Российские исследователи впервые экспериментально изучили феномен, который представляет опасность для сложных технических устройств на Марсе. Речь идет о статическом электричестве, которое возникает при столкновении частиц пыли в атмосфере планеты. Особенно во время бурь. Это приводит к возникновению микроскопических разрядов, которые излучают электромагнитные волны. Такое излучение может вывести из строя электронику роботов и напланетных станций, что ставит под сомнение безопасность будущих марсианских колонистов. Подробнее — в материале «Известий».

«Сигналы» марсианской пыли

Метод, который позволит слышать «сигналы» марсианской пыли, разработали ученые из Института космических исследований РАН и Московского физико-технического института. Об этом «Известиям» рассказали в Минобрнауки РФ.

Речь идет о микроскопических молниях, объяснили специалисты. Они возникают в сухой и разреженной атмосфере из углекислого газа Красной планеты, когда частицы песка и пыли сталкиваются друг с другом и обмениваются зарядами. При этом образуются микроскопические разряды, которые создают электромагнитное излучение. Его можно поймать и зарегистрировать, как радиоволны. Эти разряды влияют на химию атмосферы, но также представляют потенциальную угрозу для электроники космических аппаратов.

— Длительное время в научном сообществе лишь предполагали наличие этого эффекта, но не имели инструментов для его изучения и, что важнее, интерпретации. Целью наших исследований было научиться по характеру радиосигнала определять свойства частиц, которые вызывают разряд, и условия, в которых он произошел. Для этого мы применили трехэтапный метод. Он объединил лабораторные эксперименты и наблюдения в реальной среде, — рассказал «Известиям» сотрудник кафедры космической физики МФТИ Мохамад Абделаал.

Фото: Solar System Research Лабораторная установка для создания «песчаной бури в банке». Слева (a) — схема эксперимента: сжатый воздух создает вихрь, поднимающий частицы песка в 3D-печатной камере, а встроенная антенна (EMA) регистрирует электромагнитные импульсы от микроразрядов. Справа (b) — фотография реальной установки в процессе работы

Он пояснил, что сначала ученые создали миниатюрную песчаную бурю, поместив частицы песка в камеру с вихревым потоком воздуха. При этом чувствительная спиральная антенна улавливала радиоимпульсы от микроразрядов.

В ходе экспериментов команда обнаружила, что мелкие частицы (до 40 мкм) генерируют частые сложные и многокомпонентные сигналы, тогда как более крупные песчинки порождают редкие, мощные и четкие одиночные импульсы.

— На следующем шаге мы воссоздали марсианские условия, — продолжил Мохамад Абделаал. — Для этого камеру поместили в вакуумную установку и заполнили углекислым газом при низком давлении. В качестве «пыли» использовали природные земные пески и синтетические аналоги марсианского грунта с высоким содержанием оксидов железа. Эксперименты подтвердили, что состав пыли также влияет на разряд. К примеру, базальтовые частицы, характерные для Марса, быстрее рассеивают заряд, что приводит к более слабым, но постоянным электромагнитным сигналам.

Фото: Solar System Research Экспериментальная установка для моделирования электрических явлений в атмосфере Марса. Пылевая камера интегрирована в вакуумную систему, которая откачивается и затем заполняется углекислым газом при низком давлении. Этот стенд позволяет изучать генерацию электромагнитных сигналов в условиях, максимально приближенных к марсианским

Кроме того, сообщил ученый, опыты показали, что в имитированной марсианской атмосфере электрический пробой происходит при гораздо более низком напряжении, чем на Земле. Это означает, что для возникновения искры на Красной планете требуется существенно меньше накопленного заряда, и такие явления там происходят чаще.

Третий этап, рассказали исследователи, был посвящен проверке и калибровке лабораторных данных. Для этого ученые предприняли экспедицию в степи Калмыкии, где засушливый климат и песчаные ландшафты служат земным аналогом Марса.

В ходе этих работ специальный прибор регистрировал естественные электромагнитные сигналы и — одновременно — скорость ветра, влажность, температуру и уровень солнечной радиации. Итоги полевых испытаний подтвердили выводы, сделанные в лаборатории.

Как пылевые бури повлияют на колонистов Марса

— В результате мы создали сквозную методику, которая предполагает применение одного и того же оборудования как для изучения искусственных зарядов, так и их естественных аналогов. Это позволяет строить надежные физические модели, а также закладывает фундамент для исследований на поверхности Марса. Установка электромагнитного анализатора на будущие планетоходы или стационарные станции позволит в реальном времени получать данные о динамике пылевых бурь, распределении частиц по размерам и даже о геологии Красной планеты, — поделился Мохамад Абделаал.

По его словам, понимание этих процессов — вопрос безопасности будущих колонистов. Ведь статические разряды, безобидные на Земле, в марсианских условиях могут вывести из строя сложную электронику, лишив экспедиции технической поддержки.

В дальнейшем, добавил ученый, исследования можно расширить за счет изучения электрических явлений в сернокислотных облаках Венеры или в экзосфере (тонкой газовой оболочке) над поверхностью Луны.

— Пыль присутствует на всех планетах земной группы, и электростатическое налипание и разряды представляют серьезную проблему для работающих механизмов и электроники, — сообщил «Известиям» старший научный сотрудник лаборатории геохимии углерода имени Э.М. Галимова ГЕОХИ РАН Сергей Воропаев.

Фото: Solar System Research Сигналы пыли разного размера. Каждая панель показывает электромагнитный сигнал от разряда (вверху) и его спектральный анализ во времени (цветное изображение внизу), где цвет отражает интенсивность сигнала на определенной частоте. Видно, как меняется структура сигнала: от мощного одиночного всплеска для мелких частиц (a,