Ученые из Уральского федерального университета и их коллеги из Финляндии, Германии и США разработали прибор, который поможет найти полезные ископаемые на Луне, планетах и их спутниках, а также на астероидах и метеороидах. Проект финансировался Европейской комиссией.
Фото: NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Carnegie Institution of Washington
Фото: NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Carnegie Institution of Washington
«Скаттерометр позволяет на точных экспериментальных данных проверить теоретические представления о том, как отражает свет частица того или иного вещества»,— объясняет старший научный сотрудник лаборатории Extra Terra Consortium УрФУ Мария Грицевич.
Процесс измерения происходит следующим образом: частицу помещают внутрь ультразвукового левитатора (держателя частицы), и она зависает в пространстве. Четыреста миниатюрных трансдьюсеров (каждый меньше сантиметра в диаметре), которые вмонтированы в левитатор и сгруппированы в управляемые каналы, создают ультразвуковое поле с заданными параметрами. Таким способом экспериментаторы меняют ориентацию исследуемой частицы, не дотрагиваясь до нее.
Во-первых, это дает возможность изучить всю поверхность частицы. Во-вторых, получить максимально достоверные результаты.
Высокоточное оборудование записывает, как частица, находящаяся в том или ином положении, распределяет энергию направленного на нее луча света, какое количество фотонов она отражает под воздействием световой волны любой длины в заданном диапазоне, от видимого до инфракрасного, и практически под любым фазовым углом. Наблюдения записываются на суперскоростную камеру, что дает возможность реконструировать форму частицы.
Лабораторная картина подобна тому, как космические объекты перераспределяют потоки солнечного света. И если результаты лабораторных измерений совпадают с данными астрономических наблюдений объекта в космосе, свойства частицы, участвовавшей в эксперименте, можно экстраполировать на вещество, составляющее реголит (поверхностный слой сыпучего грунта) данного объекта.
«Человечество расходует огромные средства, чтобы наблюдать за космическими телами с помощью как наземных, так и космических телескопов. Рабочая модель, которая создается в лабораторных условиях, упрощает поиск ответов на вопросы: какова шероховатость рельефа того или иного космического объекта, каково статистическое распределение размеров частиц на поверхности и так далее,— комментирует Мария Грицевич.— Так, разработанный нами метод успешно опробован при интерпретации астрономических наблюдений астероида Веста и кометы Чурюмова-Герасименко. К тому же в сравнении с аналогами у нашего левитатора уникальная автоматика, что обеспечивает не только желаемое местоположение частицы, но и ее необходимую ориентацию в пространстве».
Таким образом, предлагаемая учеными технология облегчит и удешевит подготовку космических миссий для изучения космических объектов: этому послужит заблаговременное предоставление ценной дополнительной информации об их оптических свойствах.
Скаттерометр применим и для решения «приземленных» задач. В качестве «подопытных» частиц, помещаемых в левитатор, можно использовать, к примеру, образцы песка из пустыни Сахары или вулканического песка из Исландии и, таким образом, постепенно собрать базу данных о «поведении» этих частиц в естественных, природных условиях. Искусственные спутники Земли, зондирующие поверхность планеты, смогут оперировать базой данных для обнаружения песчаных или пылевых бурь. Так можно предотвратить чрезвычайные ситуации в городской и производственной инфраструктуре, сельском хозяйстве, на транспорте и не допустить человеческих жертв. Изучение и использование в «роли» моделей взвешенных частиц аэрозолей откроют новые знания о природе климатических изменений.
По материалам статьи Scattering And Absorption of Light in Planetary Regoliths; Karri Muinonen, Timo Visnen, Julia Martikainen, Johannes Markkanen, Antti Penttil, Maria Gritsevich, Jouni Peltoniemi, Jrgen Blum, Joonas Herranen, Gorden Videen, Gran Maconi, Petteri Helander, Ari Salmi, Ivan Kassamakov, Edward Haeggstrm; издание Journal of Visualized Experiments, октябрь 2019 г.