В ближайшие годы НАСА и Европейское космическое агентство (ЕКА) отправят два роботизированных зонда для исследования ледяной луны Юпитера, Европы. Речь идет о миссии Europa Clipper НАСА и Jupiter Icy Moons Explorer (JUICE) ЕКА. Их запустят в 2024 и 2023 годах соответственно. Как только они прибудут к 2030-м годам, то изучат поверхность Европы с помощью серии облетов. Цель — определить, может ли ее внутренний океан поддерживать жизнь. Это будут первые астробиологические миссии на один из «океанских миров» — ледяную луну во внешней Солнечной системе.
Океанские миры Солнечной системы
В Солнечной системе много океанских миров: от Цереры в Главном поясе астероидов до спутников Юпитера (Каллисто, Ганимед и Европа), Сатурна (Титан, Энцелад и Диона), самого большого спутника Нептуна (Тритон) и Плутон и других тел пояса Койпера. Считается, что у всех этих объектов есть внутренние океаны, которые нагреваются из-за гравитационного взаимодействия с их родительским телом или (в случае Цереры и Плутона) распада радиоактивных элементов.
Почему их сложно изучать?
Основная проблема при изучении недр этих миров — толщина ледяных щитов, глубина которых может достигать 40 км. В случае с Европой, по различным оценками, речь идет от 15 до 25 км. Кроме того, предлагаемому зонду придется бороться с гидростатическим льдом различного состава (например, из аммиака и силикатных пород) на разных глубинах, при разных давлениях, температурах и плотности. Еще одно препятствие — давление воды, поддержка связь с поверхностью и доставка образцов на поверхность.
Есть решение
Недавно у ученых появилось решение одной из многих проблем. Они придумали, как пробить толстые ледяные корки и получить образцы из внутренних слоев океана для анализа. А ведь даже астероидам это может даваться непросто, о чем ранее писал «Хайтек».
Ученые поняли, как на луну Юпитера могла попасть жизнь
Доктор наук Тереза Беньо, физик и главный исследователь проекта термоядерного синтеза в Исследовательском центре Гленна НАСА, предложила использовать специальный реактор, который работает на реакциях деления и синтеза. Эту идею выбрали для I этапа разработки программы NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC).
Ранее в НАСА изучили возможность использовать нагревательный буровой зонд. По плану, он должен был пройти сквозь ледяной щит и получить доступ к внутреннему океану. В частности, исследователи предложили использовать атомный зонд, который будет работать благодаря радиоактивному распаду. Получившееся тепло помогло бы растопить поверхностный лед.
Однако теперь группа исследователей во главе с доктором Беньо предложила новый метод, который не ограничивается распадом радиоактивных изотопов — плутония — 238 или обогащенного урана — 235. Вместо этого они предложили использовать реакции ядерного синтеза между атомами твердого металла. Их метод представлен в двух статьях, опубликованных в журнале Physical Review C (раз, два).
Как работает ядерный синтез?
«Ученых интересует термоядерный синтез, потому благодаря ему можно генерировать огромное количество энергии без создания долгоживущих радиоактивных побочных продуктов. Однако обычные термоядерные реакции трудно осуществить и поддерживать. Они основаны на столь экстремальных температурах, что этот процесс был нецелесообразным», — объясняет доктор Беньо в недавнем заявлении для прессы в НАСА Glenn Research Center.
Обработанный цветной снимок спутника Юпитера Европы составлен из изображений, сделанных космическим кораблем НАСА «Галилео» в конце 1990-х годов. Авторы и права: НАСА/Лаборатория реактивного движения-Калифорнийский технологический институт
Обычные методы термоядерного синтеза обычно сводятся к инерционному или магнитному удержанию. В первом случае дейтерий или тритий (водород — 2 или водород — 3) на наносекунды сжимается до экстремального уровня, при которых и происходит синтез. При магнитном удержании (как в реакторах типа токамак) топливо нагревается до температуры выше, чем в сердце Солнца — 15 млн °C. Однако в НАСА разработали новый способ — решетчатый ядерный синтез (англ. Lattice confinement fusion, LCF).
В чем уникальность нового метода?
Реакция подпитывается дейтерием, широко доступным нерадиоактивным изотопом водорода, состоящим из одного протона, одного нейтрона и одного электрона. Дейтерий заключен в пространстве между атомами твердого металла, такого как эрбий или титан. Эрбий может бесконечно поддерживать атомы дейтерия (дейтроны) при комнатной температуре. Насыщенный дейтронами металл образует в целом нейтральную плазму. Электронная плотность металла снижает вероятность того, что два ядра дейтерия будут отталкивать друг друга по мере их сближения.
При этом методе металлы, насыщенные дейтроном, подвергаются воздействию гамма-излучения или ионных пучков. В таком случае не нужны высокотемпературные газы, которые используются при других методах синтеза.
Фотография дейтерированных металлов, подвергшихся воздействию излучения во время испытаний.
Во время воздействия дейтерированный эрбий показал признаки термоядерных реакций. Фото: НАСА
Хотя решетка теоретически имеет комнатную температуру, LCF создает внутри решетки энергетическую среду, в которой отдельные атомы достигают энергий уровня синтеза. Области нагрева создаются в микрометровом масштабе.
Синтез «работает» за счет того, что решетки заполняют дейтерием с плотностью в миллиард раз большей, чем в реакторах токамак, где источник нейтронов ускоряет дейтроны до такой степени, что они сталкиваются с «соседями», вызывая реакции синтеза. В своих экспериментах доктор Беньо и ее коллеги подвергали дейтроны воздействию мощного рентгеновского луча, создавая нейтроны и протоны с большой энергией.
Как это поможет растопить «Европу»?
По словам авторов разработки, любой процесс синтеза масштабируется. Например, можно создать новый тип космического корабля с ядерной установкой. Полученный в результате гибридный термоядерный ядерный реактор быстрого деления будет меньше, чем традиционный, где требуется источник энергии. Кроме того, тепло от работы реактора нагреет зонд и растопит лед Европы. Так он сможет проникнуть через шельфовый ледник в подледные океаны.
Преимущество нового процесса — роль электронов металлической решетки, чьи отрицательные заряды помогают «экранировать» положительно заряженные дейтроны. Согласно теории, разработанной физиком-теоретиком проекта, доктором наук Владимиром Пинесом, это позволит соседним дейтронам приблизиться друг к другу еще ближе. Все это снижает вероятность их рассеяния, но увеличивает возможность того, что они будут туннелировать через электростатический барьер и способствовать термоядерным реакциям. По словам главного исследователя проекта НАСА доктора Брюса Стейнеца, у проекта есть свои сложности, однако «проект на хорошем старте».
Художественная концепция предлагаемого посадочного модуля «Европа». Авторы и права: НАСА/Лаборатория реактивного движения — Калифорнийский технологический институт
Такой тип ядерного процесса может быть частью Europa Lander, возможной миссии НАСА. Она будет основываться на исследованиях, проведенных Europa Clipper и JUICE. При дальнейшем изучении и разработке технология пригодится, чтобы создать энергетические системы для длительных исследовательских миссий.
