Безбилетные пассажиры отправятся к Луне

Credit: NASA

Безбилетные пассажиры на массивной лунной ракете НАСА обещают большую науку в маленьких упаковках.

Когда в этом месяце самая мощная ракета НАСА совершит свой первый полет, ее самая важная полезная нагрузка будет состоять из трех манекенов с приборами, которые отправятся в 42-дневное путешествие на орбиту Луны.

Они заменяют астронавтов, которых 98-метровая ракета Space Launch System (SLS), должна доставить на Луну уже в 2025 году в рамках программы NASA Artemis. Но когда SLS стартует 29 августа, в полете будут и другие путешественники: 10 CubeSat, спутников размером не больше небольшого портфеля, которые будут изучать Луну, астероиды и радиационную среду глубокого космоса.

Исследователи, которые построили эти спутники, испытывают больше, чем обычное беспокойство при запуске: у половины из них может не хватить энергии, чтобы начать свои миссии. Застряв внутри ракеты более чем на год из-за задержки запуска, их батареи разряжены до уровня, при котором некоторые не могут загрузиться и развернуть свои солнечные панели. «Чем дольше мы ждем, тем выше риск», — говорит Бен Малфрус из Университета штата Морхед, руководитель проекта Lunar IceCube, одного из CubeSat, у которого есть проблемы с электропитанием.

На карту поставлены не просто данные, а испытание CubeSats в качестве зондов для дальнего космоса. «Мы находимся на этапе перехода от любопытства и учебного пособия к платформе для настоящей науки», — говорит Мальфрус. CubeSat легко собрать из стандартных деталей,  от экономных ионных двигательных установок до миниатюрных радиопередатчиков, поставляемых растущей коммерческой базой. Это позволяет исследователям сосредоточиться на разработке инструментов, способных собирать новые данные, если они смогут упаковать их в пакет CubeSat.

Небольшой размер и стандартизация также делают CubeSats дешевыми. При стоимости в миллионы долларов по сравнению с сотнями миллионов за более крупный автономный спутник на собственной ракете они могут выполнять более рискованные миссии, в том числе путешествовать автостопом на непроверенном носителе SLS. «Когда дело доходит до CubeSats, неудача возможна», — сказал Бхавья Лал, помощник администратора НАСА по технологиям, политике и стратегии, на брифинге в начале этого месяца.

Несколько SLS CubeSat будут сосредоточены на лунном льду, который заинтриговал исследователей с тех пор, как Lunar Prospector НАСА обнаружил сигнал, напоминающий воду, в конце 1990-х годов. Используя детектор нейтронов, он заглянул в холодные, постоянно затененные области в полярных кратерах. Во многих зонд обнаружил любопытное подавление нейтронов, что лучше всего объясняется избытком водорода в самом верхнем слое почвы.

Исследователи предполагают, что большая часть водорода представляет собой водяной лед, доставленный в результате древних столкновений с кометами или астероидами и застрявший в самых холодных и темных лунных нишах. Но водород также может быть имплантирован солнечным ветром. Когда ионы водорода в ветре ударяются о кислородсодержащие минералы в лунном грунте, они создают гидроксил, который может быть преобразован в воду в результате последующих реакций. Если на Луне будет достаточно воды, ее можно будет использовать для сельского хозяйства и жизнеобеспечения, а также разделить на водород и кислород для ракетного топлива. «Это будет более экономично, чем доставлять его с Земли», — говорит Ханна Сарджент, планетолог из Университета Центральной Флориды.

Lunar Polar Hydrogen Mapper (LunaH Map), SLS CubeSat под руководством Крейга Хардгроува из Аризонского государственного университета, Темпе, попытается улучшить карты Lunar Prospector с помощью орбиты, которая парит всего в 12–15 километрах над Южным полюсом. В течение 280 проходов с помощью детектора нейтронов команда надеется составить карту избыточного водорода с разрешением от 20 до 30 километров, что примерно в два раза лучше, чем у Lunar Prospector. «Мы можем отличить один [глубокий кратер] от другого», — говорит Хардгроув. По его словам, кратеры, в которых не хватает водорода, или обогащение за пределами холодных убежищ могут указывать на относительно недавнее воздействие, которое выбросило лед и перераспределило его.

Lunar IceCube будет оснащен спектрометром, который может обнаруживать инфракрасные следы воды или гидроксила. Поскольку устройство зависит от отраженного света, оно будет наиболее чувствительно к признакам гидроксила и воды в освещенных солнцем регионах в более низких широтах. «Они действительно изучают [влияние] солнечного ветра день за днем», — говорит Бенджамин Гринхаген, планетолог из Лаборатории прикладной физики Университета Джона Хопкинса.

Когда НАСА запустит свою гигантскую ракету к Луне, она также доставит 10 небольших спутников за пределы низкой околоземной орбиты. У некоторых миссий могли возникнуть проблемы с питанием при запуске, после того как половине спутников не разрешалось перезаряжать батареи.

10 лунных автостопщиков:

ArgoMoon Monitor release of Cubesats, rocket stage Italy’s space agency
BioSentinel Study radiation effects on yeast NASA (Ames Research Center)
CuSP Study solar wind and magnetic fields Southwest Research Institute X
EQUULEUS Image Earth’s plasmasphere Japan’s space agency
LunaH Map Study lunar ice Arizona State University X
Lunar IceCube Study lunar ice Morehead State University X
LunIR Test novel infrared spectrometer Lockheed Martin X
NEA Scout Fly to asteroid with a solar sail NASA (Marshall Space Flight Center)
OMOTENASHI Put tiny lander on the lunar surface Japan’s space agency
Team Miles  Test plasma thrusters Miles Space citizen scientists

Некоторые из CubeSat отправятся за пределы Луны. После того, как SLS покинет орбиту Земли и выпустит зонды, Near-Earth Asteroid Scout (NEA Scout) развернет тонкий солнечный парус размером с площадку для ракетбола. Движимый фотонами, он отправится к 2020GE, миниатюрному астероиду диаметром от 5 до 15 метров. Примерно через 2 года он должен прибыть к астероиду на расстояние 800 метров за 3 часа полета. Многие более крупные астероиды представляют собой груды обломков, но NEA Scout проверит ожидание того, что слабое давление солнечного света раскрутило 2020GE слишком быстро, чтобы он мог удержать какие-либо обломки, говорит Джули Кастильо-Рогез, главный научный сотрудник NEA Scout.

BioSentinel под руководством Серджио Санта-Мария, биолога из Исследовательского центра Эймса при НАСА, будет содержать штаммы дрожжей, что станет первым испытанием НАСА биологических эффектов радиации за пределами низкой околоземной орбиты со времени последней миссии «Аполлон» в 1972 году.

Из-за магнитного поля Земли организмы более уязвимы к повреждению ДНК, вызванному солнечными вспышками и галактическими космическими лучами, что является реальной проблемой для астронавтов, отправляющихся на Луну или Марс. Оптические датчики BioSentinel, находящиеся на орбите Солнца за Луной, будут измерять здоровье штаммов дрожжей по мере того, как они накапливают радиационные повреждения, измеряя рост клеток и метаболизм.

BioSentinel, NEA Scout и трем другим CubeSat разрешили перезарядить свои батареи во время их ожидания на борту SLS. Но пяти другим не повезло, включая LunaH Map и Lunar IceCube. Некоторые нельзя было перезарядить, не снимая с ракеты; в других случаях инженеры НАСА опасались, что процесс может вызвать разряды, которые могут повредить остальную часть ракеты. «Мы должны очень хорошо осознавать риск для основной миссии, когда взаимодействуем с этими CubeSat», — говорит Джейкоб Бличер, главный исследователь НАСА.

Хардгроув говорит, что резерв батареи LunaH Map, вероятно, составляет 50%, а угроза для миссии высока, потому что при 40% CubeSat не сможет выполнить ряд начальных операций и маневров, прежде чем солнечные панели смогут развернуться и начать перезарядку батареи. Он говорит, что очень настаивал на возможности перезарядки, но представители НАСА отвергли его план. «Вы не можете согласиться взять безбилетников, а затем убить их», — говорит он. Тем не менее, он понимает, что кубсаты — это второстепенная полезная нагрузка, и смирился.