Марк Медовник - Из чего это сделано? Удивительные материалы, из которых построена современная цивилизация
Тогда, в начале 1980-х, производство аэрогелей было по карману лишь очень богатым научным институтам. Таким, как ЦЕРН. Вскоре примеру европейского центра последовало Национальное управление по астронавтике и космонавтике США (НАСА). Кварцевый аэрогель впервые применили в космосе, для защиты оборудования от экстремальных температур, и здесь он подходил идеально, поскольку лучший в мире теплоизолятор почти невесом, что особенно важно, когда корабль вырывается из гравитационных объятий Земли. Это случилось в 1997 году при отправке к Марсу беспилотного аппарата Mars Pathfinder. С тех пор кварцевый аэрогель используют для изоляции на космических кораблях. Но как только ученые из НАСА поняли, что аэрогель способен путешествовать к другим планетам, ему нашли новое применение.
В ясную ночь можно увидеть, как небо пересекает яркий след падающей звезды. Долгое время считалось, что это метеориты на высокой скорости входят в земную атмосферу, нагреваются трением о воздух и, вспыхнув, сгорают. Считается также, что большая часть метеоритов – это космическая пыль, то есть обломки вещества, образовавшегося, наряду с кометами и астероидами, при возникновении Солнечной системы 4,5 миллиарда лет назад. Точное определение материалов в составе этих небесных тел помогло бы нам понять, как появилась Солнечная система, и объяснить химический состав Земли. Эта задача привлекает особый интерес уже много лет.
Анализ метеоритного вещества только раздразнил любопытство ученых: дело в том, что при прохождении сквозь земную атмосферу они подвергаются воздействию экстремально высоких температур. Поэтому люди из НАСА подумали, что было бы неплохо захватить некоторые из этих объектов еще там, в космосе, и доставить их на Землю в первозданном, нетронутом виде.
Однако у этого плана было уязвимое место. Дело в том, что космические объекты движутся с весьма высокой скоростью. Космическая пыль летит быстрее пули, нередко преодолевая 50 км в секунду, то есть 18 000 километров в час. Поймать такой объект непросто. Если вы, скажем, вздумаете собственным телом задержать пулю, то либо сила пули превысит прочность вашей кожи и пуля прошьет вас насквозь, либо вы наденете пуленепробиваемый жилет из высокопрочного материала, такого как кевлар, и пуля расплющится. В любом случае дело это рискованное. Но в принципе осуществимое. Когда бейсбольный или крикетный мяч ловят «мягким захватом», то стараются распределить, рассеять энергию мяча, а не бросают все силы на один мощный захват. Специалистам НАСА нужно было замедлить скорость космической пыли с 18 000 км в час практически до нуля, не повредив ни летательный аппарат, ни саму пыль. Идеально подошел бы материал со сверхнизкой плотностью, способный замедлить частицы пыли мягко и без повреждений на площади всего в несколько миллиметров; прозрачный, чтобы ученые могли сразу найти застрявшие в нем крошечные звездные пылинки.
И – о чудо! – такой материал нашелся. Более того, НАСА уже использовало его в космических полетах. Разумеется, это был кварцевый аэрогель. В основе его подвигов тот же самый механизм, который защищает каскадера во время съемок: тот падает с крыши на гору картонных коробок, и каждая, сминаясь под его весом, поглощает некоторое количество энергии удара. Чем больше коробок, тем лучше. Точно так же каждая из внутренних перегородок в пористом аэрогеле, сталкиваясь с частичкой пыли, поглощает крошечное количество энергии. В одном кубическом сантиметре содержится несколько миллиардов перегородок – этого достаточно, чтобы остановить пылинку, практически ее не повредив.
На способности аэрогеля бережно улавливать кометную пыль НАСА построило целый космический проект. 7 февраля 1999 года был произведен запуск аппарата Stardust, полностью оборудованного для полета через Солнечную систему и запрограммированного на сближение с кометой 81Р/Вильда. Аппарат должен был собрать межзвездную пыль в глубоком космосе, а также кометную пыль, что позволило бы специалистам НАСА изучить их материальный состав. С этой целью разработали специальное устройство, похожее на гигантскую теннисную ракетку, меж струн которой поместили аэрогель.
В течение лета и осени 2002 года в глубоком космосе, за миллионы километров от любой планеты, космический аппарат Stardust открывал люк и выставлял наружу свою гигантскую теннисную ракетку с аэрогелем. Это была одинокая игра в межзвездный теннис микроскопическими теннисными мячиками – останками давно погасших звезд, неиспользованными частичками нашей собственной Солнечной системы, до сих пор летающими в космическом пространстве. Stardust не мог оставаться в глубоком космосе слишком долго, так как должен был встретиться с кометой 81Р/Вильда, несущейся с дальних окраин Солнечной системы к ее центру (такой вояж комета совершает раз в 6,5 лет). Убрав аэрогелевую теннисную ракетку, космический аппарат поспешил на свидание с ней. Больше года он добирался до цели, и 2 января 2004 года встал на пути у кометы размером 5 километров в диаметре, облетающей вокруг Солнца. Затем, ловко сманеврировав и заняв положение в 237 километрах позади кометы, аппарат открыл люк, опять выставил аэрогелевую теннисную ракетку, на этот раз другой стороной, и впервые в истории приступил к сбору девственной кометной пыли.
Захватив ее в достаточном количестве, через два года Stardust вернулся на Землю. Приближаясь к нашей планете, он изменил курс и сбросил небольшую капсулу, которая под влиянием гравитации вошла в атмосферу со скоростью 12,9 километра в секунду – это самая высокая когда-либо зафиксированная скорость возвращения в плотные слои атмосферы, – став на какое-то время падающей звездой. Через пятнадцать секунд раскаленная капсула выпустила вспомогательный тормозной парашют. Спустя несколько минут, на высоте почти три километра над пустыней штата Юта, он был отброшен, и раскрылся основной парашют. Поисковые команды уже знали, где приземлится капсула, и отправились встречать ее. После семилетнего путешествия за четыре миллиарда километров капсула упала в пески пустыни штата Юта в 10:12 по Гринвичу в воскресенье 15 января 2006 года.
«Мы чувствуем себя родителями в ожидании ребенка, который уехал от нас юным и простодушным, а теперь возвращается с ответами на самые фундаментальные вопросы о нашей Солнечной системе», – сказал руководитель проекта Том Даксбери, сотрудник Лаборатории реактивного движения НАСА в Пасадене, штат Калифорния.
Впрочем, ученые не имели ни малейшего понятия о том, будут ли у них ответы на какие-либо вопросы, пока не открыли капсулу и не начали изучать аэрогелевые образцы. Космическая пыль вполне могла обойти аэрогелевые ловушки, или же слишком резкое торможение при входе в атмосферу могло разрушить аэрогель, превратив его в никчемный порошок.
Микроскопические следы частиц кометы в аэрогеле (фото НАСА)
Ученые зря волновались. Как только капсулу доставили в лабораторию НАСА и вскрыли, выяснилось, что аэрогель почти в идеальном состоянии. На его поверхности были крошечные дырочки, оставленные, как потом оказалось, звездными пылинками. Аэрогель справился с задачей, которую мог выполнить только он один, – доставил на Землю чистые образцы пыли кометы, рожденной, когда нашей планеты еще не было на свете.
Еще много лет ученые из НАСА искали крошечные фрагменты пыли, застрявшие в аэрогеле. Работа продолжается по сей день. Эта пыль невидима невооруженным глазом, а исследование образцов под микроскопом занимает много времени. К участию в столь масштабном проекте НАСА даже привлекло волонтеров. Программа [email protected] учит их искать фрагменты космической пыли, просматривая на домашнем компьютере тысячи микроскопических изображений аэрогелевых образцов.
Работа уже принесла немало интересного. Любопытнее всего то, что большая часть фрагментов пыли с кометы 81Р/Вильда демонстрирует присутствие капелек богатого алюминием расплава. Совершенно непонятно, как эти химические соединения могли образоваться в комете, в ледяном космосе, ведь для этого требуется температура свыше 1200 °C. Считалось, что кометы – это замороженные породы, которые появились одновременно с Солнечной системой, поэтому новость, мягко говоря, стала большим сюрпризом. Похоже, результаты работы опровергают стандартную модель возникновения кометы, или же мы еще многого не знаем о том, как зарождалась наша Солнечная система.
Космический аппарат Stardust выполнил свою задачу и исчерпал запас топлива на борту. 24 марта 2011 года на расстоянии 312 миллионов километров от Земли он принял последнюю команду из НАСА о прекращении связи. Подтвердив получение команды, Stardust в последний раз дал отбой. Сейчас он, похожий на рукотворную комету, летит все дальше от нас в глубокий космос.
