NASA запускает новый подход к поиску льда и руды с орбиты без посадки

Концепция Interworld Slingshot Resource Surveys предполагает один 300-килограммовый аппарат, который сможет на расстоянии 30–50 км определять состав поверхности астероидов и спутников с помощью лазерной спектроскопии

NASA изучает идею разведывательного аппарата, способного определять состав полезных ископаемых на других объектах Солнечной системы без необходимости приземления, забора образцов и длительного нахождения на орбите. Проект Interworld Slingshot Resource Surveys предлагает использовать один космический аппарат весом всего около 300 кг для последовательного обследования Луны, околоземных астероидов и одного из спутников Марса. Основная концепция заключается в применении рамановской спектроскопии с расстояния в десятки километров: импульсный лазер освещает поверхность, а устройство анализирует отражённый свет и по его спектральным характеристикам определяет молекулярный состав материала.

Рамановская спектроскопия позволяет распознавать минералы по их «молекулярным отпечаткам». На планетах данная технология уже использовалась на расстояниях порядка метров, однако работа с дистанции 30–50 км потребует более высокого уровня чувствительности и точности. В предложенной архитектуре импульсный лазер будет сочетаться с детектором для подсчёта фотонов, который отделяет полезный сигнал от фонового излучения, а также с тонкой системой управления направлением лазерного луча, рассчитанной на работу в условиях движения аппарата. Авторы концепции подчеркивают, что такой подход может предоставить более точную информацию о химическом составе поверхности по сравнению с пассивными методами анализа отражённого света или другими измерениями.

Референсный сценарий включает три этапа разведки. Сначала аппарат выйдет на полярную орбиту Луны на высоте 50 км и будет искать лёд и ильменит — минерал, содержащий железо и титан. Затем он пролетит на расстоянии 30 км от околоземного астероида для определения его минералов, металлов и органических веществ. На третьем этапе аппарат выйдет на орбиту Фобоса или Деймоса на высоте 30–50 км, чтобы искать фазы минералов, содержащие летучие вещества. Собранные данные должны помочь оценить наличие ресурсов, которые могут быть актуальны для будущих лунных и марсианских миссий.

Ключевой вопрос первой фазы проекта — возможно ли получить качественный, пригодный для анализа рамановский сигнал с такой дистанции. Исследование должно установить, удастся ли выявить характерные линии минералов с достаточным соотношением сигнал/шум на расстоянии до 50 км, насколько точно аппарат сможет удерживать лазер на поверхности во время быстрых пролётов и сможет ли 300-килограммовый аппарат с системами движения, энергоснабжения и ориентации завершить всю последовательность операций. Для этого команда проведёт расчёты количества возвращающихся фотонов, основываясь на известных сечениях рамановского рассеяния, проанализирует влияние вибраций и ошибок ориентации и разработает траектории с использованием стандартных инструментов планирования NASA. Для каждого этапа также рассматриваются альтернативные варианты — включая меньшую высоту пролёта и альтернативные схемы двигательной установки.

Проект осуществляется в рамках исследования NIAC Phase I — первой фазы программы NASA Innovative Advanced Concepts, предназначенной для оценки концепций космических технологий. Команда возглавляется инженером, ранее работавшим с системами, способными анализировать объекты на расстоянии 120 м, и участвовавшим в разработке научных приборов SuperCam и SHERLOC для марсианских миссий. Соавторы технологии имеют опыт создания орбитальных лазерных систем, включая технологии, применённые в миссии ICESat-2. В проект также вовлечена команда SETI.

Даже частичный успех, согласно описанию концепции, позволит уточнить физические границы дистанционного рамановского анализа и создать проверенные модели для будущих миссий. В дальнейшем такой подход планируется использовать при выборе зон для лунных программ Artemis, оценке ресурсов астероидов и планировании использования местных ресурсов для обеспечения космических миссий (ISRU) на Марсе. Авторы также рассматривают концепцию как основу для возможного семейства разведывательных аппаратов, которые смогут проводить аналогичные исследования в различных областях внутренней Солнечной системы.