Состав небесных тел и космонавтика

Космонавтика расширила возможности космической химии. Некоторые небесные тела теперь удается исследовать непосредственно с помощью космических автоматов. На Луне побывали первые экспедиции, которые не ограничились сбором лунного грунта, но провели ряд научных исследований непосредственно на поверхности нашего спутника. Эти первые успехи сулят человечеству в будущем, говоря словами Циолковского, «бездну могущества». Представляется реальным не только непосредственный химический анализ всех тел Солнечной системы, но и практическое использование для нужд Земли полезных ископаемых других небесных тел.

Началось же все с эксперимента, который можно рассматривать как нечто промежуточное между дистанционным изучением небесных тел с поверхности Земли и их непосредственным исследованием на месте.

31 марта 1966 года советская автоматическая станция «Луна-10» была превращена в первый искусственный спутник Луны. На борту станции находился гамма-спектрометр (он отличается от описанного выше гамма-телескопа особым устройством, позволяющим различать гамма-излучения различных химических элементов; источником же гамма-излучений служила Луна).

В отличие от Земли, которая окутана воздушной оболочкой, Луна беспрепятственно «бомбардируется» метеоритами и постоянно облучается космическими лучами. Последние, как известно, представляют собой потоки очень быстро движущихся «энергичных» мельчайших частиц (в основном протонов и ядер атомов гелия). Взаимодействуя с поверхностными породами Луны, космические лучи порождают в этих породах радиоактивные изотопы, чье гамма-излучение составляет 90% от общего гамма-излучения Луны. Остальные 10% приходятся на излучения, возникающие при обычном, «естественном» распаде калия, тория и урана.

Уже первые измерения гамма-излучения Луны доказали, что лунные «моря» состоят из базальтов. С помощью приемника рентгеновского излучения, смонтированного на советской станции «Луна-12», было установлено, что в состав лунного грунта входят магний и алюминий.

Непосредственные химические исследования на поверхности Луны провели также американские автоматические станции типа «Сервейор» (1966-1968). На этих станциях, совершивших мягкую посадку, был установлен так называемый альфа-анализатор. Принцип его действия достаточно прост. В анализаторе укреплен источник альфа-частиц (ядер атомов гелия). Таким источником служил радиоактивный элемент кюрий-242. При облучении поверхности Луны некоторая доля альфа-частиц проникает в лунный грунт на глубину до 25 мкм. Другая их часть отражается обратно в анализатор и здесь регистрируется. Есть в анализаторе также и детектор для отраженных протонов, образующихся в процессе эксперимента. Так как характер отражения зависит от химического состава отражающей лунной породы, станции «Сервейор» с помощью специальных устройств передали на Землю сведения о химическом составе лунного грунта.

Общий вывод из всех этих исследований сводится к тому, что лунный грунт состоит в основном из вулканических пород, подобных тем, которые встречаются во многих районах Земли.

Весьма интересны химические исследования, проведенные советскими «луноходами» на Луне в 1970-1971 гг. Из аппаратуры, которой были оснащены эти самодвижущиеся лунные автоматы, для нас представляют интерес спектрометры РИФМА. Заметим, что это наименование не имеет никакого отношения к поэзии. Слово РИФМА расшифровывается так: «рентгеновский изотопный флуоресцентный метод анализа». Поясним идею этого метода.

Если какое-либо вещество подвергнуть радиоактивному облучению, то атомы этого вещества начинают испускать рентгеновские лучи. Важно то (и в этом суть метода!), что атомы каждого химического элемента излучают рентгеновские кванты вполне определенной энергии. Не случайно поэтому такого рода рентгеновское излучение называется характеристическим. Специальные счетчики подсчитывают, сколько квантов и какой энергии испущено веществом. Количество энергии однозначно характеризует химический элемент, а число квантов свидетельствует об интенсивности излучения и, значит, о количестве соответствующих атомов в образце. Если по оси ординат отложить количество квантов, а по оси абсцисс - их энергию, получится наглядный график, каждый пик которого относится к определенному химическому элементу.

Любопытно, что метод, впервые примененный в спектрометрах РИФМА, использовали американцы при исследованиях Марса в 1976 г. с помощью станций «Викинг». В посадочных блоках этих станций применялось устройство, напоминающее миниатюрный экскаватор. Его лопатка забирала марсианский грунт с глубины до 6 см. Проба грунта засыпалась затем в измерительную камеру, где два радиоактивных источника (железо-55 и кадмий-109) облучали грунт. Возникающее при этом рентгеновское излучение грунта регистрировалось так же, как в спектрометрах РИФМА.

Выяснилось, что марсианский грунт особенно богат кремнием, который составляет 45% массы минералов. Серы на Марсе в десятки раз больше (3%), чем на Земле или Луне. С другой стороны, калия на Марсе аномально мало (менее 0,25%), что пока не нашло убедительного объяснения. Подтвердилось, наконец, что красный цвет Марса обусловлен оксидами железа, присутствующими в его грунте.

Как известно, в программу аппаратов «Викинг» входили также поиски жизни на этой планете. Для этой цели использовались три прибора. В один из них закладывалась проба марсианского грунта. Он помещался в инкубационную камеру, где создавалась атмосфера из диоксида углерода, неона и криптона. В ту же камеру добавлялся в объеме до 2 см3 питательный раствор. Из верхней части камеры газ поступал в газовый хроматограф.

Во втором приборе марсианский грунт размещался в естественной марсианской атмосфере. В питательный раствор вводились вещества, меченные радиоактивным углеродом 14С. Если бы на выходе из камеры стал накапливаться радиоактивный СО2 или другие радиоактивные газы, это можно было бы рассматривать как доказательство существования обмена веществ у гипотетических марсианских микроорганизмов.

Наконец, третий из приборов имел целью зафиксировать признаки фотосинтеза или химического связывания СО2 и СО. Для этого проба грунта помещалась в атмосферу из СО2 и СО, меченных радиоактивным углеродом. Солнцем служила ксеноновая лампа, освещающая инкубатор. В целях стерилизации перед экспериментами марсианский грунт в течение трех часов выдерживался при температуре 160 °С.

Эксперименты с аппаратами «Викинг-1» и «Викинг-2» (июль и сентябрь 1976 г.) не дали положительных результатов. К этому следует добавить, что при анализе грунта на установке хроматограф - масс-спектрометр органические молекулы не были обнаружены. Короче, на традиционный вопрос о жизни на Марсе пока можно дать отрицательный ответ.

Эти примеры - лишь небольшая часть химических экспериментов, которые были проведены в Космосе. Совершенно очевидно, что космонавтика создала для космической химии прочную экспериментальную базу.