13.09.2025, Andy Tomaswick, Universe Today

Лазеры полезны не только для развлечения кошек или демонстрации особенностей слайдов в PowerPoint. Они также могут сверлить отверстия во внеземных телах, содержащих лед, от комет до полярных шапок Марса. По крайней мере, так утверждается в новой статье исследователей из Технического университета Дрездена в журнале Acta Astronautica, где они описывают новую лазерную дрель для использования на ледяных поверхностях по всей Солнечной системе.

Проблема, которую пытается решить система, проста: сверление отверстий во льду на других планетах и ​​кометах обычно осуществляется с помощью «криобота» – по сути, горячего стержня, предназначенного для плавления льда посредством теплового контакта. Эта система имеет несколько проблем, одна из самых серьёзных – это потребляемая мощность. Криоботу могут потребоваться киловатты энергии. Радиоизотопный термогенератор типичного посадочного модуля может вырабатывать всего несколько сотен ватт. Разместить энергосистему такого уровня в другом месте Солнечной системы чрезвычайно сложно и дорого.

Есть и другие проблемы. Чтобы проникнуть глубоко в лёд, потребуется более длинный стержень, а значит, и больше материала. Хранить весь этот материал сложно, и это также увеличивает общий вес посадочного модуля. Даже сама окружающая среда работает против этого метода. Поскольку большая часть бурения будет производиться в полном вакууме, лёд будет сублимироваться в водяной пар, а не переходить в жидкое состояние, что сделает тепловой контакт между криоботом и льдом, который он пытается растопить, в лучшем случае слабым.

Так почему бы вместо этого не обработать лёд лазером? Лазеры решают многие проблемы криобота. Они компактны и могут быть очень маломощными. Им не требуется физическое взаимодействие со льдом, поскольку лазер можно направить на любую поверхность. И, что ещё лучше, сублимированная вода может всплывать из скважины и доставлять захваченные частицы на посадочный модуль для анализа, не задерживаясь громоздким металлическим зондом.

Чтобы проверить эту идею, исследователи под руководством Мартина Коссагака из Института аэрокосмической техники провели тестовый эксперимент в вакуумной камере с инфракрасным лазером с длиной волны 1550 нм. Они выбрали эту длину волны, поскольку она особенно сильно поглощается льдом. Это позволяет передавать большую часть энергии непосредственно расплавляемому материалу.

Они провели эксперименты на трёх различных типах льда, которые, как ожидается, встречаются по всей Солнечной системе. Первый тип представлял собой стандартный «чистый» лёд, и им удалось достичь скорости бурения примерно 1 метр в час при мощности лазера чуть менее 20 Вт. Все эти измерения глубины проводились с помощью дальномера видимого света, установленного на одной линии с лазером.

Следующей целью стал «зернистый» лёд — зёрна льда, а не сплошные глыбы, которые более типичны для замёрзших лун, подобных Энцеладу. В этих условиях лазер работал ещё лучше: скорость бурения достигала 1,7 м/ч, а энергопотребление — всего 12,7 Вт. Такая высокая скорость, вероятно, обусловлена ​​меньшей плотностью зёрен по сравнению с основной массой льда.

Последним, ещё более впечатляющим, испытанием стала серия испытаний с «пылевидным» льдом, где «пыль» (то есть нелетучий материал, такой как горная порода) составляла 50% или более образца. Поскольку лазеру требовалось только сублимировать ледяную часть образца, и эта сублимация принудительно выталкивала большую часть необходимого материала обратно в скважину, система смогла добиться гораздо более быстрых результатов с этим типом образца. При 50% пыли система могла работать со скоростью около 3,1 м/ч при мощности около 10 Вт.

Это впечатляющие скорости, особенно учитывая, что система могла бы работать непрерывно, относительно быстро создавая впечатляюще глубокие отверстия. Однако есть и недостатки, а также необходимо провести ряд дополнительных работ.

Просверленное отверстие имело диаметр всего около 6,15 мм — слишком мало места для зонда или чего-либо ещё под поверхностью льда. Кроме того, существует риск, что давление на дне глубокого отверстия может достичь уровня, достаточного для того, чтобы лёд начал плавиться, а не сублимироваться, что снизит эффективность метода, поскольку он будет нагревать, по сути, талую воду, а не лёд.

Известно, что скважины на Земле «сжимаются» после достижения определённой глубины, и хотя это остаётся потенциальной проблемой на других планетах, их более низкая гравитация, вероятно, означает, что они будут оставаться открытыми дольше, чем обычно на Земле. Однако одно из преимуществ системы — вынос пыли из скважины — имеет и обратную сторону. Она может покрывать зеркала, направляющие лазер, снижая их эффективность. Любая полномасштабная система потребует разработки способа снижения этого загрязнения.

В конечном счёте, это большой шаг в новом направлении глубокого бурения ледяных тел по всей Солнечной системе. Хотя на самом деле это был всего лишь небольшой шаг — им удалось успешно пробурить скважину всего на 25 см. В долгосрочной перспективе для будущих миссий по исследованию ледяных тел потребуется система бурения, и лазер представляется весьма жизнеспособным вариантом, требующим дальнейших испытаний и доработок. Возможно, когда-нибудь лазер проплавит себе путь сквозь поверхность одного из самых интересных тел Солнечной системы. К сожалению, там, вероятно, не будет кошек, которые могли бы за ним погнаться.

Дополнительная информация:

М. Коссагк и др. – Первые испытания лазерного ледового бура для разведки межпланетного льда и ледяных грунтов

UT — Испытание зонда, способного пробурить ледяной мир

UT - АРХИМЕД: Лазерное бурение льда на Европе

UT - Инструмент CoRaLS может обнаружить погребенный лунный лед

Перевод: Александр Тарлаковский (блог tay-ceti)

Оригинал: Lasers Can Melt Through Extraterrestrial Ice Efficiently