Миссии по возврату образцов из космоса

Введение

Миссия космического аппарата

Миссия по возврату образцов – это миссия космического аппарата, предназначенная для сбора и возвращения образцов из внеземного источника на Землю для анализа. Возвращаемые образцы могут включать как отдельные атомы и молекулы, так и сложные соединения, такие как рыхлый материал и горные породы. Получение этих образцов возможно различными способами, например, путем извлечения грунта и горных пород или с использованием коллектора для захвата частиц солнечного ветра или кометной пыли. Однако высказываются опасения, что возвращение таких образцов на Землю может представлять опасность для нашей планеты. На сегодняшний день образцы лунных пород с Луны были собраны в ходе роботизированных и пилотируемых миссий; космические аппараты посетили комету Вильда 2 и астероиды 25143 Итокава, 162173 Рюгу и 101955 Бенну, вернув образцы на Землю; а миссия Genesis доставила образцы солнечного ветра. Помимо миссий по возврату образцов, образцы из трех известных внеземных тел были получены иным путем: лунные метеориты с Луны, марсианские метеориты с Марса и HED-метеориты с Весты. 22 ноября 2023 года стало известно, что NASA сократила финансирование миссии по возврату образцов с Марса из-за возможной нехватки средств.

Научное использование

Образцы, доступные на Земле, могут быть проанализированы в лабораториях, что позволяет нам расширить наше понимание и знания в процессе открытия и исследования Солнечной системы. До настоящего времени многие важные научные открытия о Солнечной системе были сделаны дистанционно с помощью телескопов, а некоторые тела Солнечной системы посещались орбитальными или посадочными аппаратами, оснащенными приборами для дистанционного зондирования или анализа образцов. Хотя такое исследование Солнечной системы технически проще, чем миссия по возврату образцов, научные инструменты, доступные на Земле для изучения этих образцов, значительно более продвинуты и разнообразны, чем те, которые можно разместить на космических аппаратах. Более того, анализ образцов на Земле позволяет проводить дальнейшие исследования полученных результатов с использованием различных инструментов, включая те, которые способны отличить истинный внеземной материал от земного загрязнения, а также инструменты, которые еще предстоит разработать; в отличие от этого, космический аппарат может нести лишь ограниченный набор аналитических приборов, которые должны быть выбраны и созданы задолго до запуска. Образцы, проанализированные на Земле, можно сопоставлять с данными дистанционного зондирования для получения более глубокого понимания процессов, сформировавших Солнечную систему. Это было сделано, например, с результатами, полученными космическим аппаратом Dawn, который с 2011 по 2012 год исследовал астероид Веста, и с образцами метеоритов HED (собранными на Земле ранее), которые были сопоставлены с данными, собранными Dawn. Эти метеориты удалось идентифицировать как материал, выброшенный из крупного ударного кратера Реасильвия на Весте. Это позволило установить состав коры, мантии и ядра Весты. Подобным образом, некоторые различия в составе астероидов (и в меньшей степени, различные составы комет) можно выявить только по изображениям. Однако для получения более точной информации о материале, составляющем эти различные тела, в будущем будет собрано и возвращено больше образцов, чтобы сопоставить их состав с данными, полученными с помощью телескопов и астрономической спектроскопии. Помимо изучения основного состава и геологической истории различных тел Солнечной системы, еще одним важным направлением исследований является поиск строительных блоков жизни на кометах, астероидах, Марсе или спутниках газовых гигантов. В настоящее время разрабатывается несколько миссий по возврату образцов с астероидов и комет. Дополнительные образцы с астероидов и комет помогут определить, сформировалась ли жизнь в космосе и была ли она занесена на Землю метеоритами. Другой исследуемый вопрос заключается в том, сформировалась ли внеземная жизнь на других телах Солнечной системы, таких как Марс или на спутниках газовых гигантов, и существует ли она там в настоящее время. Результатом последнего "Декадного обзора" NASA стало определение миссии по возврату образцов с Марса в качестве приоритетной, поскольку Марс имеет особое значение: он относительно близок, в прошлом мог быть обитаем и, возможно, продолжает поддерживать жизнь. Спутник Юпитера Европа также является важным объектом в поисках жизни в Солнечной системе. Однако из-за большого расстояния и других ограничений, Европа, вероятно, не станет целью миссии по возврату образцов в обозримом будущем.

Samples available on Earth can be analyzed in laboratories, so we can further our understanding and knowledge as part of the discovery and exploration of the Solar System. Until now, many important scientific discoveries about the Solar System were made remotely with telescopes, and some Solar System bodies were visited by orbiting or even landing spacecraft with instruments capable of remote sensing or sample analysis. While such an investigation of the Solar System is technically easier than a sample return mission, the scientific tools available on Earth to study such samples are far more advanced and diverse than those that can go on spacecraft. Further, analysis of samples on Earth allows follow up of any findings with different tools, including tools that can tell intrinsic extraterrestrial material from terrestrial contamination, and those that have yet to be developed; in contrast, a spacecraft can carry only a limited set of analytic tools, and these have to be chosen and built long before launch. Samples analyzed on Earth can be matched against findings of remote sensing for more insight into the processes that formed the Solar System. This was done, for example, with findings by the Dawn spacecraft, which visited the asteroid Vesta from 2011 to 2012 for imaging, and samples from HED meteorites (collected on Earth until then), which were compared to data gathered by Dawn. These meteorites could then be identified as material ejected from the large impact crater Rheasilvia on Vesta. This allowed deducing the composition of the crust, mantle and core of Vesta. Similarly, some differences in the composition of asteroids (and, to a lesser extent, different compositions of comets) can be discerned by imaging alone. However, for a more precise inventory of the material on these different bodies, more samples will be collected and returned in the future, to match their compositions with the data gathered through telescopes and astronomical spectroscopy. One further focus of such investigation—besides the basic composition and geologic history of the various Solar System bodies—is the presence of the building blocks of life on comets, asteroids, Mars or the moons of the gas giants. Several sample return missions to asteroids and comets are currently in the works. More samples from asteroids and comets will help determine whether life formed in space and was carried to Earth by meteorites. Another question under investigation is whether extraterrestrial life formed on other Solar System bodies like Mars or on the moons of the gas giants, and whether life might even exist there. The result of NASA's last "Decadal Survey" was to prioritize a Mars sample return mission, as Mars has a special importance: it is comparatively "nearby", might have harbored life in the past, and might even continue to sustain life. Jupiter's moon Europa is another important focus in the search for life in the Solar System. However, due to the distance and other constraints, Europa might not be the target of a sample return mission in the foreseeable future.

Планетарная защита

Планетарная защита направлена на предотвращение биологического загрязнения как целесного небесного тела, так и Земли в случае миссий по возврату образцов. Возвращение образца с Марса или другого объекта, потенциально способного поддерживать жизнь, классифицируется как миссия категории V согласно рекомендациям COSPAR, что требует изоляции любого нестерилизованного образца, возвращенного на Землю. Это обусловлено тем, что неизвестны последствия контакта такой гипотетической жизни с человеком или биосферой Земли. Именно поэтому Карл Саган и Джошуа Ледерберг в 1970-х годах призывали к предельной осторожности при проведении миссий по возврату образцов, классифицированных как миссии категории V, и последующие исследования NRC и ESF подтвердили эту точку зрения.

Первые миссии

В июле 1969 года "Аполлон-11" впервые в истории успешно доставил образцы с другого тела Солнечной системы, вернув материал лунной поверхности. За этим последовало возвращение образцов и частей аппарата Surveyor 3 миссией "Аполлон-12", образцов миссией "Аполлон-14", образцов миссией "Аполлон-15", образцов миссией "Аполлон-16" и образцов миссией "Аполлон-17". В общей сложности программа "Аполлон" доставила в Лунную приемную лабораторию в Хьюстоне более лунных пород и реголита, включая лунный грунт. Сегодня 75% образцов хранятся в Лунной лаборатории образцов, построенной в 1979 году. В 1970 году советская автоматическая станция "Луна-16" вернула лунный грунт, за ней последовали возвращение образцов станцией "Луна-20" в 1974 году и станцией "Луна-24" в 1976 году. Несмотря на то, что советские станции доставили значительно меньше материала, чем миссии "Аполлон", они сделали это полностью автономно. Помимо этих трех успешных миссий, другие попытки в рамках программы "Луна" оказались неудачными. Первые две станции были предприняты в июне и июле 1969 года, незадолго до миссии "Аполлон-11", с целью конкурировать с ней. "Луна Е-85" №402 не смогла стартовать, а "Луна-15" потерпела крушение на Луне. Позже неудачными оказались и другие миссии по возвращению образцов: "Космос-300" и "Космос-305" в 1969 году, "Луна Е-85" №405 в 1970 году, запуск "Луны Е-85М" №412 в 1975 году был неудачным, а посадка на Луну станций "Луна-18" в 1971 году и "Луна-23" в 1974 году также не удалась. В 1970 году Советский Союз планировал первую миссию по возвращению образцов с Марса к 1975 году в рамках проекта "Марс-5НМ". Для этой миссии планировалось использовать ракету-носитель Н1, но она так и не совершила успешного полета, и проект трансформировался в "Марс-5М", который предполагал двойной запуск с использованием ракеты "Протон" меньшего размера и сборку на орбитальной станции "Салют". Эта миссия "Марс-5М" была запланирована на 1979 год, но в 1977 году была отменена из-за технических проблем и сложности реализации.

1990-е годы

Эксперимент по сбору орбитального мусора (ODC), развернутый на космической станции "Мир" на 18 месяцев в 1996–1997 годах, использовал аэрогель для захвата частиц с низкой околоземной орбиты, включая как межпланетную пыль, так и искусственные частицы.

2000-е годы

Следующей миссией по возвращению внеземных образцов была миссия "Генезис", которая в 2004 году доставила на Землю образцы солнечного ветра, собранные за пределами земной орбиты. К сожалению, капсула "Генезис" не смогла раскрыть парашют при входе в атмосферу Земли и совершила аварийную посадку в пустыне Юта. Возникали опасения серьезного загрязнения или даже полной потери образцов, но ученым удалось спасти значительную их часть. Эти образцы были первыми, собранными за пределами лунной орбиты. Для сбора использовался коллекторный массив, состоящий из пластин из сверхчистого кремния, золота, сапфира и алмаза. Каждая пластина предназначалась для сбора определенной фракции солнечного ветра. За миссией "Генезис" последовал космический аппарат "Стардаст" (Stardust) от NASA, который 15 января 2006 года доставил на Землю образцы кометы. Он успешно пролетел мимо кометы Вильда 2, собрав пыль из её комы и одновременно сделав снимки ядра кометы. "Стардаст" использовал коллекторный массив из аэрогеля низкой плотности (99% которого – вакуум), плотность которого составляет примерно 1/1000 плотности стекла. Это позволило собирать кометные частицы, не повреждая их из-за высоких скоростей столкновения. Столкновение частиц даже со слегка пористыми твердыми коллекторами привело бы к их разрушению и повреждению аппаратуры для сбора. Во время полета коллекторный массив собрал как минимум семь частиц межзвездной пыли.

2010-е и 2020-е годы

В июне 2010 года зонд «Хайабуса» Японского агентства аэрокосмических исследований (JAXA) вернул образцы астероида на Землю после сближения с астероидом типа S 25143 Итокава (и посадки на него). В ноябре 2010 года ученые агентства подтвердили, что, несмотря на отказ устройства для сбора проб, зонд извлек микрограммы пыли с астероида – первые образцы, доставленные на Землю в нетронутом состоянии. Российский «Фобос-Грунт» был неудачной миссией по возвращению образцов, предназначенной для доставки образцов с Фобоса, одного из спутников Марса. Он был запущен 8 ноября 2011 года, но не смог выйти на орбиту вокруг Земли и упал через несколько недель в южной части Тихого океана. Японское агентство аэрокосмических исследований (JAXA) запустило улучшенный космический зонд Hayabusa2 3 декабря 2014 года. Hayabusa2 достиг астероида типа C 162173 Рюгу (ранее обозначенного как 1999 JU), находящегося вблизи Земли, 27 июня 2018 года. Он исследовал астероид полтора года и собрал образцы. Зонд покинул астероид в ноябре 2019 года и вернулся на Землю 6 декабря 2020 года. Миссия OSIRIS-REx была запущена в сентябре 2016 года с целью возвращения образцов с астероида 101955 Бенну. Ожидается, что эти образцы позволят ученым узнать больше о периоде, предшествовавшем рождению Солнечной системы, начальных этапах формирования планет и источнике органических соединений, приведших к возникновению жизни. Зонд достиг окрестностей Бенну 3 декабря 2018 года, где в течение нескольких месяцев анализировал его поверхность для выбора участка для сбора образца. Образец был собран 20 октября 2020 года, а 24 сентября 2023 года зонд вновь приземлился на Землю, став пятой успешной миссией по возвращению образцов для человечества, доставившей материал с внеземного объекта. Вскоре после извлечения контейнера с образцами и его перемещения в «герметичную камеру в Космическом центре имени Джонсона в Хьюстоне, штат Техас», крышка контейнера была открыта. Ученые отметили, что при первом открытии они обнаружили «черную пыль и обломки на платформе авионики научного контейнера OSIRIS-REx». В дальнейшем планировалось проведение исследований. 11 октября 2023 года была открыта возвращенная капсула, чтобы продемонстрировать «первый взгляд» на содержимое образца астероида. 13 декабря 2023 года были опубликованы результаты дальнейших исследований возвращенного образца, в ходе которых были обнаружены органические молекулы, а также неизвестные материалы, требующие более детального изучения для определения их состава. 13 января 2024 года NASA сообщила, что после трех месяцев попыток наконец полностью открыла восстановленный контейнер с образцами астероида Бенну. Общий вес извлеченного материала превысил целевой показатель миссии более чем в два раза. Китай запустил лунную миссию Chang'e 5 23 ноября 2020 года, которая вернулась на Землю с 2 килограммами лунного грунта 16 декабря 2020 года. Это было первое возвращение образцов с Луны более чем за 40 лет.

In June 2010 the Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) Hayabusa probe returned asteroid samples to Earth after a rendezvous with (and a landing on) S type asteroid 25143 Itokawa. In November 2010, scientists at the agency confirmed that, despite failure of the sampling device, the probe retrieved micrograms of dust from the asteroid, the first brought back to Earth in pristine condition. The Russian Fobos Grunt was a failed sample return mission designed to return samples from Phobos, one of the moons of Mars. It was launched on November 8, 2011, but failed to leave Earth orbit and crashed after several weeks into the southern Pacific Ocean. The Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) launched the improved Hayabusa2 space probe on December 3, 2014. Hayabusa2 arrived at the target near Earth C type asteroid 162173 Ryugu (previously designated 1999 JU) on 27 June 2018. It surveyed the asteroid for a year and a half and took samples. It left the asteroid in November 2019 and returned to Earth on December 6, 2020. The OSIRIS REx mission was launched in September 2016 on a mission to return samples from the asteroid 101955 Bennu. The samples are expected to enable scientists to learn more about the time before the birth of the Solar System, initial stages of planet formation, and the source of organic compounds that led to the formation of life. It reached the proximity of Bennu on 3 December 2018, where it began analyzing its surface for a target sample area over the next several months. It collected its sample on 20 October 2020, and landed back on Earth again on 24 September 2023, making Osiris Rex the fifth successful sample return mission for mankind, in its return of samples from an extra terrestrial body. Shortly after the sample container was retrieved and transferred to an "airtight chamber at the Johnson Space Center in Houston, Texas", the lid on the container was opened. Scientists commented that they "found black dust and debris on the avionics deck of the OSIRIS REx science canister" on the initial opening. Later study was planned. On 11 October 2023, the recovered capsule was opened to reveal a "first look" at the asteroid sample contents. On 13 December 2023, further studies of the returned sample were reported and revealed organic molecules as well as unknown materials which require more study to have a better idea of their composition and makeup. On 13 January 2024, NASA reported finally fully opening, after three months of trying, the recovered container with samples from the Bennu asteroid. The total weight of the recovered material weighed , over twice the mission's goal. China launched the Chang'e 5 lunar sample return mission on November 23, 2020, which returned to Earth with 2 kilograms of lunar soil on December 16, 2020. It was first lunar sample return in over 40 years.

Будущие миссии

JAXA разрабатывает миссию MMX, миссию по возвращению образцов с Фобоса, запуск которой запланирован на 2026 год. MMX будет изучать оба спутника Марса, но посадка и сбор образцов пройдут на Фобосе. Этот выбор обусловлен тем, что орбита Фобоса ближе к Марсу, и на его поверхности могут находиться частицы, выброшенные с Марса. Таким образом, образец может содержать материал, изначально происходящий с Марса. Ожидается, что модуль с образцом вернется на Землю в 2031 году. Китай планирует миссию по возвращению образцов с Марса к 2030 году. Кроме того, Китайское космическое агентство разрабатывает миссию по сбору образцов с Цереры, которая должна состояться в 2020-х годах. NASA и ESA давно планируют миссию по возвращению образцов с Марса. Марсоход "Perseverance", отправленный в 2020 году, собирает образцы керна и складирует их на поверхности Марса. По состоянию на сентябрь 2023 года он собрал один атмосферный образец, 8 образцов магматических пород, 11 образцов осадочных пород и две пробы реголита. Совместная миссия NASA и ESA по возвращению этих образцов запланирована на начало 2030-х годов и будет состоять из посадочного модуля для сбора образцов и вывода их на орбиту, а также орбитального аппарата для их доставки на Землю. В январе 2024 года предложенный план NASA был пересмотрен из-за бюджетных и временных ограничений, и был разработан новый план модернизации. Миссии по возвращению образцов комет также остаются приоритетом NASA. Возвращение образцов с поверхности кометы было одной из шести тем для предложений в рамках четвертой миссии NASA "New Frontiers" в 2017 году. Россия планирует, что миссии Luna Glob вернут образцы с Луны к 2027 году, а Mars Grunt – образцы с Марса в конце 2020-х годов.

Схема коллекторов

Коллекторный массив может быть использован для сбора миллионов или миллиардов атомов, молекул и мелких частиц с помощью пластин, изготовленных из различных элементов. Молекулярная структура этих пластин позволяет собирать частицы разных размеров. Коллекторные массивы, такие как использованные в миссии Genesis, отличаются сверхвысокой чистотой для обеспечения максимальной эффективности сбора, долговечности и аналитической различимости. Коллекторные массивы полезны для сбора крошечных, быстродвижущихся атомов, таких как те, которые испускаются Солнцем солнечным ветром, но также могут применяться для сбора более крупных частиц, например, содержащихся в коме кометы. Космический аппарат НАСА "Stardust" использовал эту технику. Однако, из-за высоких скоростей и размеров частиц, составляющих кому и прилегающую область, создание плотного коллектора на твердотельной основе оказалось невозможным. В результате потребовалось разработать другой метод сбора образцов, чтобы обеспечить безопасность космического аппарата и сохранность самих образцов.

Робототехнические задания

Дата запуска Оператор Происхождение образцов Возвращенные образцы Дата получения Результат миссии 14 июня 1969 Луна E 8 5 No. 402 Луна — — Провал 13 июля 1969 Советский Союз Луна 15 Луна — — Провал 23 сентября 1969 Советский Союз Космос 300 Луна — — Провал 22 октября 1969 Советский Союз Космос 305 Луна — — Провал 6 февраля 1970 Советский Союз Луна E 8 5 No. 405 Луна — — Провал 12 сентября 1970 Советский Союз Луна 16 Луна 24 сентября 1970 Успех 2 сентября 1971 Советский Союз Луна 18 Луна — — Провал 14 февраля 1972 Советский Союз Луна 20 Луна 25 февраля 1972 Успех 2 ноября 1974 Советский Союз Луна 23 Луна — — Провал 16 октября 1975 Советский Союз Луна E 8 5M No. 412 Луна — — Провал 9 августа 1976 Советский Союз Луна 24 Луна 22 августа 1976 Успех 7 февраля 1999 Соединенные Штаты Stardust 81P/Wild, вес около 15 января 2006 Успех 8 августа 2001 Соединенные Штаты Genesis Солнечный ветер 9 сентября 2004 Успех (частичный) 9 мая 2003 Хаябуса 25143 Итокава, вес менее 13 июня 2010 Успех (частичный) 8 ноября 2011 Фобос-Грунт Фобос — — Провал 3 декабря 2014 Япония Хаябуса2 162173 Рюгу (включая газовые образцы) Успех 8 сентября 2016 Соединенные Штаты OSIRIS REx 101955 Бенну ~ 24 сентября 2023 Успех 23 ноября 2020 Чанъэ-5 Луна Успех Китай Чанъэ-6 Луна — Планируется 2025 Tianwen 2 469219 Камоʻоалева — 2025 Планируется Япония MMX Фобос — Планируется 2028 NASA / Европейское космическое агентство ESA Mars Sample Return Марс Марсоход Perseverance собирает образцы для последующего возвращения на Землю. По состоянию на сентябрь 2023 года собрано один атмосферный образец, 8 образцов магматических пород, 11 образцов осадочных пород и пара образцов реголита. 2033 В процессе NASA's Mars Ascent Vehicle и ESA's Earth Return Orbiter все еще находятся в стадии планирования. 2028 Чандраян-4 Луна — 2028 Планируется 2028 Тяньвэнь-3 Марс — 2031 Планируется