Лунная обсерватория: гигантский телескоп

      Комментарии к записи Лунная обсерватория: гигантский телескоп отключены

Лунная обсерватория: гигантский телескоп

    Пятидесятиметровый великан Приблизительно так имел возможность бы смотреться телескоп диаметром 50 м с многосегментным зеркалом. В случае если строить таковой телескоп на Луне, все подробности поддерживающих конструкций нужно будет везти с Почвы

Весной этого года мировое астрономическое сообщество было взбудоражено докладом команды доктора наук Питера Чена из Центра космических полетов NASA имени Годдарда на конференции в Сент-Луисе. Исследователи представили уникальную концепцию создания лунного телескопа с этими особенностями, какими не владеет ни один из существующих сейчас астрономических устройств.

Доктор наук Чен внес предложение выстроить телескоп с диаметром главного зеркала около 50 м прямо на Луне, применяя для этого самый дешёвый материал — лунную пыль. Комплекс из двух либо более таких телескопов с немыслимой разрешающей свойством, установленных на лишенном атмосферы спутнике Почвы, предоставит шанс ученым рассмотреть спектры воздуха планет в других звездных совокупностях и найти в том месте следы озона и метана, свидетельствующие о возможности судьбы. Более того, Чен уверен в том, что в огромные зеркала возможно превращать целые кратеры.

Главный элемент любого телескопа-рефлектора — это зеркало, фокусирующее свет. Новейшие технологии разрешают делать громадные зеркала, складывающиеся из многих сегментов: на Гавайях, например, уже давно трудятся два десятиметровых рефлектора — телескопы Keck1 и Keck2, а самый большой в мире зеркальный телескоп Gran Telescopio Canarias имеет диаметр 10,4 м. Планируемый к запуску в 2013 году орбитальный телескоп James Webb будет оснащен многосегментным зеркалом диаметром 6 м. Питер его коллеги и Чен Даг Рабин, Майкл ван Стенберг и Рон Оливерсен, замахнувшиеся на 50-метровое зеркало, считают, что для постройки рефлектора-гиганта достаточно доставить на Луну всего лишь пара килограммов углеродных нанотрубок, несколько центнеров эпоксидной смолы и мало алюминия.

Лунный бетон

Процесс изготовления зеркала по разработке Чена предусматривает отливку заготовки способом центробежного литья (спинкастинга) и последующее нанесение на нее отражающего слоя из алюминия. Лунная пыль, либо реголит, играет роль наполнителя, а связующим материалом в смеси помогает эпоксидная смола. По мере заполнения формы она неспешно затвердевает и образует готовое основание для зеркала.

В состав смеси не считая лунной пыли Чен собирается добавлять углеродные нанотрубки и волокна для снижения и повышения прочности конечной усадочной деформации заготовки. Помимо этого, углеродные нановолокна должны придать взятому материалу электропроводность и повышенную устойчивость к суточным перепадам температуры, каковые на Луне достигают практически 300 градусов. Последний этап процесса — нанесение на основание зеркала узкого отражающего слоя из алюминия.

Затем космонавтам останется только установить суперзеркало на подвижную платформу и подключить управляющую электронику. Приблизительно таким же образом возможно, согласно точки зрения Чена, наладить производство строительных блоков для возведения обитаемых лунных станций. Так как по прочности полученный материал соответствует бетону. Огромные лунные зеркала также будут играть роль концентраторов солнечного света для превращения его в электричество.

Все легко, уверяет Чен. Но это лишь на первый взгляд.

В качестве подтверждения собственной концепции Питер его коллеги и Чен показали прототип лунного зеркала диаметром 30 см, сделанного по обрисованной методике из имитатора и эпоксидной смолы лунной пыли типа JSC-1A Fine. Узкий зеркальный слой из алюминия был нанесен на его поверхность способом напыления в вакууме. Уровень качества зеркала оказалось хорошим.

Но комфорт земной лаборатории и проведение работ на Луне в экстремальных условиях — совсем не одно да и то же. Основной неприятель всех механизмов, как, но, и космонавтов, на Луне — вездесущая лунная пыль. Она владеет высокой абразивностью и так электризована ультрафиолетовым солнечным излучением, что ее верхний слой нависает над поверхностью Луны, как рыхлый туман. Она практически прогрызает все движущиеся механизмы, стоит ей только попасть между трущимися подробностями.

Для надежной работы в агрессивных лунных условиях нужна совсем новая особая машины и техника, защищенные от пыли. До тех пор пока их не существует.

Зеркальная карусель

Вторая неприятность — создание совершенной рабочей поверхности зеркала. Конечно, что способом центробежного литья создать совершенную параболическую поверхность нереально кроме того в земных условиях. Прецизионная механическая обработка зеркала диаметром пара десятков метров — сложная задача. Каким методом это будет сделано — пока не светло. Нет ответа и на вопрос о технологии нанесения финишного зеркального слоя из алюминия в условиях запыленности.

Помимо этого, пока не изучены вопросы долговечности композитно-реголитового материала в условиях высокой радиации и экстремальных температур. Да, доставить на Луну 1,3 кг углеродных нанотрубок, 60 кг композитной смолы и 1 г алюминия, которых достаточно для создания зеркала, равного по размерам главному зеркалу орбитального телескопа Hubble, существенно проще, чем везти с собой готовую подробность таких размеров, кроме того в виде отдельных сегментов.

Но как доставить на Луну механизмы, благодаря которым будет осуществлен целый комплекс работ? Тайная. Способ центробежного литья предусматривает наличие вращающейся герметичной литейной формы. И в случае если диаметр заготовки зеркала составит 50 м, то сама форма должна быть еще больше. Из чего она будет сделана?

И на данный вопрос до тех пор пока нет ответа.

Заявление доктора наук Чена о том, что его командой создана разработка постройки астрономического прибора на Луне по неастрономическим стоимостям, многие эксперты вычисляют пара преждевременным. Физик Джеймс Спанн из Центра космических полетов имени Маршалла говорит: «Мысль хорошая. Но как вы доставите на Луну большую вращающуюся платформу для центробежного литья? А также если вы решите эту проблему, то какой механизм потребуется для ее вращения?

какое количество часов работы в лунной пыли он сможет выдержать?» Не обращая внимания на это Спанн уверен в том, что вторая часть плана доктора наук Чена — создание на Луне строительных блоков из композитно-реголитовой смеси — весьма перспективна. Совсем немыслимо завозить стройматериалы для лунных поселений с Почвы, в то время, когда около находится немыслимое количество горной породы. Ли Файнберг, начальник проекта орбитального телескопа James Webb, что начнет работу на орбите в 2013 году, считает, что осуществление проекта огромной лунной обсерватории станет вероятным только по окончании создания на Луне постоянных индустриальных комплексов и поселений.

Звезды в бассейне

Еще одна уникальная концепция лунного телескопа в собственности физикам Роджеру Эйнджелу из Университета Аризоны и доктору наук Эрманно Борра из Университета Английской Колумбии. Эйнджел и Борра предлагают создать на Луне телескоп-рефлектор с жидким зеркалом. Подобные оптические устройства уже давно употребляются в земных обсерваториях. Телескопы с жидким зеркалом не заменяют хорошие рефлекторы функционально, но практически в сто раз дешевле при равных размерах главного зеркала.

Главный компонент таких устройств — ртуть, налитая во вращающуюся ванну. Центробежная сила и гравитация создают вогнутую зеркальную параболическую поверхность с регулируемой кривизной. самая сложная часть для того чтобы телескопа — привод, осуществляющий плавное и весьма правильное вращение ванны с заданной угловой скоростью.

В первую очередь 1990-х годов на всех существующих рефлекторах с жидким зеркалом используется прямой электрический привод платформы на аэростатическом подшипнике, созданный экспертами NASA. Статор привода интегрирован в корпус подшипника, а ротор напрямую соединен с платформой ванны.

Благодаря низкой чувствительности к внешним действиям аэростатического подшипника (воздушной прослойки, неизменно нагнетаемой компрессором) возможно очень совершенно верно регулировать кривизну зеркала посредством оптического датчика. При происхождении ряби на поверхности вращающейся ртути привод выключают, а после этого запускают снова. Недочёт у телескопа с жидким зеркалом один: он бывает направлен лишь вертикально вверх, в зенит.

Самый большой в мире телескоп с жидким зеркалом — рефлектор Large Zenith Telescope, установленный в обсерватории Университета Английской Колумбии в Канаде. Диаметр его ртутного зеркала равен 6 м, а масса ванны — 3 т. Но для Луны Эйнджел и Борра готовят что-то более масштабное — стометровый поворачивающийся рефлектор, установленный на одном из полюсов отечественного пыльного спутника! По словам Борра, ведущего в мире специалиста по телескопам с жидким зеркалом, разрешающая свойство для того чтобы прибора будет на порядок выше, чем у сейчас действующего Hubble и будущего его сменщика на орбите — телескопа James Webb.

Тоска по воздуху

Как и при с концепцией доктора наук Чена, выбор технологий и материалов строительства для для того чтобы огромного сооружения на Луне будет очень непростым делом. К примеру, от ртути нужно будет отказаться сходу — она попросту замерзнет при температуре ниже -40°С. В качестве рабочего тела Эйнждел с сотрудниками предлагают выбрать особые низкотемпературные солевые расплавы (ионные жидкости).

Подобные жидкости уже существуют и легко выдерживают охлаждение до -170°С, но их отражающая свойство мала. Нанесение на их поверхность железного покрытия — громадная, но все же решаемая неприятность. Это возможно или вакуумное напыление паров серебра, или покрытие из эластичной металлизированной полимерной пленки.

В лабораторных условиях Эрмано Борра и его ученик Омар Седдики сумели нанести узкое серебряное покрытие на жидкое зеркало из солевого расплава диаметром 5 см. «Это похоже на попытку покрасить воздушное пространство. Но это вероятно!» — говорит Борра.

Более сложная с технической точки зрения задача — создание вращающегося привода для большого сооружения. Аэростатический подшипник на Луне применять запрещено, поскольку воздух в том месте отсутствует. Роджер Эйнджел предлагает применить вращающееся основание на магнитной подушке с электроприводом.

В нем нет внешних трущихся элементов, каковые бы могли быть повреждены лунной пылью, исходя из этого угловая вертикальная ориентация и скорость вращения смогут совершенно верно контролироваться. А как быть с огромной несущей ванной? Так как она должна быть изготовлена прямо на Луне.

В отличие от концепции Питера Чена, в этом случае неприятность имеет более реалистичное ответ. Ванна для солевого расплава не требует сверхточной обработки рабочей поверхности. Достаточно придать ей ровную параболическую форму. Собрать ее возможно поэлементно из тех самых строительных блоков на базе лунной пыли, каковые обрисовывает Чен.

С Почвы нужно будет доставить на Луну только емкость с расплавом и механизм вращения, что возможно достаточно компактным. Лунная гравитация в шесть раз меньше земной, и предметы на ее поверхности кроме этого весят вшестеро меньше. Стометровая ванна будет весить всего лишь пара тысячь киллограм — такую нагрузку выдержал бы кроме того простой автомобильный домкрат.

Но кроме того в случае если ученым удастся решить все технологические неприятности и выстроить один из этих лунных телескопов, то вопросы все равно останутся. Как обезопасисть чувствительные зеркала оптических телескопов от постоянной бомбардировки метеоритами разного калибра? Как не допустить запыление зеркал, в случае если пыль кроме того сдуть нечем?

В этом случае отсутствие воздуха на Луне из хорошего фактора преобразовывается в отрицательный, и весьма важный.

Радиограмма в пропасть

    Жидкое зеркало При вращении поддона с ртутью жидкость образует параболическую поверхность, которую возможно применять в качестве главного зеркала телескопа. Кривизну поверхности возможно поменять, изменяя скорость вращения поддона

Уже три года коллектив ученых во главе с Джозефом Лацио разрабатывает проект лунного радиотелескопа-интерферометра DALI (Dark Ages Lunar Interferometer) для установки на обратной стороне Луны, недалеко от кратера Циолковский, где имеются области с весьма ровной поверхностью. настройка и Сборка прибора будет произведена на Земле в совершенных лабораторных условиях. Лунная пыль для радиотелескопа не преграда.

Его антенна, похожая на огромного паука диаметром около 500 м, складывается из шести радиальных лент с антенными элементами, каковые будут доставлены на Луну в свернутом виде. DALI окажет помощь ученым пробраться в тайну молодости отечественной Вселенной — «чёрную эру», охватывающую сотню миллионов лет по окончании Громадного взрыва. Регистрируя радиоизлучение атомов водорода на длине волны в 21 см, астрологи смогут изучать эту эру, процесс происхождения первых звезд, дальнейшей эволюции и галактик Вселенной.

Рабочий радиодиапазон интерферометра DALI будет охватывать длины волн от 21 см до нескольких метров, потому, что в ходе расширения Вселенной излучение атомов водорода «удлиняется» за счет красного смещения. С Почвы правильные измерения в этом диапазоне создавать сложно из-за наличия ионосферы, которая искажает доходящие до нас сигналы из космоса.

Наливай и наблюдай

    Телескоп с вращающимся жидким (ртутным) зеркалом требует правильного выравнивания и особых подшипников, разрешающих исключить неравномерность вращения. Помимо этого, таковой телескоп возможно направлен лишь вертикально вверх — в зенит

В первый раз мысль о жидком параболическом зеркале для телескопа-рефлектора пришла в голову Исааку Ньютону, обрисовавшему фундаментальный принцип создания зеркала. Только во второй половине XIX века к идее Ньютона возвратился итальянский астролог Эрнесто Капоцци из обсерватории Каподимонте. Он опубликовал детальное описание принципов работы телескопа с жидким зеркалом и произвел расчеты оптимальных угловых скоростей вращения для совершенной параболы.

В первой половине 50-ых годов девятнадцатого века Капоцци пожелал выстроить прототип для того чтобы рефлектора для Бельгийской академии наук, но та отказалась от аналогичной выдумки. Еще через 2 десятилетия телескопами с жидким зеркалом заинтересовался новозеландский астролог Генри Скей из обсерватории Дунедин. Скею удалось выстроить действующую модель рефлектора с диаметром зеркала 35 см.

В 1909 году известный физик Роберт Вуд из Университета Джонса Хопкинса опубликовал серию материалов, обрисовывающих работу его 51-сантиметрового телескопа с жидким зеркалом. Разрешающая свойство этого прибора разрешала различать небольшие двойные звезды с угловым расстоянием до 2,3 с. Для исключения неравномерности вращения Вуд сконструировал особенную совокупность подвеса чаши с ртутью. Мысль пролежала под сукном 73 года, пока в первой половине 80-ых годов XX века ею не заинтересовался канадский ученый Эрманно Борра.

Он изучил и переработал труды Вуда в свете новейших технологий и выстроил действующий прототип прибора с диаметром жидкого зеркала 1,5 м, в качестве рабочего тела применив ртуть. Потом вместе с доктором наук Хиксоном из Университета Беркли Борра создал и осуществил проект трехметрового рефлектора. На данный момент в мире выстроено уже много аналогичных астрономических устройств.

Наибольший из них — телескоп Large Zenith в Канаде.

Лунная пыль: приятель либо неприятель?

Американские космонавты, побывавшие на Луне, на себе испытали все «прелести» лунной пыли. Помимо этого, что она истирала, как наждак, одежду, резину а также металлы, она еще и прилипала намертво ко всему, чего касалась. Стряхнуть ее со скафандров было фактически нереально. Частично это неприятное свойство обусловлено угловатой формой пылинок, напоминающей «липучку» велкро.

Но все же главная причина кроется в том, что эта пыль легко электризуется под действием солнечного ультрафиолета. Команда ведущего эксперта лаборатории NASA по электростатике Карлоса Калле пробует бороться с лунной пылью, применяя ее же сильные стороны. Калле говорит: «В 1970-х доктор наук Токийского университета Сеничи Масуда, признанный авторитет в изучении электростатики, придумал так именуемую электрическую завесу».

Масуда и не думал ни о какой лунной пыли, он занимался созданием узких воздушных фильтров. Зная, что частицы смога обычно электрически заряжены, ученый попытался улавливать их посредством нескольких пар электродов, создающих электрическое поле. Частицы пыли, взявшие заряд от одного из электродов, притягивались к противоположному и оседали в том месте.

На базе этого результата Калле и его сотрудники пробуют создать так называемый прозрачный электродинамический щит для лунных солнечных панелей, оптики и шлемов космонавтов. Подходящий материал для прозрачных электродов уже отыскан — это титанат оксид индия (ITO). Главная трудность содержится в отсутствии лунной пыли для опытов.

Неестественный реголит в отличие от настоящего не содержит наночастиц железа, исходя из этого работу электродинамического щита возможно проверить до тех пор пока только теоретически. Еще один борец с лунной пылью, доктор наук Университета Теннесси Лари Тэйлор, предлагает плавить ее посредством магнетронов, каковые являются излучателями в микроволновых печах. Наночастицы железа в составе лунной пыли при действии микроволнового излучения скоро раскаляются и сплавляют между собой стекловидные пылинки.

Замечательный магнетрон способен перевоплотить в стеклоблоки полуметровый слой пыли. Тэйлор говорит, что это окажет помощь прокладывать на Луне дороги с жёстким покрытием а также превращать в стекло целые кратеры. Одно из самых страшных особенностей лунной пыли — ее патогенность. Вдыхание небольших, размером около 10 мкм, острых стекловидных частиц пыли (не смотря на то, что они сами по себе не ядовиты) может привести к силикозу, опытное заболевание шахтеров.

Дабы заболеть силикозом, совсем не обязательно трудиться в запыленных условиях десятилетиями. Зафиксированы смерти горняков и массовые случаи заболевания на проходке туннеля в Западной Виргинии в 1930-х годах, которая длилась всего пара месяцев. Будущие жители лунных станций кроме этого будут подвержены важному риску болезней легких, если не предпринять меры по очистке воздуха от лунной пыли.

Безотлагательно требуется реголит!

Для тестирования разработок, которые связаны с освоением Луны, требуются много тысячь киллограм лунной пыли. Одной лишь компании Caterpillar нужно от 2 до 4 т лунного грунта для разработки тяжелой строительной техники, которая сможет трудиться на Луне. Все запасы настоящей породы, привезенные миссиями Apollo, в далеком прошлом истрачены.

Песчаная лунная поверхность состоит в основном из смеси стекловидных частиц неправильной формы с вкраплениями самородных осколков и металлов горных пород, появившихся в следствии постоянной бомбардировки поверхности Луны воздействием и метеоритами твёрдой солнечной радиации, причем в различных районах Луны реголит очень резко отличается по механическим свойствам и составу. Еще в начале 1960-х при подготовке полетов на Луну NASA создало 34 типа имитаций лунного грунта для моделирования условий, в каковые смогут попасть космонавты.

Но однако космонавты были не готовы к встрече с настоящей лунной пылью, которая липла к одежде, ломала оборудование и царапала поверхность оптических устройств. Последующее изучение привезенного с Луны во время с 1969 по 1972 год реголита, совершённое доктором наук Джеймсом Картером из Техасского университета, привело ученых к мысли, что изготовление имитатора лунного грунта вероятно в земных условиях. Как раз Картер и возглавил эту работу под руководством NASA в первой половине 90-ых годов двадцатого века.

Через два года он сумел создать вещество, весьма похожее на настоящий реголит из вулканического пепла, множества и базальта разных добавок. Оно было названо JSC-1 (Johnson Space Center). Партия тёмного порошка количеством 25 т была расфасована в 25-килограммовые мешки и разошлась по лабораториям и университетам, проводившим космические изучения. Потом на базе JSC-1 были созданы еще пара модификаций неестественной лунной пыли.

На данный момент работы по созданию более идеальных имитаторов лунной пыли проводятся в Космическом центре им. Маршалла. Ученые пробуют создать базисную смесь, на базе которой возможно будет получать реголит, характерный для конкретных районов Луны.

Статья размещена в издании «Популярная механика» (№74, декабрь 2008).

Гигантский Магелланов Телескоп


Интересные записи на сайте:

Подобранные по важим запросам, статьи по теме: