Сотрудниками сектора нейтронного активационного анализа и прикладных исследований Лаборатории нейтронной физики Объединенного института ядерных исследований были проанализированы фрагменты хлопчатобумажного свертка ткани, провисевшего более десять лет в открытом космосе.
С увеличением срока службы космических аппаратов была обнаружена проблема загрязнения их внешних поверхностей осадком неизвестного происхождения. Эта проблема особенно актуальна для международной космической станции (МКС). Следует отметить, что поверхность станции загрязнена только с определенной стороны. Создается впечатление, что пыль движется потоком, направленным относительно станции. Такое загрязнение не создает проблем в земных условиях, но в космосе оно приводит к перегреву загрязненных поверхностей, термической деформации и многим другим проблемам, приводящим к нарушению герметичности и поломке космических аппаратов. Мелкие частицы, движущиеся с космической скоростью, способны взаимодействовать с алюминиевыми корпусами модулей станции и другими конструктивными элементами. В алюминиевых сплавах под воздействием частиц высокой энергии происходят процессы кристаллизации и перераспределения легирующих добавок вдоль граней кристаллов, что приводит к ухудшению прочностных характеристик материала. Кроме того, высокоэнергетические дисперсные частицы могут проникать в поверхностные слои металла, что также изменяет характеристики материалов космических аппаратов. Таким образом, для проектирования будущих космических полетов важнейшей задачей является исследование этого процесса с целью установления происхождения пыли и изучения ее воздействия на конструкционные материалы.
В рамках космического эксперимента «Тест» в целях исследования сорбции космозоля, формирующего мелкодисперсную осадочную среду на поверхности МКС, было предложено снять и доставить на Землю хлопчатобумажный сверток ткани, размещенный космонавтами на внешней поверхности МКС. Изученный сверток ткани был закреплен Юрием Лончаковым и американским астронавтом Майклом Финке на кронштейне 2312 во время сеанса ВКД. Он был установлен 10 марта 2009 года, демонтирован космонавтами 15 мая 2019 года, помещен в пакет с застежкой типа «Zip-Lock» в условиях атмосферы космической станции и доставлен на Землю в сентябре 2019 года (Рис. 1). Таким образом, время его пребывания в открытом космосе составило более 10 лет.
Для определения элементного состава ткани свертка два фрагмента (один чистый и один загрязненный) были переданы в Лабораторию нейтронной физики им. И. М. Франка. Содержание элементов в фрагментах было определено методом нейтронного активационного анализа (НАА) на установке РЕГАТА реактора ИБР-2. Используя НАА, удалось определить содержание 39 элементов в загрязнённом фрагменте свертка ткани и 19 элементам в чистом фрагменте.
Существует несколько возможных источников элементов, осажденных на полотенце. Одним из важных источников можно считать частицы пыли, образующиеся при падении метеоритов, астероидов или комет. Для определения природы элементов соотношения элементов, установленные для хондритов, сравнивали с соотношениями, полученными для загрязненного фрагмента свертка. Таким образом, было подтверждено космическое происхождение магния, кремния, железа, урана и тория.
Поскольку МКС в основном построена из алюминия, а трубопроводы изготовлены из коррозиестойких сталей и титановых сплавов, станцию можно считать основным источником данных элементов.
Помимо космических тел и самой МКС, другим источником осаждения элементов на свертке можно считать частицы, выбрасываемые с Земли, например, вулканический пепел. Вулканический пепел можно считать важным источником Ba, Zr, Re, Sr, Rb и редкоземельных элементов. В верхнюю часть ионосферы на высоту орбиты МКС ионизированные частицы из состава газопылевых выбросов фумарольных полей вулкана могут попасть с восходящей ветвью глобальной электрической цепи. Это своеобразный ионосферный лифт обеспечивает медленный подъем аэрозолей в поле конденсатора «Земля-ионосфера» за счет целого ряда сопряженных механизмов турбулентной электротермодиффузии, сопровождающейся массопереносом дисперсного материала.
Руководитель проекта Инга Зиньковская, кандидат химических наук, начальник сектора нейтронного активационного анализа и прикладных исследований Лаборатории нейтронной физики им. И.М. Франка Объединенного института ядерных исследований, так прокомментировала результаты исследований: «Основным направлением исследований сектора нейтронного активационного анализа и прикладных исследований являются исследования в области экологии, но нашей команде всегда было интересно проанализировать какие-то необычные, уникальные образцы. В первую очередь по той причине, что метод нейтронного активационного анализа дает широчайшие возможности. И в 2019 году коллега из института физической химии и электрохимии РАН предоставил нам такую возможность, передав в наш сектор интереснейший образец, полученный от ФГУП ВНИИФТРИ, — фрагмент свертка ткани, провисевший на внешней стороне МКС более 10 лет.
На тот момент фрагменты свертка уже проанализировали в нескольких научных лабораториях с целью определения элементного состава и наличия микроорганизмов. Методы, которые для этого обычно используются, обладают не очень высокой чувствительности, поэтому удалось определить не так уж много элементов. Наши коллеги решили, что было бы интересно попробовать применить нейтронный активационный анализ.
В 2020 году для сравнения был получен второй фрагмент свертка — чистый. Эта часть ткани никогда ни с какой космической пылью не контактировала. Несмотря на трудности того года, обусловленные пандемией, образцы были успешно облучены. Полученные результаты показали, что для такого объекта исследования нейтронный активационный анализ находится вне конкуренции. Нам удалось определить около 40 элементов в загрязненном фрагменте свертка и 20 элементов в чистом фрагменте. А дальше стояла задача определить источники этих элементов. Мы выделили три основных источника осаждения элементов на свертке — это космические тела, сама станция и частицы, выбрасываемые с Земли.
Результаты этой работы уже были опубликованы, мы надеемся, что они заинтересуют коллег из Роскосмоса и позволят нам участвовать и в других экспериментах, проводимых на МКС. Стоит заметить, что сразу после анализа фрагментов свертка к нам поступило на анализ около 50 образцов метеоритов, включая Челябинский метеорит. Поэтому можно считать, что данный образец дал старт развитию нового научного направления в нашем секторе».