Технология, которая имитирует структуру глаз омара, теперь применяется к новому прибору, который может помочь произвести революцию в рентгеновской астрономии и обеспечить безопасность астронавтов на Международной космической станции.
Ученые из Центра космических полетов Годдарда НАСА в Гринбелте, штат Мэриленд, разрабатывают «Детектор переходного рентгеновского излучения лобстера», который они надеются развернуть на космической станции через три-четыре года. Со своего места на орбитальном аванпосте сквозной прибор, разрабатываемый в настоящее время Джорданом Кэмпом, Скоттом Бартелми и Джерри Скиннером, будет обнаруживать с беспрецедентной точностью нестационарные рентгеновские лучи - те мимолетные, трудноулавливаемые высокоэнергетические фотоны, которые образуются во время слияния черных дыр и нейтронных звезд, сверхновые и гамма-всплески, возникшие гораздо дальше в ранней Вселенной.
Но технология «глаза лобстера» может выполнять и другую столь необходимую работу.
Он может проверять наличие утечек аммиака на Международной космической станции - проблема, которую инженеры Космического центра имени Джонсона НАСА в Хьюстоне, штат Техас, определили как требующую решения. Безводный аммиак, токсичное соединение азота и водорода, используется в качестве охлаждающей жидкости, которая помогает регулировать температуру на борту станции. В настоящее время утечки находятся на приемлемом уровне, но внезапный рост может представлять серьезную опасность для астронавтов, сказал Кэмп.
Новое приложение для устоявшейся технологии
Технология омаров не нова. Впервые задуманный как рентгеновский монитор всего неба ученым из Аризонского университета Роджером Энджелом в 1970-х годах, он имитирует структуру глаз ракообразных, состоящих из длинных узких клеток, каждая из которых улавливает крошечное количество света, но с разных сторон. Только тогда свет фокусируется в единое изображение.
Оптика рентгеновского прибора для обнаружения лобстеров будет работать точно так же. Его глаза представляют собой микроканальную пластину, тонкую изогнутую пластину материала, усеянную крошечными трубочками по всей поверхности. Рентгеновские лучи входят в эти трубки под разными углами и фокусируются за счет отражения от касания, что дает технологии широкое поле зрения, необходимое для обнаружения, а затем визуализации переходных процессов, которые невозможно предсказать заранее. По словам Кэмпа, детектор лобстеров уникален тем, что обладает высокой чувствительностью, широким полем зрения и высоким угловым разрешением.
С тех пор, как Энджел впервые задумал эту концепцию, астрономы из Университета Лестера в Лестере, Англия, усовершенствовали технологию и создали инструмент для полета на BepiColombo, миссии к Меркурию, разработанной совместно Европейским космическим агентством (ESA).) и Японское агентство аэрокосмических исследований. ЕКА планирует запустить космический аппарат в 2014 году.
Что нового, так это то, "что мы хотим с этим делать", сказал Кэмп. «Инновация заключается в использовании технологии лобстера для сквозного приложения. Мы хотим использовать эту технологию по-новому для продвижения как астрофизики, так и пилотируемых космических полетов».
Для продвижения концепции двойного назначения команда при поддержке Goddard Internal Research and Development и поддержки Фонда инноваций Центра главного технолога НАСА собирает и тестирует прототип, оснащенный коммерчески доступной микроканальной пластиной, заряженной- детектор сопряженных устройств и соответствующая электроника.
Широкопольная коллекция нестационарных рентгеновских лучей
Благодаря повышенной чувствительности и широкому полю зрения, Кэмп сказал, что прибор сможет обнаруживать переходные рентгеновские излучения на большой части неба, давая ученым беспрецедентное представление о слияниях черных дыр, сверхновых, и даже гамма-всплески в очень далекой Вселенной. Переходные рентгеновские лучи теперь трудно обнаружить, потому что эти источники становятся ярче без предупреждения, а затем так же быстро исчезают.
Он также считает, что этот инструмент может работать в сочетании с Лазерным интерферометром гравитационно-волновой обсерватории (LIGO) и даже повышать его чувствительность - эксперимент, финансируемый Национальным научным фондом, который занимается поиском гравитационных волн с 2002 года. Гравитационные волны, впервые постулированные Альбертом Эйнштейном, представляют собой слабую рябь в пространстве-времени, которая теоретически возникает во время мощных событий, таких как слияния двойных черных дыр или нейтронных звезд.
Детекторы гравитационных волн плохо локализуют. По словам Кэмпа, при использовании в сочетании с фокусирующим детектором Lobster ученые смогут точно определить местонахождение источника.
Обнаружение утечек аммиака на космической станции
Не менее интересно, по словам Кэмпа, то, как он может использовать эту технологию для обнаружения утечек аммиака. Безводный аммиак проходит по трубам, соединенным с огромными радиаторными панелями, расположенными за пределами космической станции. Когда аммиак циркулирует по трубке, он выделяет тепло в виде инфракрасного излучения. Короче говоря, это помогает регулировать температуру на борту. Возможно, из-за ударов микрометеоритов или термомеханических нагрузок эти линии в настоящее время негерметичны.
Технология омаров может помочь, сказал Кэмп. Однако с этим приложением инструмент потребует добавления специализированного устройства, называемого электронной пушкой, которое будет бомбардировать поверхности электронными лучами с определенными уровнями энергии. Элементы, вступающие в контакт с этими электронными лучами, возбуждаются, производя рентгеновские лучи на определенных уровнях энергии.
В этом случае прибор, когда-то прикрепленный к роботизированному манипулятору космической станции, будет сканировать трубопроводы охлаждающей жидкости и панели радиатора в поисках азота, а точнее рентгеновских лучей, генерируемых элементом. Если обнаружены рентгеновские лучи азота, их присутствие может указывать на утечки, поскольку аммиак представляет собой соединение азота и водорода.
Скиннер взял на себя инициативу по сборке и тестированию прототипа детектора для проверки утечек, и недавно ему удалось получить рентгеновское изображение небольшой утечки азота в лабораторной вакуумной системе. Тем временем Бартелми изучает системные проблемы, связанные с развертыванием на космической станции системы лобстеров двойного назначения.
«Многие люди в восторге от возможностей этого универсального инструмента», - сказал Кэмп. «С помощью нашей программы IRAD мы планируем повысить уровень технологической готовности предлагаемого нами прибора. Посмотрим, куда он пойдет. Мы считаем, что у него большой потенциал».