Мечты учёных о проникновении в подлёдные океаны спутников Юпитера и Сатурна, таких как Европа и Энцелад, а также о исследовании вечной мерзлоты Луны и Марса, долгое время наталкивались на одну серьёзную преграду — проблему бурения льда. Традиционные методы, будь то механические буры или термобуры, громоздки, сложны и требуют колоссального количества энергии.

Однако команда исследователей из Института аэрокосмической техники Дрезденского технического университета (Германия) предложила революционное решение — лазерный бур для льда. Эта технология позволяет создавать глубокие и узкие каналы во льду, сохраняя при этом минимальные массу и энергопотребление всего инструмента.

«Мы создали лазерный бур, который обеспечивает глубокий, узкий и энергоэффективный доступ ко льду без увеличения массы инструмента — чего не могут достичь ни механические буры, ни плавящие зонды», — пояснил ведущий автор исследования Мартин Коссагк.

Ключевое преимущество технологии в том, что всё оборудование остаётся на поверхности. Лазерный луч, направленный в лёд, не плавит его, а вызывает сублимацию — мгновенное испарение. Образовавшийся пар поднимается вверх по узкому каналу, попутно вынося на поверхность частицы пыли и газовые пробы. Эти образцы затем могут быть проанализированы установленными на посадочном модуле приборами, что даст бесценные данные о химическом составе, плотности, тепловых свойствах и истории формирования небесного тела.

Хотя лазеры сами по себе не являются эталоном энергоэффективности, они испаряют лишь крошечное количество льда, что в сумме требует значительно меньше энергии, чем нагрев всего объёма льда электрическими нагревателями. Кроме того, лазерный бур гораздо эффективнее проходит пылевые прослойки, которые серьёзно замедляют традиционные термобуры.

По словам Коссагка, такой инструмент делает исследование недр ледяных лун гораздо более реалистичным, позволяя проводить высокоточный анализ состава и плотности льда, уточнять модели теплопереноса и глубины океанов на таких телах, как Европа и Энцелад, а также изучать процессы формирования ледяной коры.

Концепция команды предполагает использование лазера мощностью около 150 Вт с массой всей системы примерно 4 кг. Принципиально важно, что эти показатели остаются постоянными независимо от глубины бурения — будь то 10 метров или 10 километров. Разумеется, для анализа образцов потребуется дополнительное оборудование, такое как масс-спектрометр, что увеличит общую массу и энергопотребление.

Лабораторные испытания прототипа уже показали обнадёживающие результаты: в вакууме и при криогенных температурах он успешно проходил 20-сантиметровые образцы льда. Полевые испытания в Альпах и Арктике были ещё более впечатляющими — бурение в снегу достигало глубины более метра. При мощности лазера в 20 Вт скорость бурения составляла около 1 метра в час, а в рыхлом или пыльном льду — до 3 метров в час.

Однако у технологии есть и ограничения. Если на пути луча встретится камень или слой чистой пыли без льда, бурение остановится. В таком случае придётся начинать новый канал с поверхности, чтобы обойти препятствие.

«Поэтому крайне важно использовать лазерный бур в связке с другими измерительными приборами, — отмечает Коссагк. — Например, радары смогут заглянуть вглубь льда и обнаружить крупные препятствия, которые бур сможет обойти».

Ещё одной проблемой могут стать заполненные водой трещины. При вскрытии такой полости бур должен будет откачивать поступающую воду, прежде чем продолжить углубляться. Но именно такие участки представляют наибольший интерес для астробиологии: бурение в них может помочь идентифицировать химический состав потенциальных сред обитания для микробной жизни — прошлой или настоящей. Если бактерии когда-либо существовали, их следы можно будет обнаружить в образцах, поднятых по пробоотборному каналу.

Следующие шаги на пути к практическому применению — это миниатюризация системы, разработка блока для отделения пыли и проведение испытаний, необходимых для сертификации оборудования для космических полётов. В будущем компактный лазерный бур может стать частью полезной нагрузки посадочного модуля, отправленного к одной из ледяных лун, и приблизить человечество к разгадке величайшей тайны: существует ли жизнь за пределами Земли.

Параллельно эта же технология уже находит применение на нашей планете. В сотрудничестве с австрийскими центрами по изучению природных hazards, лазерный бур, установленный на дрон, показал свою эффективность в измерении плотности снежного покрова для прогнозирования лавин в труднодоступных и опасных для человека районах.

Таким образом, от ледников Земли до безмолвных океанов далёких лун, лазерный бур открывает новое окно в скрытые миры, дремлющие под толщей льда. Эта технология может стать тем самым ключом, который позволит нам заглянуть туда, куда раньше путь был закрыт, и, возможно, найти ответ на вопрос, одиноки ли мы во Вселенной.