NASA предложило искать лёд и руду с пролётных траекторий — без посадки

NASA рассматривает концепцию разведывательного аппарата, который сможет определять состав полезных ископаемых на других объектах Солнечной системы без посадки, забора образцов и длительного пребывания на орбите. Проект Interworld Slingshot Resource Surveys предлагает использовать один космический аппарат массой всего около 300 кг для последовательной разведки Луны, околоземных астероидов и одного из спутников Марса. Главная идея заключается в применении рамановской спектроскопии с десятков километров: импульсный лазер освещает поверхность, а прибор анализирует рассеянный свет и по его спектральным особенностям определяет молекулярный состав вещества.

Рамановская спектроскопия позволяет идентифицировать минералы по их «молекулярным отпечаткам». На планетах такую технологию уже применяли на расстояниях порядка метров, однако работа с дистанции 30–50 км потребует другого уровня чувствительности и точности. В предлагаемой архитектуре импульсный лазер будет работать вместе с детектором для счёта количества фотонов, который отделяет полезный сигнал от фонового излучения, и тонкой системой управления направлением лазерного луча, рассчитанной на работу в условиях движения аппарата. Авторы концепции отмечают, что такой способ может дать более точную информацию о химическом составе поверхности, чем пассивные методы анализа отражённого света или иные измерения.

Эталонный сценарий предусматривает 3 разведывательных этапа. Сначала аппарат выйдет на полярную орбиту Луны высотой 50 км и будет искать лёд и ильменит — минерал, содержащий железо и титан. Затем он совершит пролёт на расстоянии 30 км от околоземного астероида для определения минералов, металлов и органических веществ. На третьем этапе аппарат выйдет на орбиту Фобоса или Деймоса высотой 30–50 км, чтобы искать фазы минералов, содержащие летучие вещества. Полученные данные должны помочь оценить наличие ресурсов, которые могут иметь значение для будущих лунных и марсианских миссий.

Главный вопрос первой фазы проекта — возможно ли получить качественный, пригодный для анализа рамановский сигнал с такой дистанции. Исследование должно определить, удастся ли обнаружить характерные линии минералов с достаточным отношением 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 выполнить всю последовательность операций. Для этого команда проведёт расчёты количества возвращающихся фотонов на основе известных сечений рамановского рассеяния, проанализирует влияние вибраций и ошибок ориентации и разработает траектории с использованием стандартных инструментов планирования NASA. Для каждого этапа также рассматриваются альтернативные варианты — в том числе меньшая высота пролёта и альтернативные схемы двигательной установки.

Проект выполняется в рамках исследования NIAC Phase I — первой фазы программы NASA Innovative Advanced Concepts, которая предназначена для оценки концепций космических технологий. Команду возглавляет инженер, ранее работавший с системами, способными анализировать объекты на расстоянии 120 м, и участвовавший 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 работе также участвует команда SETI.

Даже частичный успех, согласно описанию концепции, позволит уточнить физические ограничения дистанционного рамановского анализа и создать проверенные модели для будущих миссий. В дальнейшем такой подход предлагается использовать при выборе районов 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 выполнять аналогичные исследования в разных областях внутренней Солнечной системы.