновой нити. Общая масса аппаратуры 11 кг.

Впервые описанный прибор был установлен на аппарате «Сервейер-5», совершившем мягкую посадку в южной части Моря Спокойствия 11 сентября 1967 г. Через 2 ч после посадки прибор был включен, и началась калибровка с помощью эталонного образца. Полученный спектр совпадал с тем, который был получен на Земле еще до запуска.

После окончания калибровки блок детекторов был опущен на нейлоновой нити до высоты около 0,5 м от грунта, и в течение 3 ч проводились измерения фона космических лучей. Затем прибор полностью был опущен на грунт, и телевизионные изображения подтвердили, что прибор занял правильное положение. С этого момента собственно и начался эксперимент. Его продолжительность составляла около 17 ч.

13 сентября 1967 г. «Сервейер-5» совершил «подскок» после специального включения реактивных двигателей. При этом он немного сполз вниз по склону кратера и занял несколько другое положение на грунте. Анализ нового участка продолжался еще 66 ч.

Первая обработка полученных спектров с помощью ЭВМ позволила определить процентное содержание в лунном грунте кислорода (58 ± 3 %), алюминия (6,5 ± 2 %) и группы из 16 элементов «от фосфора до цинка» (13 ± 3 %). Сделаны были также оценки наличия углерода (менее 3 %), натрия (менее 2 %), группы «железо, кобальт, никель» (более 3 %) и группы «тяжелее цинка» (менее 0,5 %).

Таким образом, в результате анализа поверхностного слоя лунного грунта (глубиной около 20 мкм) впервые удалось установить общность характера распространенности породообразующих элементов — кислорода, кремния и алюминия — на Земле и на исследованном участке лунной поверхности площадью в несколько квадратных сантиметров. Однако насколько типичен такой состав грунта для всей поверхности Луны было неясно, поскольку исследования проводились практически в «точке». Необходимо было продолжить исследования в других районах Луны.

«Сервейер-6» (ноябрь 1967 г.), совершивший мягкую посадку в Центральном Заливе, и «Сервейер-7» (январь 1968 г.), прилунившийся на склоне крупного кратера Тихо, были оснащены той же аппаратурой, использующей метод «обратно рассеянных альфа-частиц». Прибор, установленный на «Сервейере-6», провел анализ только одного участка поверхности: после «подскока» лунной станции выяснилось, что блок датчиков прибора для исследования химического состава грунта находился в перевернутом положения и не мог вести анализ поверхности. А работа прибора на «Сервейере-7» заставила изрядно поволноваться его создателей. Дело в том, что произошло «заедание» в механизме опускания блока датчиков на грунт. После подачи команды на опускание блок так и остался висеть в полуметре над лунной поверхностью. Сначала пытались немного встряхнуть блок (для этого стали включать электромоторы антенны и солнечной батареи), надеясь, что их вращение создаст какие-то вибрации корпуса станции «Сервейер-7». Но этого не произошло.

Через несколько дней было принято решение на рискованную операцию — стали давить на блок ковшом маленького «экскаватора» — электрической лопатки, служившей для изучения механических свойств грунта. После нескольких неудачных попыток застрявшую нейлоновую нить удалось, наконец, вытянуть и опустить на грунт. В последующие дни этим же ковшом переставили блок детекторов на два других участка поверхности. Таким образом, удалось сделать анализы трех участков грунта в пределах метровой площадки.

Полученные результаты в силу ограничений самого метода потребовали проведения дополнительных лабораторных экспериментов, моделирующих конкретные условия работы приборов на Луне. Это было связано с уточнением положения блока детекторов на поверхности, с необходимостью учета влияния изменения температуры счетчиков и т. д. Обработка спектров с учетом результатов дополнительных модельных опытов позволила американским ученым сделать окончательные выводы относительно проведенных анализов концентраций в лунном грунте кислорода, магния, алюминия, кремния, кальция, титана и железа. При этом результаты анализов в «морских» районах (Море Спокойствия и Центральный Залив) оказались близки между собой. В «материковом» же районе (кратер Тихо) измерения показали состав, отличающийся от ранее изученных районов (см. далее табл. 1 и 2).