1.6. Золотая обертка

Вероятно, многие, кто наблюдал подготовку космического аппарата к запуску или видел фотографии американских или китайских лунных модулей на Луне, задавались вопросом: что за странная золотая фольга покрывает аппараты?

Все знают, что в космосе бывает очень холодно и очень жарко, в зависимости от того, есть поблизости источник теплового излучения или нет. К примеру, скафандр, в котором работают космонавты на орбите, рассчитан на эксплуатацию при температурах от – 100 до +100 градусов Цельсия. Но в космосе нет атмосферы, поэтому замерзнуть на ветру там невозможно, а вся передача тепла осуществляется излучением, прежде всего, инфракрасным. И человеку, и электронике для функционирования требуется выдерживать определенный баланс температур, поэтому им нельзя замерзать в тени и перегреваться под прямыми лучами Солнца. Для того чтобы остановить теплообмен между телом и внешней средой, на пути инфракрасных лучей необходимо поставить преграду – экран.

Такой преградой для космических аппаратов является ЭВТИ – экранно-вакуумная теплоизоляция. Вакуумная она не потому, что из нее откачивают воздух, а потому, что она выполняет свое предназначение в вакууме.

ЭВТИ – это многослойная «ткань» из тонкой пленки с металлическим напылением. Это напыление может быть алюминиевым, медным или золотым. На современных российских межпланетных станциях и телескопах используется металлизированная ЭВТИ на основе оксида индия, на американском зонде MAVEN – с германиевым напылением.

Такая теплоизоляция используется и на Земле. К примеру, в так называемых «Спасательных одеялах» (многослойные покрывала из металлизированной пленки, хорошо удерживающие тепло), но, поскольку внизу у нас еще есть ветер и дождь, то полной изоляции от холода она не дает.

В «золото» космические аппараты в массовом порядке стали одевать сравнительно недавно, примерно одно-два десятилетие назад, поэтому еще не все привыкли к их новому образу. Хотя золотистой теплоизоляцией были покрыты уже аппараты NASA в программах Gemini и Apollo. Но, к примеру, российский космический корабль «Союз» по-прежнему одевается в невзрачную «куртку».

На заре космонавтики экранная теплоизоляция достигалась блестящими полированными боками спутников или белой краской. Но по мере увеличения длительности эксплуатации аппаратов, становилось ясно, что требуется что-то более существенное.

В ранние «ватники», заворачивались лунные спускаемые аппараты серии «Луна». Например, «Луна-13» совершила мягкую посадку в 1966 году и проработала на поверхности Луны семь дней, пока не сели аккумуляторы. Примерно такой же тканью были укутаны и советские луноходы. Однако, на распространенных повсюду снимках и музейных макетах «Луноходы» изображены «голыми», поэтому сегодня нигде нельзя увидеть облик тех исторических аппаратов, что сейчас стоят на Луне.

Со временем теплозащита развивалась, и к 90-м годам стала все ближе подходить к нынешнему золотому цвету.

ЭВТИ на космическом аппарате «Марс-96» была ярко-оранжевой, но еще на тканевой основе. Во время старта такой тканью была покрыта практически вся станция.

Наконец, с приходом XXI века, началась «золотая» эпоха. При этом важно отметить, что разные производители ЭВТИ имеют разные технологии, ноу-хау и секреты. Каждый производитель космических аппаратов выбирает наиболее подходящую ему модель теплоизоляции. Далеко не всякая «золотая фольга» по факту оказывается золотой: металлов, дающих такой оттенок, несколько.

В России ЭВТИ производит «НИИ космических и авиационных материалов». Увидеть и сравнить разные типы теплоизоляции можно на фотоснимках космических аппаратов перед их размещением под головным обтекателем ракеты. Например, космический телескоп Gaia Европейского космического агентства запускался российской ракетой и разгонным блоком «Фрегат» производства НПО Лавочкина. На снимках видно, что ЭВТИ отличается, хоть и оба типа ткани имеют золотистый оттенок.

Можно обратить внимание, что «золотая пленка» несколько небрежно покрывает аппараты. Дело в том, что эта изоляция не должна прилипать к поверхности, а должна выступать именно экраном, находясь между телом и средой, чтобы отражать инфракрасные лучи обратно к источнику.

2. Меркурий

2.1. Messenger: знакомство и прощание с Меркурием

Кажется странным, что третья по близости планета к Земле до недавнего времени была хуже всего изучена. На Венеру и Марс слетало более десятка космических аппаратов. Даже у Юпитера земные посланники бывали чаще. У Сатурна два десятка лет проработала исследовательская станция Cassini. Кажется, что против Меркурия сложился настоящий заговор.

К сожалению, никакого заговора тут нет. Точнее есть, но это заговор сил природы. Меркурий очень близок к Солнцу, поэтому не все телескопы могут его наблюдать. Например, космический телескоп Hubble не может снимать из-за опасности засветки. Космическим аппаратам добраться до Меркурия сложнее, чем до Юпитера или даже Плутона. Летать во внешнюю Солнечную систему относительно просто – достаточно набрать третью космическую скорость: 16,65 км/с. Лететь к Меркурию тоже просто – стартовав с Земли, надо сбрасывать скорость.

Сложности начинаются, когда спутник пытается задержаться у Меркурия и выйти на его орбиту. Первая планета Солнечной системы – еще и самая маленькая, – ее масса незначительна по сравнению с колоссальной силой притяжения близкого Солнца. То есть, стартовав с Земли в сторону Меркурия, мы фактически будем падать на Солнце. В ходе падения будет возрастать скорость. Чтобы задержаться и выйти на орбиту Меркурия, потребуется много топлива.

Messenger

Из-за таких сложностей первый меркурианский исследователь от NASA – Mariner-10 вращался на околосолнечной орбите, только пролетая мимо планеты. Он всего трижды, в 1974-75-х годах, пролетел мимо Меркурия, успев снять менее половины видимой поверхности.

Этот снимок – практически единственное, что было у ученых для изучения поверхности планеты. Были еще некоторые результаты наземных наблюдений, например с радиотелескопов, но их явно не хватало для детального представления о планете.

Поэтому в 80-е задумали новую экспедицию. Для этого потребовалось просчитать новую траекторию, в которой космический аппарат активно использовал гравитацию ближайших планет. Новый зонд NASA Messenger, запущенный уже в 2004 году, использовал совершенно безумную траекторию, которая включала два пролета у Земли, два пролета у Венеры и три пролета у Меркурия, и только на четвертой встрече проходил выход на орбиту планеты. Такой маршрут требовал много времени, но экономил топливо, а значит, массу и стоимость всей экспедиции.

Пролетев почти 8 миллиардов километров (расстояние как до Плутона в его максимальном удалении), Messenger в очередной раз приблизился к Меркурию и вышел на эллиптическую орбиту. Он приближался к поверхности на 200 километров, а потом удалялся на 15 тысяч километров. Такая орбита требовалась по нескольким причинам. Прежде всего были технические ограничения: аппарат мог перегреться от солнечного излучения, отраженного от поверхности Меркурия. От прямых солнечных лучей Messenger прикрывался композитным щитом, но поверхность планеты отражает примерно 8 % солнечного излучения, что в тех местах тоже весьма немало. Кроме этого, эллиптическая орбита позволяла производить съемку и изучение Меркурия с разной широтой захвата изображения: от узких кадров высокого разрешения вблизи поверхности до широких – издалека.

Научные приборы космического аппарата позволяли провести широкий спектр планетологических исследований: камеры видимого и ближнего инфракрасного диапазона позволили рассмотреть и картографировать планету, наборы мультиспектральных фильтров – оценить цветовые вариации грунта; нейтронный, гамма и рентгеновский спектрометры помогли определить элементный состав поверхности и содержание воды в приповерхностном слое; лазерный высотомер создал карту высот Меркурия и помог «заглянуть» в вечно темные кратеры у полюсов планеты. Несколько приборов помогли изучить внешние условия, в которых приходилось работать спутнику и постоянно пребывать планете: магнитометр смог определить магнитное поле Меркурия; ультрафиолетовый спектрометр – изучить разреженную атмосферу и экзосферу, а датчик заряженных частиц – оценить воздействие солнечного ветра и заряженных частиц на планету.

И что же удалось сделать за четыре года?

Сначала никто и не предполагал, что аппарат столько протянет. Первоначально предполагалась работа на год. Затем работу аппарата продлили еще на год. Затем еще… В результате аппарат держали на орбите до последнего – пока позволял запас топлива.

Первым делом планету картографировали. Сбылась мечта многих астрономов и планетологов – они смогли заглянуть во тьму неизвестности. Впрочем, тьма еще оставалась в кратерах «вечной ночи» у полюсов планеты.

Ось вращения Меркурия практически не отклонена и перпендикулярна плоскости орбиты, поэтому на планете нет смены времен года, а в глубокие кратеры на полюсах Меркурия никогда не заглядывает Солнце.

С этими теневыми участками связана первая интрига. Радиоастрономические наблюдения планеты еще в 90-е годы выявили интересные подробности – у полюсов нашли участки, которые отражали радиоволны практически так же, как это должен был бы делать водяной лед. Лед? На планете, где температура на экваторе днем достигает +350 градусов Цельсия?

Радиоастрономам не верили до тех пор, пока не прилетел аппарат Messenger. Первое открытие, которое он сделал – определил, что участки «блестящие» в радиодиапазоне, точно соответствуют участкам вечной тени в приполярных кратерах. Дальше помог нейтронный спектрометр – он сумел определить, что в приполярных регионах все-таки есть вода, то есть данные этого прибора тоже оказались в пользу существования на Меркурии льда. Хотя его разрешающая способность не позволяла точно привязать затененные кратеры к повышенной концентрации воды в грунте.

Для исследования содержимого кратеров в «вечной тьме» использовали лазерный дальномер. Разумеется, его интенсивности не хватило бы для использования в качестве фотовспышки. Но дальномер позволил определить интенсивность отраженного лазерного луча, и первые попытки посветить лазером в ледники дали обескураживающий результат – предполагаемый «лед» оказался примерно в два раза темнее, чем грунт, окружающий кратеры.

Наконец, лазерный дальномер поймал блеск: поверхность самых приполярных и глубоких кратеров отразила света в четыре раза больше, чем это делал окружающий грунт, – очередное доказательство наличия льда было получено. Но что же стало с черными-черными кратерами? Для того чтобы понять, что творится во тьме, пришлось разработать новую термическую модель поверхности. Оказалось, что в кратерах, куда хоть немного заглядывает Солнце, свет немного отражается от стенок и освещает дно. И именно это объяснило, почему аппарат не увидел там льда – даже слабенький свет, отражаемый стенками кратера, все равно способен растапливать лед, лежащий на дне. А чтобы понять, что же мы тогда видим, надо вспомнить, откуда на Меркурии вообще может быть лед.

Главным источником льда и воды во внутренней Солнечной системе считаются кометы. Хотя исследование, проведенное аппаратом Rosetta на комете 67P/Чурюмова-Герасименко, поставило под сомнение кометное происхождение земных океанов, а исследование автоматической межпланетной станции LRO, в том числе российского прибора LEND, поставило под сомнение кометное происхождение воды на Луне, о происхождении льда на Меркурии можно говорить увереннее. В его окрестностях кометы появляются гораздо чаще, так как Солнце тянет их своей гравитацией как мух к меду. Поэтому кометы намного чаще падают на Меркурий, чем на какое-либо другое тело в Солнечной системе, за исключением, конечно, Солнца. В момент падения кометы вода испаряется, чтобы потом сконденсироваться в виде снега только там, где достаточно холодно и темно, то есть в кратерах на полюсах.

Комета по своей структуре – это «грязный снежок»– кусок льда с пылью и углеродными соединениями, по текстуре напоминающими уголь. Вот здесь-то ученые и подобрались к ответу на загадку темных кратеров. Темнее местного грунта оказалась органика. Замерзшая вода, принесенная кометами вперемешку с пылью и органическими соединениями, покоится на дне выбитых кратеров. Там, где свет попадает в кратер, верхний слой льда испаряется, оставляя только темный слой органических соединений. Вода и органические соединения – казалось бы, лучшие ингредиенты для зарождения жизни, но для поддержания воды в жидком состоянии, не хватает плотной атмосферы, поэтому, как и на кометах, на Меркурии не может зародиться жизнь.

Зато меркурианские загадки на этом не заканчиваются. Аппарат Messenger рассмотрел еще одну особенность поверхности планеты, которую так и не смогли окончательно объяснить. Странные участки выщербленного грунта, которые назвали «впадинами» (hollows), встречаются практически по всей территории Меркурия. Пока ученые могут только сказать, что впадины имеют недавнее происхождение, настолько, что, возможно, процесс их формирования продолжается до сих пор. Это удалось определить по наличию метеоритных кратеров. Точнее, по их отсутствию, что говорит о сравнительной молодости этих образований. Впадины обнажают нижележащий грунт голубоватого или синеватого цвета. Какую-то привязку впадины имеют к выходам вулканической лавы, но эти вулканы успокоились задолго до того, как начали формироваться впадины. Считается, что это некий летучий минерал, который медленно испаряется под воздействием солнечных лучей или даже заряженных частиц, но приборы Messenger не позволили точно определить состав и характеристики изменяющегося грунта.

Другими, не такими интригующими, но любопытными открытиями на Меркурии стали магнитное поле и признаки недавнего вулканизма.

Магнитное поле Меркурия в сто раз слабее земного, но даже такая интенсивность указывает на жидкое ядро планеты и продолжающиеся токи в нем.

Относительно недавно успокоившиеся вулканы тоже стали сюрпризом. Возможно, еще динозавры могли бы наблюдать извержения на Меркурии, если бы, конечно, обладали соответствующей техникой.

Уникальное в истории космонавтики наблюдение Messenger сделал, взглянув на систему Земля/Луна. Он даже смог показать лунное затмение, когда Луна скрылась в тени Земли.

Космический аппарат работал на орбите Меркурия более четырех лет. С каждым годом орбита спутника снижалась, и ученые использовали это для получения снимков с повышенным разрешением для более тщательного осмотра местности.

К концу 2014 года аппарат полностью исчерпал запасы топлива, но продлить его время работы на несколько месяцев удалось, обеспечив реактивный импульс сжатым гелием, который предназначался для создания давления в топливных баках.

Наконец пришло время прощаться с космическим аппаратом. 30 апреля 2015 года с «последним вздохом» двигательной установки спутник был направлен к месту своего вечного успокоения.

На этом история Messenger закончилась. Но не закончилась наука. Ученым еще предстоит обработать немало данных, и результатом будут новые открытия. Тем более что теперь Меркурий снова останется наедине с собой и кометами почти на 10 лет. Следующий европейско-японский аппарат BepiColombo прибудет к Меркурию не ранее 2024-го года. Ожидается, что BepiColombo сможет разгадать загадки, оставленные Messenger.