На пути к Европе встают барьеры из радиации

Исследователи из Научно-исследовательского института ядерной физики Московского государственного университета в рамках подготовки к будущей российской беспилотной миссии к Европе пытаются решить проблему защиты космического аппарата от воздействия мощнейших радиационных поясов Юпитера.

Под ледяной корой спутника Юпитера Европы может скрываться океан жидкой воды, в котором может существовать жизнь. Разработкой беспилотных миссий к Европе занимаются ведущие  космические агентства, включая Роскосмос (миссия "Лаплас"), НАСА (Europa Clipper) и ЕКА (JUICE).   К сожалению, добраться к подводному миру Европы не так просто, ведь помимо многокилометровой корки льда, он закрыт от земных зондов мощными радиационными барьерами в окрестностях Юпитера. Сильная радиация быстро разрушит сложную электронику зонда и приведет к краху миссии.

Европа может быть первым местом, где мы найдем инопланетную жизнь

По расчетам специалистов НИИЯФ МГУ, в регионе Европы электроника космического аппарата с алюминиевой обшивкой толщиной 1 мм за сутки получит дозу радиации в 100 тыс. рад. Если толщину обшивки увеличить до 4 мм, доза составит 30 тыс. рад/сутки, до 8 мм — 15 тыс. рад/сутки, а "броня" толщиной 2 см обеспечит снижение ежесуточной дозы облучения дл 3,5 тыс. рад.

Чтобы понять, насколько эти цифры велики, нужно знать, что в области орбиты Ганимеда эти дозы будут в 50–100 раз ниже. На орбите Земли спутник получает такую дозу облучения за несколько лет.

"На космическом аппарате с обшивкой толщиной 8 мм в области орбиты Европы за два месяца набирается доза радиации почти 1 млн рад. Для сравнения, на околоземных орбитах спутников ГЛОНАСС даже за вдвое меньшей защитой на получение такой дозы потребуется 25 лет, — цитирует сайт  НИИЯФ МГУ одного из разработчиков российской миссии "Лаплас" Михаила Подзолко. — Даже для электроники военного класса это предельно высокий уровень радиации".

Самым простым решением проблемы радиации кажется увеличение толщины обшивки зонда. Однако это неизбежно ведет к увеличению его массы,  а значит нужны более мощные двигатели и больше топлива для разгона и торможения аппарата. В результате стоимость миссии резко возрастает, а масса полезной научной нагрузки снижается. Океан Европы надежно закрыт от радиации 10-км слоем льда, но для современной космической техники обшивка в несколько сантиметров толщиной — непозволительная "роскошь".

Российская миссия "Лаплас" в одном из вариантов предполагает выход космического аппарата на орбиту Европы, а также посадку или подготовку посадки спускаемого аппарата на поверхность спутника Юпитера. Кроме того, прорабатывается и вариант посадки на Ганимед. Над проектом помимо НИИЯФ МГУ работают Институт космических исследований РАН, НПО имени С.А. Лавочкина, Научно-исследовательский институт ядерной физики МГУ, Институт прикладной математики имени М.В. Келдыша РАН и другие отечественные научно-производственные организации. Запуск "Лапласа" запланирован на 2026 г.

Миссия "Лаплас" требует детальной проработки стратегии защиты аппарата от радиации

Разработанная в НИИЯФ МГУ стратегия защиты от радиации предполагает использование особых орбит, которые проходят через зоны с наименьшим уровнем радиации.

Радиационными пояса Юпитера — это области повышенной концентрации высокоэнергетических заряженных частиц, захваченных магнитным полем планеты-гиганта. Потоки электронов и протонов в окрестностях Юпитера в два раза мощнее, чем около Земли. Помимо этого, возле Юпитера есть особо сильные потоки электронов разогнанных до релятивистских (околосветовых) скоростей с энергией до 100 мегаэлектронвольт.

Спутники Ио, Европа и Ганимед находятся внутри радиационных поясов, причем невозможно пересечь их только один раз — на такое энергичное торможение у зонда не хватит топлива. Поэтому аппарат использует гравитационное торможение в поле тяготения Юпитера и его спутников. Сначала он выйдет на сильно вытянутую орбиту вокруг Юпитера, пролетит около Ганимеда и, возможно, Каллисто. На все это понадобится около года пребывания в зоне высокой радиации около планеты-гиганта.

Специалисты НИИЯФ МГУ полагают, что наиболее безопасными местами для посадки спускаемого зонда являются области высоких широт и  сторона Европы, направленная вперед по отношению к движению спутника по орбите. "Впереди" Европы доза радиации ниже почти в 10 раз. Для орбитального зонда наиболее безопасной будет орбита с высоким наклонением и высотой 100 км над поверхностью. На ней зонд получит около четверти от максимальной дозы радиации — 250 тыс. рад за 2 месяца, если защита от радиации будет такой же, как у аппарата "Галилео", который посещал орбиту Юпитера с 1995 по 2003 годы. Скорее всего, на "Лапласе" радиационная будет в два раза толще, а значит российская миссия будет защищена надежнее.