НАСА хочет растопить лед спутника Юпитера: зачем это нужно и к чему приведет

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».

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.

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.

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».

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.

Читать далее:

Блазар, который нашли 20 лет назад, оказался экстремальным объектом

TESS открыл «новую Землю»: каменная планета с водой находится в обитаемой зоне

Посмотрите на последствия столкновения в 1181 году двух звезд

^{_{На обложке: коллаж «Хайтек»
Источники фото: Britney Schmidt/Dead Pixel VFX/Univ. of Texas at Austin, NASA}}