Миссия по возврату проб - Sample-return mission

Genesis Rock , возвращаемый Аполлон 15 лунных миссий в 1971 году.
Астронавты "Аполлона" работают на Луне, собирая образцы и исследуя ее. Рядом с кратером Шорти они нашли оранжевый лунный реголит.

Образец обратные миссиями являются космическим аппаратом миссии для сбора и возвращения образцов внеземного места на Землю для анализа. Миссии по возврату образцов могут возвращать просто атомы и молекулы или отложения сложных соединений, таких как рыхлый материал («почва») и камни. Эти образцы могут быть получены различными способами, такими как выемка грунта и горных пород или сборщик, используемый для улавливания частиц солнечного ветра или кометных обломков.

На сегодняшний день образцы лунного камня с Луны были собраны с помощью роботизированных миссий и миссий с экипажем, комета Wild 2 и астероиды 25143 Итокава и 162173 Рюгу были посещены роботизированным космическим кораблем, который вернул образцы на Землю, а образцы солнечного ветра были был возвращен роботизированной миссией Genesis . Были получены образцы астероида 101955 Бенну, которые отправятся на Землю в марте 2021 года.

Помимо миссий по возврату проб, пробы от трех идентифицированных внеземных тел были собраны другими способами, кроме миссий по возврату проб: пробы с Луны в виде лунных метеоритов , пробы с Марса в виде марсианских метеоритов и образцы с Весты в виде метеоритов HED .

Научное использование

Модели видманштеттеновы , которые могут быть найдены внутри железо-никелевых метеоритов, как полагают, имеют одинаковую классификацию как астероид 16 Психеи .
Метеорит, вероятно, от астероида (4) Веста, упавшего на Африку. Возврат образца может помочь подтвердить анализ метеоритов и астрономические результаты.
Еще один метеорит, предположительно с древнего Марса

Образцы, доступные на Земле, можно анализировать в лабораториях , чтобы мы могли углубить наше понимание и знания в рамках открытия и исследования Солнечной системы . До сих пор многие важные научные открытия о Солнечной системе делались дистанционно с помощью телескопов , а некоторые тела Солнечной системы посещались с помощью орбитальных или даже посадочных космических кораблей с инструментами, способными к дистанционному зондированию или анализу образцов. Хотя такое исследование Солнечной системы технически проще, чем миссия по возврату образцов, научные инструменты, доступные на Земле для изучения таких образцов, намного более продвинуты и разнообразны, чем те, которые можно использовать на космических кораблях. Кроме того, анализ образцов на Земле позволяет отслеживать любые находки с помощью различных инструментов, включая инструменты, которые могут отличить внутренний внеземной материал от земного загрязнения, а также инструменты, которые еще предстоит разработать; Напротив, космический корабль может нести только ограниченный набор аналитических инструментов, и их нужно выбирать и строить задолго до запуска.

Образцы, проанализированные на Земле, можно сопоставить с результатами дистанционного зондирования, чтобы лучше понять процессы, сформировавшие Солнечную систему . Это было сделано, например, с помощью результатов космического корабля Dawn , который посетил астероид Веста с 2011 по 2012 год для получения изображений, и образцов метеоритов HED (собранные на Земле до этого момента), которые сравнивались с данными, собранными Dawn. Эти метеориты затем можно было идентифицировать как материал, выброшенный из большого ударного кратера Реасильвия на Весте. Это позволило вывести состав коры, мантии и ядра Весты. Точно так же некоторые различия в составе астероидов (и, в меньшей степени, разные составы комет ) могут быть обнаружены только с помощью изображений. Однако для более точной инвентаризации материала этих различных тел в будущем будет собрано и возвращено больше образцов, чтобы сопоставить их состав с данными, собранными с помощью телескопов и астрономической спектроскопии .

Еще одним направлением такого исследования - помимо основного состава и геологической истории различных тел Солнечной системы - является присутствие строительных блоков жизни на кометах, астероидах, Марсе или лунах газовых гигантов . Несколько миссий по возврату образцов к астероидам и кометам в настоящее время находятся в разработке. Дополнительные образцы астероидов и комет помогут определить, возникла ли жизнь в космосе и была ли перенесена на Землю метеоритами. Другой вопрос, который исследуется: возникла ли внеземная жизнь на других телах Солнечной системы, таких как Марс или на лунах газовых гигантов , и могла ли там вообще существовать жизнь. Результатом последнего «Десятилетнего обзора» НАСА стало определение приоритета миссии по возврату образцов на Марс, поскольку Марс имеет особое значение: он находится сравнительно «поблизости», в прошлом мог укрывать жизнь и, возможно, даже продолжать поддерживать жизнь. Юпитер Луна Европа является еще одним важным направлением в поиске жизни в Солнечной системе. Однако из-за расстояния и других ограничений Европа может не стать целью миссии по возврату проб в обозримом будущем.

Планетарная защита

Планетарная защита направлена ​​на предотвращение биологического заражения как целевого небесного тела, так и Земли в случае миссий по возврату образцов. Образец, возвращенный с Марса или другого места, потенциально способного вместить жизнь, является миссией категории V в рамках COSPAR , которая направлена ​​на локализацию любого нестерилизованного образца, возвращенного на Землю. Это связано с тем, что неизвестно, как такая гипотетическая жизнь будет иметь последствия для людей или биосферы Земли. По этой причине Карл Саган и Джошуа Ледерберг утверждали в 1970-х годах, что мы должны выполнять миссии по возврату образцов, классифицированные как миссии категории V, с особой осторожностью, и более поздние исследования NRC и ESF согласились с этим.

Миссии по возврату образцов

Первые миссии

Аполлон-11 был первой миссией, вернувшей внеземные образцы.
Лунная скала из толковательного знака Аполлона 15 .
Лунная скала с Аполлона 15 в Центре посетителей Эймса НАСА .

По программе « Аполлон» в Лунную приемную лабораторию в Хьюстоне было возвращено более 382 кг (842 фунта) лунных пород и реголита (включая лунный «грунт» ) . Сегодня 75% проб хранятся в Лаборатории лунных проб, построенной в 1979 году. В июле 1969 года Аполлон-11 добился первого успешного возвращения проб из другого тела Солнечной системы. Он возвратил приблизительно 22 килограмма (49 фунтов) материала с поверхности Луны. За этим последовали 34 килограмма (75 фунтов) материала с Аполлона-12 , 42,8 кг (94 фунта) материала с Аполлона 14 , 76,7 кг (169 фунтов) материала с Аполлона-15 , 94,3 кг (208 фунтов) материала с Аполлона. 16 и 110,4 кг (243 фунта) материала с Аполлона 17 .

Одно из самых значительных достижений в миссиях по возврату проб произошло в 1970 году, когда советская роботизированная миссия, известная как Луна 16, успешно вернула 101 грамм (3,6 унции) лунного грунта. Точно так же Luna 20 вернула 55 граммов (1,9 унции) в 1974 году, а Luna 24 вернула 170 граммов (6,0 унций) в 1976 году. Хотя они восстановили намного меньше, чем миссии Apollo, они сделали это полностью автоматически. Помимо этих трех успехов, другие попытки по программе Luna потерпели неудачу. Первые две миссии были предназначены для того, чтобы обогнать «Аполлон-11», и были предприняты незадолго до них в июне и июле 1969 года: Луна Е-8-5 № 402 потерпела неудачу при старте, а Луна 15 потерпела крушение на Луне. Позже другие миссии по возврату образцов потерпели неудачу: Космос 300 и Космос 305 в 1969 году, Луна Е-8-5 № 405 в 1970 году, Луна Е-8-5М № 412 в 1975 году имели неудачные запуски, а Луна 18 в 1971 году и "Луна-23" в 1974 году неудачно приземлилась на Луну.

В 1970 году Советский Союз планировал в 1975 году первую марсианскую миссию по возврату образцов в рамках проекта Mars 5NM . В этой миссии планировалось использовать ракету N1 , но поскольку эта ракета никогда не летала успешно, миссия превратилась в проект Mars 5M , который будет использовать двойной запуск с меньшей ракетой «Протон » и сборку на космической станции Салют . Эта миссия Mars 5M была запланирована на 1979 г., но была отменена в 1977 г. из-за технических проблем и сложности; все оборудование было приказано уничтожить.

1990-е годы

Эксперимент по сбору космического мусора на орбите Земли (ODC) проводился на космической станции "Мир" в течение 18 месяцев в 1996–97 годах. В нем использовался аэрогель для захвата частиц с низкой околоземной орбиты, состоящих из межпланетной пыли и искусственных частиц. ODC был далеко не «последней миссией по возврату образцов ... за ... двадцать лет», он был портативной версией сборщика LDEF, значительно сокращая время сбора и эффективную площадь на несколько порядков.

2000-е

Художественная визуализация книги Бытия, собирающей солнечный ветер .

Следующей миссией по возврату внеземных образцов была миссия Genesis , которая вернула образцы солнечного ветра на Землю с другой орбиты в 2004 году. К сожалению, капсула Genesis не смогла раскрыть свой парашют при повторном входе в атмосферу Земли и совершила аварийную посадку в штате Юта. пустыня. Были опасения серьезного заражения или даже полной потери миссии, но ученым удалось спасти многие образцы. Они были первыми, кто был собран за пределами лунной орбиты. Genesis использовал коллекционный массив из пластин из сверхчистого кремния , золота , сапфира и алмаза . Каждая отдельная пластина использовалась для сбора различной части солнечного ветра .

Капсула возврата образца из миссии " Звездная пыль"

Бытие последовало НАСА «s Stardust космического корабля, который вернулся кометы на Землю образцы на 15 января 2006 года благополучно прошел мимо кометы Wild 2 и собрали образцы пыли из кометы комы во время формирования изображения ядра кометы. Stardust использовала массив коллектора, сделанный из аэрогеля низкой плотности (99% которого занимает пространство), плотность которого составляет примерно 1/1000 плотности стекла. Это позволяет собирать кометные частицы, не повреждая их из-за высокой скорости удара. Столкновения частиц даже с слегка пористыми твердыми коллекторами могут привести к разрушению этих частиц и повреждению устройства сбора. Во время полета массив собрал не менее семи частиц межзвездной пыли.

2010-е и 2020-е годы

В июне 2010 года зонд Хаябуса Японского агентства аэрокосмических исследований (JAXA) вернул на Землю образцы астероидов после сближения с астероидом S-типа 25143 Итокава (и посадки на него) . В ноябре 2010 года ученые агентства подтвердили, что, несмотря на отказ устройства для отбора проб, зонд извлек микрограммы пыли с астероида, который первым был доставлен на Землю в первозданном виде.

Русский « Фобос-Грунт» был неудачной миссией по возврату образцов, предназначенной для возврата образцов с Фобоса , одной из лун Марса. Он был запущен 8 ноября 2011 года, но не смог покинуть околоземную орбиту и через несколько недель потерпел крушение в южной части Тихого океана.

OSIRIS-REx собирает образец астероида 101955 Бенну
- ( Полноразмерное изображение )

Японское агентство аэрокосмических исследований (JAXA) запустила улучшенный Хаябуса-2 космический зонд 3 декабря 2014 г. Хаябуса-2 прибыл в цель околоземное C-типа астероид 162173 Ryugu (ранее обозначенный 1999 JU 3 ) по 27 июня 2018. Он осмотрел астероид за полтора года и взяли пробы. Он покинул астероид в ноябре 2019 года и вернулся на Землю 6 декабря 2020 года.

Миссия OSIRIS-REx была запущена в сентябре 2016 года с целью вернуть образцы с астероида 101955 Бенну . Ожидается, что образцы позволят ученым узнать больше о времени до рождения Солнечной системы, начальных этапах формирования планет и источнике органических соединений, которые привели к образованию жизни. Он приблизился к Бенну 3 декабря 2018 года, где в течение следующих нескольких месяцев начал анализировать его поверхность на предмет наличия целевого участка. Он собрал свой образец 20 октября 2020 года и, как ожидается, вернется на Землю 24 сентября 2023 года.

23 ноября 2020 года Китай запустил миссию по возвращению лунных образцов Chang'e 5 , которая вернулась на Землю с 2 килограммами лунного грунта 16 декабря 2020 года. Это был первый возврат лунных образцов за более чем 40 лет.

Будущие миссии

Подъемный аппарат в защитном кожухе, дизайн ESA-NASA 2009 года.

У России есть планы на миссии Luna-Glob по возвращению образцов с Луны к 2027 году и Mars-Grunt по возвращению образцов с Марса в конце 2020-х годов.

JAXA разрабатывает миссию MMX, миссию по возвращению образцов на Фобос, которая будет запущена в 2024 году. MMX будет изучать обе луны Марса , но посадка и сбор образцов будут производиться на Фобосе. Этот выбор был сделан из-за двух спутников, орбита Фобоса ближе к Марсу, и на его поверхность могут быть выброшены частицы с Марса. Таким образом, образец может содержать материал, происходящий с самого Марса. Ожидается, что двигательный модуль с образцом вернется на Землю примерно в сентябре 2029 года.

Китай запустит миссию по возврату лунных образцов Chang'e 6 в 2023 году.

Китай планирует выполнить миссию по возвращению образцов с Марса к 2030 году. Кроме того, Китайское космическое агентство разрабатывает миссию по поиску образцов с Цереры , которая состоится в 2020-х годах.

НАСА давно запланировало миссию по возвращению марсианских образцов , но еще не обеспечило бюджет для успешного проектирования, строительства, запуска и посадки такого зонда. Миссия оставалась в дорожной карте НАСА для планетологии по данным Десятилетнего обзора планетарной науки 2013 года . Настойчивость ровер , запущенный в 2020 году, будет собирать образцы керна буровых и копить их на поверхности Марса 2023, но остается неясным , каким образом они будут извлечены из тайника и вернулся на Землю.

Миссии по возврату проб комет продолжают оставаться приоритетом НАСА. Возврат образца поверхности кометы был одной из шести тем для предложений по четвертой миссии НАСА New Frontiers .

Миссия по возврату образцов на Марс (2020 г .; концепции художников)
01. Марс 2020 получение образцов марсохода
02. марс 2020 марсоход хранит образцы
03. Посадка на землю
04. посадка раскладывается
05. Принесите образцы для сбора марсохода
06. Получение образцов для спускаемого аппарата
07. Запуск с Марса
08. выпуск образцов для последующего забора

Способы возврата пробы

Анимация движения руки ТАГСАМ

Методы возврата пробы включают, но не ограничиваются следующим:

Коллекционный массив Genesis, состоящий из сетки сверхчистых пластин из кремния, золота, сапфира и алмаза.

Коллекторный массив

Коллекторный массив можно использовать для сбора миллионов или миллиардов атомов, молекул и мелких частиц с помощью пластин, изготовленных из различных элементов. Молекулярная структура этих пластин позволяет собирать частицы различных размеров. Коллекторные массивы, такие как те, что используются на Genesis , являются сверхчистыми, чтобы обеспечить максимальную эффективность сбора, долговечность и аналитическую различимость.

Коллекторные массивы полезны для сбора крошечных, быстро движущихся атомов, таких как те, которые выбрасываются Солнцем через солнечный ветер, но также могут использоваться для сбора более крупных частиц, таких как те, что находятся в коме кометы. Космический корабль НАСА, известный как Stardust, реализовал эту технику. Однако из-за высоких скоростей и размеров частиц, которые составляют кому и прилегающую область, плотный массив твердотельных коллекторов оказался нежизнеспособным. В результате пришлось разработать другое средство для сбора образцов, чтобы сохранить безопасность космического корабля и самих образцов.

Аэрогель

Частица, захваченная в аэрогеле

Аэрогель представляет собой пористое твердое вещество на основе диоксида кремния с губчатой ​​структурой, 99,8% объема которого составляет пустое пространство. Аэрогель имеет примерно 1/1000 плотности стекла. В космическом корабле Stardust использовался аэрогель, потому что частицы пыли, которые должен был собрать космический корабль, имели бы скорость удара около 6 км / с. Столкновение с плотным твердым телом на такой скорости может изменить их химический состав или, возможно, полностью испарить.

Поскольку аэрогель в основном прозрачен, а частицы оставляют путь в форме моркови, проникая через поверхность, ученые могут легко их найти и извлечь. Поскольку его поры имеют нанометровый размер, частицы, даже меньше песчинки, просто не проходят через аэрогель полностью. Вместо этого они замедляются до остановки, а затем погружаются в нее.

Дизайн Mars 5NM. Этот зонд был разработан для получения образца с Марса в конце 70-х годов.
Иллюстрация зонда Mars 5 NM, корректирующего курс

Космический корабль Stardust имеет коллектор в форме теннисной ракетки с прикрепленным к нему аэрогелем. Коллектор убирается в капсулу для безопасного хранения и доставки обратно на Землю. Аэрогель довольно прочен и легко переносит запуск и космическое пространство .

Роботизированные раскопки и возвращение

Некоторые из самых рискованных и сложных миссий по возврату образцов - это те, которые требуют приземления на внеземное тело, такое как астероид, луна или планета. Даже для того, чтобы инициировать такие планы, требуется много времени, денег и технических возможностей. Это трудный подвиг, требующий, чтобы все, от запуска до посадки до возврата и запуска на Землю, было спланировано с высокой точностью.

Такой тип возврата образцов, хотя и сопряжен с наибольшим риском, является наиболее полезным для планетологии. Кроме того, такие миссии обладают большим потенциалом для охвата общественности, что является важным атрибутом для освоения космоса, когда дело касается общественной поддержки. Единственными успешными роботами этого типа миссий по возврату проб были советские десантные аппараты Luna и китайский Chang'e 5 .

Список миссий

Миссии с экипажем

Дата запуска Оператор имя Образец происхождения Образцы возвращены Дата восстановления Результат миссии
16 июля 1969 г.   Соединенные Штаты Аполлон-11 Луна 22 килограмма (49 фунтов) 24 июля 1969 г. Успешно
14 ноября 1969 г. Соединенные Штаты Соединенные Штаты Аполлон-12 Луна 34 килограмма (75 фунтов) 24 ноября 1969 г. Успешно
11 апреля 1970 г. Соединенные Штаты Соединенные Штаты Аполлон-13 Луна - 17 апреля 1970 г. Не удалось
31 января 1971 г. Соединенные Штаты Соединенные Штаты Аполлон 14 Луна 43 килограмма (95 фунтов) 9 февраля 1971 года Успешно
26 июля 1971 г. Соединенные Штаты Соединенные Штаты Аполлон 15 Луна 77 килограммов (170 фунтов) 7 августа 1971 года Успешно
16 апреля 1972 года Соединенные Штаты Соединенные Штаты Аполлон-16 Луна 95 килограммов (209 фунтов) 27 апреля 1972 года Успешно
7 декабря 1972 года Соединенные Штаты Соединенные Штаты Аполлон-17 Луна 111 килограммов (245 фунтов) 19 декабря 1972 года Успешно
22 марта 1996 г. Соединенные Штаты США / Россия
 
Сбор земно-орбитального мусора Низкая околоземная орбита Частицы 6 октября 1997 г. Успешно
14 апреля 2015 г.   Япония  /
Соединенные Штаты США
Миссия Танпопо Низкая околоземная орбита Частицы Февраль 2018 г. Успешно

Роботизированные миссии

Дата запуска Оператор имя Образец происхождения Образцы возвращены Дата восстановления Результат миссии
14 июня 1969 г.   Советский Союз Луна Э-8-5 № 402 Луна
-
-
Неудача
13 июля 1969 г. Советский Союз Советский Союз Луна 15 Луна
-
-
Неудача
23 сентября 1969 г. Советский Союз Советский Союз Космос 300 Луна
-
-
Неудача
22 октября 1969 г. Советский Союз Советский Союз Космос 305 Луна
-
-
Неудача
6 февраля 1970 г. Советский Союз Советский Союз Луна Э-8-5 № 405 Луна
-
-
Неудача
12 сентября 1970 г. Советский Союз Советский Союз Луна 16 Луна 101 грамм (3,6 унции) 24 сентября 1970 г. Успех
2 сентября 1971 г. Советский Союз Советский Союз Луна 18 Луна
-
-
Неудача
14 февраля 1972 года Советский Союз Советский Союз Луна 20 Луна 55 г (1,9 унции) 25 февраля 1972 года Успех
2 ноября 1974 г. Советский Союз Советский Союз Луна 23 Луна
-
-
Неудача
16 октября 1975 г. Советский Союз Советский Союз Луна Э-8-5М №412 Луна
-
-
Неудача
9 августа 1976 г. Советский Союз Советский Союз Луна 24 Луна 170 грамм (6,0 унций) 22 августа 1976 г. Успех
7 февраля 1999 г. Соединенные Штаты Соединенные Штаты Звездная пыль 81P / Wild Частицы весом около 1 грамма (0,035 унции) 15 января 2006 г. Успех
8 августа 2001 г. Соединенные Штаты Соединенные Штаты Бытие Солнечный ветер Частицы 9 сентября 2004 г. Успех (частичный)
9 мая 2003 г.   Япония Хаябуса 25143 Итокава Частицы весом менее 1 грамма (0,035 унции) 13 июня 2010 г. Успех (частичный)
8 ноября 2011 г.   Россия Фобос-Грунт Фобос
-
-
Неудача
3 декабря 2014 г. Япония Япония Хаябуса2 162173 Рюгу 5,4 грамма (0,19 унции) (включая пробы газа) 6 декабря 2020 г. Успех
8 сентября 2016 г. Соединенные Штаты Соединенные Штаты OSIRIS-REx 101955 Бенну
-
24 сентября 2023 г. На постоянной основе
23 ноября 2020 г.   Китай Чанъэ 5 Луна 1731 грамм (61,1 унции) 16 декабря 2020 г. Успех
2023 г. Китай Китай Чанъэ 6 Луна
-
2023 г. Запланировано
2024 г. Япония Япония MMX Фобос
-
2029 г. Запланировано

Смотрите также

Рекомендации

внешние ссылки