Новая технология лазерного бура позволит изучить покрытые льдом небесные тела

Одной из самых захватывающих целей современной планетологии являются океаны, скрытые под толщей льда на спутнике Юпитера Европе и Сатурна — Энцеладе. Не менее интересны для ученых и ледяные регионы Луны с ее затемненными кратерами, а также полярные льды на Марсе. Однако главным технологическим барьером на этом пути всегда было бурение: традиционные методы, такие как механические сверла и плавильное оборудование, слишком тяжелые, сложные и энергозатратные для дальнего космоса.

Все о Сатурне: из чего состоит, сколько лететь и другие факты о «Властелине колец»

Инженеры из Института аэрокосмической инженерии Дрезденского технического университета в Германии предложили революционное решение — лазерный бур. Новая концепция лазерного позволяет создавать глубокие и узкие каналы во льду, сохраняя при этом низкую массу и энергопотребление. 

Принцип работы лазерного бура основан на сублимации — лазерный луч не плавит лед, а мгновенно превращает его в пар. Он поднимается вверх по узкому пробуренному каналу, который как раз достаточно широк, чтобы через него можно было поднять на поверхность образцы газа и пыли. Химический состав и плотность проб затем анализируются приборами, установленными на посадочном модуле. Эти данные служат бесценными ключами к разгадке тепловых свойств и истории формирования небесного тела. 

Хотя лазеры сами по себе не являются эталоном энергоэффективности, в данном случае луч испаряет лишь крошечное, точечное количество льда. Это означает, что в сумме такой бур потребляет значительно меньше энергии, чем плавильное оборудование с электрическими нагревателями. Кроме того, лазерная технология демонстрирует более высокую скорость работы в слоях, богатых пылью, которые серьезно замедляют движение традиционных буров, что позволяет проникнуть на гораздо большую глубину.

Предложенный лазерный бур работает на мощности примерно 150 Вт при предполагаемой массе около 4 кг. При этом показатели остаются постоянными независимо от того, нужно ли пробурить 10 м или 10 км. Однако, как уточняют авторы работы, для полноценной работы потребуется добавить к конструкции масс-спектрометр для анализа газа и приборы для отделения и изучения пыли, что немного увеличит общую массу и энергопотребление.

Первые испытания прототипа уже показали многообещающие результаты. В вакуумных и криогенных лабораторных условиях ему удалось пробурить 20-сантиметровые ледяные образцы. Полевые испытания в Альпах и Арктике были еще более впечатляющими — в снегу бур достиг глубины более метра. При мощности лазера в 20 Вт скорость бурения достигала почти 1 метра в час для обычного льда и до 3 метров в час для рыхлого или пыльного льда.

При этом разработчики отмечают, что у их лазерного бура есть ограничения. Например, если на пути луча встретится камень или слой чистой пыли, где испарять нечего, процесс бурения остановится. Поэтому критически важно использовать технологию вместе с другими инструментами — например, с радаром, который сможет заглянуть вглубь льда и заранее обнаружить крупные преграды. Еще одной сложностью могут стать заполненные водой трещины. При вскрытии такой полости бур должен будет откачивать поступающую воду, прежде чем продолжить углубление. Однако именно бурение в таких областях может быть наиболее ценным, так как позволяет изучить химический состав потенциальных сред обитания микробной жизни.

Помимо космоса, технология может использоваться и на Земле. Как показали тесты, лазерный бур, установленный на дрон, может оперативно измерять плотность снега на опасных склонах, куда человеку трудно или невозможно добраться, что открывает новые возможности для прогнозирования лавин.

Ранее ученые установили связь между извержениями вулканов и залежами льда на экваторе Марса. Исследование показало, что мощные взрывные процессы в древности могли выбрасывать в атмосферу огромные объемы водяного пара, который превращался в лед и оседал на поверхности.

Кадр из фильма «Армагеддон»