Микроскоп на орбите

В честь Дня российской науки мэр Москвы Сергей Собянин вручил премии самым перспективным молодым ученым. Среди лауреатов — инженер АО «Завод “Протон”» Артем Логинов. Его разработка — первый в мире космический сканирующий зондовый микроскоп — прямо сейчас работает на орбите, изучая, как солнечный ветер и космическая пыль разрушают материалы спутников.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

В эксклюзивном интервью «Ъ-Науке» Артем Логинов рассказал, как чувствительный прибор выжил в недрах ракеты, почему в космосе он стал энергоэффективнее в сотни раз и какие неожиданные открытия уже пришли с орбиты.

— Как родилась идея отправить самый чувствительный лабораторный прибор — зондовый микроскоп — в суровые условия космоса?

— Наша компания довольно давно занимается производством зондовых микроскопов. Мы делали специальные разработки, внедряли их в различные агрессивные среды: в ядерные и термоядерные реакторы, различные ускорители. Там они подвергались воздействию агрессивного излучения, и эти эксперименты, которые направлены на изучение влияния различного излучения на материалы, давали лишь косвенное понимание о процессах, приводящих к деградации материалов в космосе. Ведь то, что мы моделируем на Земле, не в точной мере соответствует космическим условиям: отличаются состав и энергии ионов, например.

Логичным продолжением этих исследований стала идея о том, что вместо имитации солнечного ветра и пыли на Земле можно отправить в космос непосредственно сам микроскоп. В космосе мы получаем непосредственно то воздействие, которое хотим исследовать. И для этой цели оказалось, что можно собрать спутник и просто отправить его на орбиту именно в те условия, влияние которых на материалы мы хотим изучить.

— Какая была главная инженерная проблема — как защитить микроскоп от вибраций и невесомости, чтобы он мог видеть нанорельеф?

— Вот как раз с вибрациями оказалось очень интересно. Вибрации есть только на старте, когда ракета летит. Там большие перегрузки, но когда уже микроскоп вышел на орбиту, то вибраций нет, они нулевые. А на Земле вибрации создают различные насосы, механизмы и даже люди, которые ходят рядом с чувствительным прибором, поэтому мы вынуждены использовать специальные системы виброразвязки для получения изображений с нанометровой точностью.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

В космосе же отсутствуют внешние источники вибрации. Это позволило нам выбрать более оптимальные инженерные решения. Например, в земных условиях сканер — позиционер, который перемещает измерительный зонд с нанометровой точностью,— выполнен в виде жесткой трубки. Такая жесткость необходима, чтобы эффективно бороться с постоянными вибрациями. Однако для управления этим жестким элементом требуются высокие напряжения, порядка 200 В.

В космосе же благодаря отсутствию вибраций у нас отпала необходимость в сверхжесткой трубчатой конструкции. Вместо этого мы применили конструкцию на основе совокупности пластин, что является более эффективным решением для данных условий. Также это позволило нам установить виброизоляцию, работающую только на этапе запуска ракеты.

Эти пластинки в земных условиях очень плохо защищают от вибраций, но на орбите, так как вибраций нет, они работают очень хорошо. Дополнительным и очень важным преимуществом стало то, что на них можно подавать низкие напряжения, приблизительно 20 В, то есть в десять раз меньше, и нужная нам электроника стала гораздо компактнее и поместилась в спутник.

Одной из задач всей этой конструкции было то, что микроскоп должен потреблять меньше 1 Вт, в то время как на Земле микроскопы, которые делают у нас в компании, потребляют около 200 Вт. То есть мощность удалось снизить больше чем в 100 раз. Это позволяет микроскопу работать от солнечных батарей, которые установлены на самом спутнике.

— Что ваш прибор изучает на орбите прямо сейчас и какие данные вы уже получаете?

— Практически каждый день к нам приходят новые кадры, которые он наблюдает, одна и та же область на поверхности золотой пластинки, которую мы туда положили. И мы видим происходящие изменения, которые он фиксирует. Самое интересное происходит, когда на Солнце случается вспышка и облако плазмы несется на Землю. Где-то через три дня, когда это облако плазмы достигает Земли, начинается самое интересное. Поверхность этой пластинки становится значительно более рельефной, потому что ионы выбивают частицы этой пластинки. А когда вспышка проходит, поверхность начинает постепенно выглаживаться. Затем новая вспышка приходит, она снова становится рельефной. Вот в таком цикле происходит изменение поверхности.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

— Вы уже видите первые «сюрпризы» — отличия реального космического износа от земных лабораторных моделей?

— Да, как раз эффект выглаживания был неожиданным. Мы не думали, что так может быть, и на Земле мы тоже такого не наблюдали. Мы еще изучаем, с чем это связано, привлекаем различных специалистов, в том числе по компьютерному моделированию, которые тоже пробуют выявить, по какому именно механизму происходит выглаживание поверхности.

— Как эти прямые измерения с орбиты изменят процесс создания материалов для новых спутников и кораблей?

— Одна из известных проблем космонавтики — постепенное помутнение смотровых иллюминаторов на орбитальных станциях. Со временем их стекла становятся матовыми, что ухудшает обзор. Это происходит из-за воздействия космической пыли и плазмы солнечного ветра, которые делают поверхность стекла шероховатой.

Наши исследования могут помочь в поиске решений этой проблемы. Они дают наводку на то, какие материалы следует использовать, чтобы замедлить скорость помутнения поверхности. Например, на основе этих данных можно создать более стойкие покрытия или стекла, что увеличит ресурс не только иллюминаторов, но и других внешних деталей космических аппаратов. Для проверки таких перспективных материалов планируется отправлять их образцы на орбиту в рамках специальных экспериментов.

В самом первом спутнике у нас был один образец, а в последующих спутниках мы планируем сразу несколько образцов загружать в микроскоп, чтобы экспериментальным путем выявлять, какие материалы более устойчивы к космическому воздействию.

— Кто ваши главные заказчики и как скоро ваша технология повысит надежность космической техники?

— Первый в мире космический микроскоп мы сделали и передали Орловскому государственному университету имени И. С. Тургенева. Он выиграл проект Фонда содействия инновациям по программе «Дежурный по планете» на запуск спутника «Нанозонд-1» с нашим космическим микроскопом. Второй спутник планируется запускать от Московского института электронной техники. Он заказал у нас микроскоп, и мы его уже поставили. Этот микроскоп сейчас готовится к запуску.

Насчет того, как скоро это даст результат, зависит на самом деле от того, сколько этих микроскопов запустить. Чем больше микроскопов запустится, тем больше будет массив данных, который можно обработать и дать уже какие-то непосредственные рекомендации о том, какие материалы лучше или хуже применять в космической технике.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

— Что дальше? Вы видите сеть таких приборов на МКС или на спутниках разных орбит?

— Вполне, как раз в этом и цель, и развитие проекта запустить больше спутников на разные орбиты, в этом направлении мы и движемся.

— Кто помимо физиков входил в вашу команду, чтобы воплотить этот сложнейший проект?

— Чтобы воплотить этот проект, в нашу команду входили инженеры и материаловеды, которые непосредственно формулировали задачу воздействие космической среды на различные материалы. А со стороны людей, которые занимаются космонавтикой, как раз стоит вопрос о том, какие орбиты наименее загрязнены, на какие из них стоит запускать спутники, чтобы они служили дольше.

— Сколько лет прошло от идеи до работающего прибора на орбите и что было самым трудным на этом пути?

— На самом деле времени прошло немного, около двух лет от идеи до уже конкретной реализации. Нам очень помог учебный центр «Сириус». Во-первых, именно на семинаре в «Сириусе» мы узнали о развитии направления малогабаритных недорогих спутников, и там же на семинаре мы неосторожно во всеуслышание высказали идею запуска в таком спутнике микроскопа. После чего нам пришлось очень быстро делать и патент, и сам космический микроскоп — нас подстегивало то, что другие сделают это быстрее. И во-вторых, на программе «Большие вызовы» в «Сириусе» вместе с привлекаемыми на эту программу одаренными школьниками со всей России мы быстро обкатали несколько инженерных решений космического микроскопа.

Самое трудное было продумать все возможные точки отказа, так как мы раньше с космической техникой не работали. В любой момент что-то может пойти не так, и прибор может потерять связь с Землей. Проработка потенциальных точек отказа очень важна, так как спутник на орбите и нет никакого к нему доступа, мы не можем быстро слетать и отремонтировать что-то.

Самое сложное было заранее продумать все нюансы его работы на орбите и заложить конструкцию таким образом, чтобы она была отказоустойчива и могла справляться с различными внештатными ситуациями, которые на Земле решаются оператором, а там должны решаться в автоматическом режиме.

— Ваша личная мечта — куда бы вы отправили свой микроскоп дальше? На Марс, Луну или к астероиду?

— Конечно, есть еще идея, которая может быть воплощена с помощью наших микроскопов. Например, сейчас летит межзвездная комета — это 3I/ATLAS. Сейчас известно, что эта комета очень долго находилась под влиянием межзвездной космической среды. И тот материал, из которого она состоит, довольно долго подвергался излучению. Этот материал отличается от земных или даже околосолнечных аналогов этого материала из-за того, что он постоянно был под радиацией.

Еще нам было бы очень интересно отправить наш микроскоп к объектам Солнечной системы, которые постоянно находятся под влиянием солнечного излучения. Например, Луна или какие-то астероиды, потому что они очень долго подвергались влиянию космического излучения и там накопилось очень много отличий в кристаллической структуре от аналогичного вещества, которое есть на Земле или на Марсе. На Марсе есть атмосфера, поэтому в какой-то степени он защищен от довольно большой части космической радиации.

А космические тела, где нет атмосферы, интересно изучить, поскольку материалы, различные силикаты или металлы, из которых они состоят, претерпевают довольно сильные структурные изменения под влиянием космической среды.

Подготовлено при поддержке пресс-службы департамента образования и науки Москвы