Лунная обсерватория: гигантский телескоп

Лунная обсерватория: гигантский телескоп

Отсутствие атмосферы и залежи доступного строительного материала делают Луну идеальным плацдармом для постройки гигантских телескопов.
Владимир Санников

Весной этого года мировое астрономическое сообщество было взбудоражено докладом команды профессора Питера Чена из Центра космических полетов NASA имени Годдарда на конференции в Сент-Луисе. Исследователи представили оригинальную концепцию создания лунного телескопа с такими свойствами, какими не обладает ни один из существующих ныне астрономических приборов. Профессор Чен предложил построить телескоп с диаметром главного зеркала около 50 м прямо на Луне, используя для этого самый доступный материал — лунную пыль. Комплекс из двух или более таких телескопов с невероятной разрешающей способностью, установленных на лишенном атмосферы спутнике Земли, даст возможность ученым разглядеть спектры атмосферы планет в других звездных системах и обнаружить там следы озона и метана, свидетельствующие о возможности жизни. Более того, Чен считает, что в гигантские зеркала можно превращать целые кратеры.

Основной элемент любого телескопа-рефлектора — это зеркало, фокусирующее свет. Современные технологии позволяют делать большие зеркала, состоящие из многих сегментов: на Гавайях, к примеру, уже давно работают два десятиметровых рефлектора — телескопы Keck1 и Keck2, а самый большой в мире зеркальный телескоп Gran Telescopio Canarias имеет диаметр 10,4 м. Планируемый к запуску в 2013 году орбитальный телескоп James Webb будет оснащен многосегментным зеркалом диаметром 6 м. Питер Чен и его коллеги Даг Рабин, Майкл ван Стенберг и Рон Оливерсен, замахнувшиеся на 50-метровое зеркало, считают, что для постройки рефлектора-гиганта достаточно доставить на Луну всего лишь несколько килограммов углеродных нанотрубок, пару центнеров эпоксидной смолы и немного алюминия.

Пятидесятиметровый исполин Пятидесятиметровый исполин Примерно так мог бы выглядеть телескоп диаметром 50 метров с многосегментным зеркалом. Если строить такой телескоп на Луне, все детали поддерживающих конструкций придется везти с Земли.

Лунный бетон

Процесс изготовления зеркала по технологии Чена предусматривает отливку заготовки методом центробежного литья (спинкастинга) и последующее нанесение на нее отражающего слоя из алюминия. Лунная пыль, или реголит, играет роль наполнителя, а связующим материалом в смеси служит эпоксидная смола. По мере заполнения формы она постепенно затвердевает и образует готовое основание для зеркала. В состав смеси кроме лунной пыли Чен планирует добавлять углеродные нанотрубки и волокна для повышения прочности и снижения конечной усадочной деформации заготовки. Кроме того, углеродные нановолокна должны придать полученному материалу электропроводность и повышенную устойчивость к суточным перепадам температуры, которые на Луне достигают почти 300 градусов. Последний этап процесса — нанесение на основание зеркала тончайшего отражающего слоя из алюминия. После этого астронавтам останется лишь установить суперзеркало на подвижную платформу и подключить управляющую электронику. Примерно таким же образом можно, по мнению Чена, наладить производство строительных блоков для возведения обитаемых лунных станций. Ведь по прочности полученный материал соответствует бетону. Гигантские лунные зеркала также могут играть роль концентраторов солнечного света для превращения его в электричество. Все просто, уверяет Чен. Но это только на первый взгляд.

Радиограмма в бездну Радиограмма в бездну В течение последних трех лет большим коллективом ученых и инженеров под руководством Джозефа Лацио разрабатывается проект лунного радиотелескопа-интерферометра DALI (Dark Ages Lunar Interferometer), предназначенного для установки на обратной стороне Луны. Наиболее удачным местом для размещения DALI считается кратер Циолковский, где имеются не характерные для обратной стороны Луны области с очень ровной поверхностью. Сборка и настройка прибора будет произведена на Земле в идеальных лабораторных условиях. Лунная пыль для радиотелескопа не является преградой. Его антенна, похожая на огромного паука диаметром около 500 м, будет представлять собой шесть радиальных лент с антенными элементами, которые будут доставлены на Луну в свернутом виде и затем развернуты с помощью моторных модулей. DALI поможет ученым проникнуть в тайну юности нашей Вселенной — «темную эпоху», охватывающую сотню миллионов лет после Большого взрыва. В этот промежуток времени во Вселенной еще не было звезд, пространство было заполнено атомарным водородом. Регистрируя радиоизлучение атомов водорода на длине волны в 21 см, астрономы получат возможность изучить эту эпоху, процесс возникновения первых звезд, галактик и дальнейшей эволюции Вселенной. Рабочий радиодиапазон интерферометра DALI будет охватывать длины волн от 21 см до нескольких метров — это связано с тем, что в процессе расширения Вселенной излучение атомов водорода «удлиняется» за счет красного смещения. С Земли точные измерения в этом диапазоне производить сложно из-за наличия ионосферы, которая искажает доходящие до нас сигналы из космоса. На фото: при вращении поддона с ртутью жидкость образует параболическую поверхность, которую можно использовать в качестве основного зеркала телескопа. Кривизну поверхности можно менять, изменяя скорость вращения поддона.

В качестве подтверждения своей концепции Питер Чен и его коллеги продемонстрировали прототип лунного зеркала диаметром 30 см, сделанного по описанной методике из эпоксидной смолы и имитатора лунной пыли типа JSC-1A Fine. Тончайший зеркальный слой из алюминия был нанесен на его поверхность методом напыления в вакууме. Качество зеркала получилось отличным. Но комфорт земной лаборатории и проведение работ на Луне в экстремальных условиях — совсем не одно и то же. Главный враг всех механизмов, как, впрочем, и астронавтов, на Луне — вездесущая лунная пыль. Она обладает очень высокой абразивностью и настолько электризована ультрафиолетовым солнечным излучением, что ее верхний слой нависает над поверхностью Луны, как рыхлый туман. Она буквально прогрызает все движущиеся механизмы, стоит ей лишь попасть между трущимися деталями. Для надежной работы в агрессивных лунных условиях необходима совершенно новая специальная техника и машины, защищенные от пыли. Пока их просто не существует.

Зеркальная карусель

Другая проблема — создание идеальной рабочей поверхности зеркала. Естественно, что методом центробежного литья создать идеальную параболическую поверхность невозможно даже в земных условиях. Прецизионная механическая обработка зеркала диаметром несколько десятков метров — непростая задача. Каким способом это будет сделано — пока не ясно. Нет ответа и на вопрос о технологии нанесения финишного зеркального слоя из алюминия в условиях запыленности. Кроме того, пока не изучены вопросы долговечности композитно-реголитового материала в условиях высокой радиации и экстремальных температур. Да, доставить на Луну 1,3 кг углеродных нанотрубок, 60 кг композитной смолы и 1 г алюминия, которых достаточно для создания зеркала, равного по размерам главному зеркалу орбитального телескопа Hubble, намного проще, чем везти с собой готовую деталь таких размеров, даже в виде отдельных сегментов. Но как доставить на Луну механизмы, с помощью которых будет осуществлен весь комплекс работ? Загадка. Метод центробежного литья предусматривает наличие вращающейся герметичной литейной формы. И если диаметр заготовки зеркала составит 50 м, то сама форма должна быть еще больше. Из чего она будет сделана? И на этот вопрос пока нет ответа.

Заявление профессора Чена о том, что его командой создана технология постройки астрономического прибора на Луне по неастрономическим ценам, многие специалисты считают несколько преждевременным. Физик Джеймс Спанн из Центра космических полетов имени Маршалла говорит: «Идея отличная. Но как вы доставите на Луну громадную вращающуюся платформу для центробежного литья? И даже если вы решите эту проблему, то какой механизм потребуется для ее вращения? Сколько часов работы в лунной пыли он сможет выдержать?» Несмотря на это Спанн считает, что другая часть замысла профессора Чена — создание на Луне строительных блоков из композитно-реголитовой смеси — очень перспективна. Совершенно немыслимо завозить строительные материалы для лунных поселений с Земли, когда вокруг находится невероятное количество горной породы. Ли Файнберг, руководитель проекта орбитального телескопа James Webb, который начнет работу на орбите в 2013 году, считает, что осуществление проекта гигантской лунной обсерватории станет возможным лишь после создания на Луне постоянных поселений и индустриальных комплексов.

Наливай и смотри Наливай и смотри Впервые идея о жидком параболическом зеркале для телескопа-рефлектора пришла в голову сэру Исааку Ньютону, который описал основной принцип создания зеркала. Только во второй половине XIX века к идее Ньютона вернулся итальянский астроном Эрнесто Капоцци из обсерватории Каподимонте. Он опубликовал детальное описание принципов работы телескопа с жидким зеркалом и произвел расчеты оптимальных угловых скоростей вращения для создания идеальной параболы. В 1850 году Капоцци изъявил желание построить прототип такого рефлектора для Бельгийской Академии наук, но та отказалась от подобной затеи. Еще через 20 лет телескопами с жидким зеркалом заинтересовался новозеландский астроном Генри Скей из обсерватории Дунедин. Скею удалось построить действующую модель рефлектора с диаметром зеркала 35 см. В 1909 году знаменитый физик Роберт Вуд из Университета Джонса Хопкинса опубликовал серию материалов, описывающих работу его 51-сантиметрового телескопа с жидким зеркалом. С его помощью он сумел сделать многочисленные качественные фотографии звезд. Разрешающая способность этого прибора позволяла различать мельчайшие двойные звезды с угловым расстоянием до 2,3 секунды. Для исключения неравномерности вращения Вуд сконструировал особую систему подвеса чаши с ртутью. Целых 73 года идея пролежала под сукном, пока в 1982 году ею не заинтересовался канадский ученый Эрманно Борра. Он изучил и переработал труды Вуда в свете последних достижений науки и техники и сумел построить действующий прототип прибора с диаметром жидкого зеркала 1,5 м, в качестве рабочего тела применив ртуть. Впоследствии вместе с профессором Хиксоном из Университета Беркли Борра разработал и осуществил проект трехметрового рефлектора. В настоящее время в мире построено уже немало подобных астрономических приборов, крупнейшим из которых является телескоп Large Zenith, находящийся в Канаде. На фото: телескоп с вращающимся жидким (ртутным) зеркалом требует точного выравнивания и специальных подшипников, позволяющих исключить неравномерность вращения. Кроме того, такой телескоп может быть направлен только вертикально вверх — в зенит.

Звезды в бассейне

Еще одна оригинальная концепция лунного телескопа принадлежит физикам Роджеру Эйнджелу из Университета Аризоны и профессору Эрманно Борра из Университета Британской Колумбии. Эйнджел и Борра предлагают создать на Луне телескоп-рефлектор с жидким зеркалом. Подобные оптические приборы уже давно используются в земных обсерваториях. Телескопы с жидким зеркалом не заменяют классические рефлекторы функционально, но почти в сто раз дешевле при равных размерах главного зеркала. Основной компонент таких приборов — ртуть, налитая во вращающуюся ванну. Центробежная сила и гравитация создают вогнутую зеркальную параболическую поверхность с регулируемой кривизной. Наиболее сложная часть такого телескопа — привод, осуществляющий плавное и очень точное вращение ванны с заданной угловой скоростью. С начала 1990-х годов на всех существующих рефлекторах с жидким зеркалом применяется прямой электрический привод платформы на аэростатическом подшипнике, разработанный специалистами NASA. Статор привода интегрирован в корпус подшипника, а ротор напрямую соединен с платформой ванны. Благодаря низкой чувствительности к внешним воздействиям аэростатического подшипника (воздушной прослойки, постоянно нагнетаемой компрессором) можно чрезвычайно точно регулировать кривизну зеркала с помощью оптического датчика. При возникновении ряби на поверхности вращающейся ртути привод выключают, а затем запускают вновь.

Недостаток у телескопа с жидким зеркалом один: он может быть направлен только вертикально вверх, в зенит. Самый большой в мире телескоп с жидким зеркалом — рефлектор Large Zenith Telescope, установленный в обсерватории Университета Британской Колумбии в Канаде. Диаметр его ртутного зеркала равен 6 м, а масса ванны — 3 т. Но для Луны Эйнджел и Борра готовят нечто более масштабное — стометровый вращающийся рефлектор, установленный на одном из полюсов нашего пыльного спутника! По словам Борра, ведущего в мире эксперта по телескопам с жидким зеркалом, разрешающая способность такого прибора будет на порядок выше, чем у ныне действующего Hubble и будущего его сменщика на орбите — телескопа James Webb.


Лунная пыль: друг или враг?

Американские астронавты, побывавшие на Луне, на себе испытали все «прелести» лунной пыли. Кроме того, что она буквально истирала, как наждак, одежду, резину и даже металлы, она еще и прилипала намертво ко всему, чего касалась. Стряхнуть ее со скафандров было практически невозможно. Частично это неприятное свойство обусловлено угловатой неправильной формой пылинок, напоминающей одежную «липучку» велкро. Но все же основная причина кроется в том, что эта пыль легко электризуется под действием солнечного ультрафиолета.
Команда ведущего специалиста лаборатории NASA по электростатике Карлоса Кале пытается бороться с лунной пылью, используя ее же сильные стороны. Карлос Кале рассказывает: «В 1970-х годах профессор Токийского университета Сеничи Масуда, признанный авторитет в изучении электростатики, придумал так называемую электрическую завесу». Масуда и не думал ни о какой лунной пыли, он занимался созданием тонких воздушных фильтров. Зная, что частицы смога зачастую электрически заряжены, Масуда попробовал улавливать их с помощью нескольких пар электродов, создающих электрическое поле. Частицы пыли, получившие заряд от одного из электродов, притягивались к противоположному и оседали там. На основе этого эффекта Калле и его коллеги пытаются создать так называемый прозрачный электродинамический щит для лунных солнечных панелей, оптики и шлемов астронавтов. Подходящий материал для прозрачных электродов уже найден — это титанат оксид индия (ITO). Основная трудность работы Калле заключается в отсутствии лунной пыли для экспериментов. Искусственный реголит в отличие от настоящего не содержит наночастиц железа, поэтому работу электродинамического щита можно проверить пока лишь теоретически.
Еще один борец с лунной пылью, профессор Университета Теннесси Лари Тэйлор, предлагает плавить ее с помощью магнетронов, которые служат излучателями в микроволновых печах. Наночастицы железа, входящие в состав лунной пыли, при воздействии на них микроволнового излучения быстро раскаляются и сплавляют между собой стекловидные пылинки. Достаточно мощный магнетрон способен превратить в стеклоблоки полуметровый слой пыли. Тэйлор утверждает, что таким образом на Луне можно будет прокладывать дороги с твердым покрытием и даже превращать в стекло целые кратеры.

Тоска по атмосфере

Как и в случае с концепцией профессора Чена, выбор материалов и технологий строительства для такого гигантского сооружения на Луне будет весьма непростым делом. Например, от ртути придется отказаться сразу — она попросту замерзнет при температуре ниже -40°С. В качестве рабочего тела Эйнждел с коллегами предлагают выбрать специальные низкотемпературные солевые расплавы (ионные жидкости). Подобные жидкости уже существуют и легко выдерживают охлаждение до -170°С, но, к сожалению, их отражающая способность невелика. Нанесение на их поверхность металлического покрытия — большая, но все же решаемая проблема. Это может быть либо вакуумное напыление паров серебра, либо покрытие из эластичной металлизированной полимерной пленки. В лабораторных условиях Эрмано Борра и его ученик Омар Седдики сумели нанести тончайшее серебряное покрытие на жидкое зеркало из солевого расплава диаметром 5 см. «Это похоже на попытку покрасить воздух. Но это возможно!» — говорит Борра.


Срочно требует реголит!

Для тестирования различных технологий, связанных с освоением Луны, компаниям и университетам требуются не килограммы, а сотни тонн лунной пыли. Одной только компании Caterpillar необходимо от двух до четырех тонн лунного грунта для разработки тяжелой строительной техники, которая сможет работать на Луне. В то же время все запасы настоящей породы, привезенные миссиями Apollo, уже давно истрачены. Песчаная лунная поверхность состоит главным образом из смеси стекловидных частиц неправильной формы с вкраплениями самородных металлов и осколков различных горных пород, образовавшихся в результате постоянной бомбардировки поверхности Луны метеоритами и воздействием жесткой солнечной радиации, причем в разных районах Луны реголит очень сильно отличается по составу и механическим свойствам.
Еще в начале 1960-х при подготовке полетов астронавтов на Луну NASA создало 34 типа имитаций лунного грунта для моделирования условий, в которые могут попасть астронавты. Но тем не менее астронавты оказались не готовы к встрече с реальной лунной пылью, которая намертво прилипала к одежде, выводила из строя оборудование и царапала поверхность оптических приборов. Последующее изучение привезенного с Луны в период с 1969 по 1972 годы реголита, его химического состава и свойств, проведенное профессором Джеймсом Картером из Техасского университета, привело ученых к мысли, что изготовление имитатора лунного грунта возможно в земных условиях. Именно Картер и возглавил эту работу под эгидой NASA в 1991 году. Через два года он сумел создать вещество, очень похожее на настоящий реголит из вулканического пепла, базальта и множества различных добавок. Оно было названо JSC-1 (аббревиатура от Johnson Space Center). Партия черного порошка объемом 25 т была расфасована в 25-килограммовые мешки и полностью разошлась по различным университетам и лабораториям, проводившим космические исследования. Впоследствии на основе JSC-1 были созданы еще несколько различных модификаций искусственной лунной пыли. В настоящее время работы по созданию более совершенных имитаторов лунной пыли проводятся в Космическом центре им. Маршалла. Ученые пытаются создать базовую смесь, на основе которой в дальнейшем можно будет получать реголит различного состава, характерный для конкретных районов Луны.

Более сложная с технической точки зрения задача — создание вращающегося привода для колоссального сооружения. Аэростатический подшипник на Луне использовать нельзя, ведь атмосфера там отсутствует. Роджер Эйнджел предлагает применить вращающееся основание на магнитной подушке с электроприводом. В нем нет внешних трущихся элементов, которые бы могли быть повреждены лунной пылью, поэтому угловая скорость вращения и вертикальная ориентация могут точно контролироваться. А как быть с гигантской несущей ванной? Ведь она должна быть изготовлена прямо на Луне. В отличие от концепции Питера Чена, в данном случае проблема имеет более реалистичное решение. Ванна для солевого расплава не требует сверхточной обработки рабочей поверхности. Вполне достаточно придать ей гладкую параболическую форму. Собрать ее можно поэлементно из тех самых строительных блоков на основе лунной пыли, которые описывает Чен. С Земли надо будет доставить на Луну лишь емкость с расплавом и механизм вращения, который может быть достаточно компактным. Лунная гравитация в шесть раз меньше земной, и предметы на ее поверхности также весят вшестеро меньше. Стометровая ванна будет весить всего лишь несколько тонн — такую нагрузку выдержал бы даже обычный автомобильный домкрат.

Но даже если ученым удастся решить все технологические проблемы и построить один из этих лунных телескопов, то вопросы все равно останутся. Как защитить чувствительные зеркала оптических телескопов от постоянной бомбардировки метеоритами различного калибра? Как предотвратить запыление зеркал, если пыль даже сдуть нечем? В этом случае отсутствие атмосферы на Луне из положительного фактора превращается в отрицательный, и очень серьезный.

Статья опубликована в журнале «Популярная механика» (№12, Декабрь 2008).
Понравилась статья?
Подпишись на новости и будь в курсе самых интересных и полезных новостей.
Спасибо.
Мы отправили на ваш email письмо с подтверждением.
Комментарии

Авторизуйтесь или зарегистрируйтесь,
чтобы оставлять комментарии.