Есть ли жизнь на спутнике Юпитера — Европе? Действительно ли под ее ледяным панцирем скрывается жидкий океан соленой воды? Для выполнения российской миссии к Юпитеру сотрудники НИИЯФ МГУ решают одну из основных проблем — как снизить накопление радиации на беспилотном космическом аппарате, чтобы продлить срок его службы.

«На космическом аппарате за 8 миллиметрами алюминия в области орбиты Европы за два месяца набирается доза радиации почти 1 миллион рад. Для сравнения, на орбитах спутников Земли ГЛОНАСС даже за вдвое меньшей защитой на получение такой дозы потребуется 25 лет, — говорит сотрудник НИИЯФ МГУ Михаил Подзолко, работающий над российской миссией к Юпитеру. — Это предельно высокий уровень радиации даже для электроники «военного» класса».

Если жизнь есть в подледном океане Европы, то она защищена от внешней радиации льдом толщиной до 10 километров. Существует гипотеза, что на поверхность спутника через трещины, появляющиеся из-за внутренних приливов и отливов под воздействием мощной гравитации Юпитера, из глубин поднимается вещество, которое может содержать признаки органической жизни.

Для исследования Европы и других спутников Юпитера Россия взялась за работу над миссией «Лаплас», названной в честь великого ученого, который построил точную теорию движения спутников Юпитера. Зарубежные космические агентства в настоящее время также работают над новыми проектами полета к Юпитеру. Последний вариант миссии NASA — Europa Clipper, предполагает несколько десятков пролетов космического аппарата вблизи Европы. ESA сосредоточилась на проекте JUICE (Jupiter Icy Moon Explorer) миссии к другому спутнику Юпитера — Ганимеду.

Один из вариантов российской миссии предполагает вывод автоматического космического аппарата на орбиту вокруг Европы, а также в этой или последующих миссиях — посадку на ее поверхность (для сравнения прорабатывается также и вариант посадки на Ганимед). Над проектом работают сотрудники Института космических исследований РАН, НПО имени С.А. Лавочкина, Научно-исследовательского института ядерной физики МГУ (НИИЯФ МГУ), Института прикладной математики имени М.В. Келдыша РАН и других российских институтов. Юпитер, как и Земля, обладает радиационными поясами. Радиационный пояс — это название области, где концентрируются захваченные магнитным полем планеты высокоэнергичные заряженные частицы — в основном электроны и протоны. Их потоки в поясах Юпитера на 2 порядка больше, чем около Земли. Кроме того, в отличие от Земли, в радиационных поясах Юпитера имеются значительные потоки электронов очень высоких «релятивистских» энергий, то есть летящих со скоростью близкой к скорости света, вплоть до 100 мегаэлектронвольт.

Внутри радиационного пояса Юпитера находятся орбиты трех крупных спутников — Ио, Европы и Ганимеда. На орбите каждого спутника своя радиационная обстановка — чем ближе к планете, тем опаснее.

Фото НИИЯФ МГУ Дозы радиации за разными толщинами защиты аппарата в зависимости от расстояния до Юпитера в плоскости экватора. В области орбиты Европы доза за защитой 1 мм алюминия составит ?100 тыс. рад/сутки, за 4 мм — 30 тыс. рад/сутки, за 8 мм — 15 тыс. рад/сутки, за 2 см — 3.5 тыс. рад/сутки. В области орбиты Ганимеда дозы в 50−100 раз ниже.
Ближе к Юпитеру находится Ио, немного дальше Европа, и на более значительном расстоянии располагается Ганимед. Как видим, планируемый полет к Европе сопряжен с очень большим радиационным риском.

Стоит вспомнить, что первым искусственным спутником Юпитера был космический аппарат NASA «Галилео». Полет «Галилео» в системе Юпитера включал 35 сильно вытянутых витков и продолжался с 1995 по 2003 годы. При этом общее время, проведенное спутником в радиационных поясах планеты, составило примерно 2 месяца, за которые аппарат, имевший защиту толщиной около 8 миллиметров (или 2,2 г/см?) алюминия, получил дозу свыше 650 тысяч рад, что вызвало существенные радиационные повреждения. При сближении с Юпитером космический аппарат исследовал его спутники — Каллисто, Ганимед, Европу, Ио, Амальтею.

Итак, как же минимизировать радиационный риск для космического аппарата? При исследовании выяснилось, что потоки высокоэнергичных заряженных частиц вблизи Европы в некоторой степени экранируются самой Европой. «Моделирование траекторий движения высокоэнергичных заряженных частиц в магнитном поле Юпитера относительно Европы позволило найти области на поверхности Европы и орбите вокруг нее, где радиация меньше», — отмечает Михаил Подзолко.

Наиболее безопасными местами для посадки аппарата оказались области высоких широт и «передняя» сторона Европы относительно направления ее движения по орбите, где доза радиации снижена практически в 10 раз. Для орбитального аппарата на высоте 100 километров над поверхностью наиболее безопасной будет орбита с высоким наклонением. На ней космический аппарат получит дозу порядка четверти от максимальной, то есть 250 килорад за 2 месяца за такой же защитой, как у «Галилео». На российском аппарате «Лаплас», вероятно, будет применена защита вдвое толще, что дополнительно снизит радиационную нагрузку.

Надо учесть, что космический аппарат не выйдет на орбиту вокруг Европы сразу при прилете к Юпитеру — это потребовало бы колоссального расхода топлива на торможение. Сначала он выйдет на сильно вытянутую орбиту вокруг Юпитера, после чего совершит некоторое количество витков с пролетами около Ганимеда и, возможно, Каллисто, используя их гравитацию для постепенного торможения. Общее время гравитационных маневров может составить более года. За этот срок из-за пролетов через радиационные пояса Юпитера космический аппарат также подвергнется значительной радиационной опасности. Чтобы уменьшить и радиационную нагрузку, и затраты энергии сотрудники НИИЯФ МГУ, ИКИ РАН, ИПМ имени М.В. Келдыша РАН и другие разработчики решают сложную задачу оптимизации траектории.

«Миссия к спутнику Юпитера Европа из разряда трудноосуществимых становится сложной, но выполнимой задачей», — резюмирует Михаил Подзолко. Старт полета к Юпитеру планируется в 2026 году.