Британский проект бурения к подледному озеру Элсуорт завершился неудачей. Согласно амбициозному плану, ученые предполагали пройти сквозь трехкилометровую толщу льда, достичь поверхности подледного озера и запустить в него зонд для получения образцов отложений. То, к чему многие годы стремились полярники на станции «Восток», британцы намеревались сделать за пять дней бурения, однако практически сразу все пошло не так, как планировали.

Элсуорт

Озеро Элсуорт расположено в западной Антарктике, на глубине более трех километров под слоем льда и снега. Это относительно небольшое вытянутое озеро, длиной около 10 километров и глубиной в 150 метров. По расчетам ученых,

Элсуорт было изолировано от внешней среды на протяжении полумиллиона лет.

В Антарктиде существует более 360 подледных озер, подтвержденных результатами сейсмологических наблюдений. Вода поддерживается в них в жидком состоянии благодаря геотермальной энергии и изолирующему действию огромной шапки льда и снега. В центре континента ее толщина превышает три километра.

На немногочисленных открытых участках Антарктиды тоже существуют водоемы. К таким относится, например, озеро Вида, в котором недавно нашли соле- и холодоустойчивых бактерий-экстремофилов. До этого озера добраться несложно – оно покрыто 27-метровой толщей льда. Однако оно и менее интересно, ведь было отрезано от внешнего мира всего 3 тысячи лет.

Подледные озера интересуют биологов прежде всего из-за их длительной изоляции и экстремальных условий температуры и давления. Элсуорт не сообщалось с внешней средой в течение полумиллиона лет, а Восток и того дольше – то ли 15, то ли 25 миллионов лет.

За это время жизнь, если, конечно, она там есть, способна эволюционировать в неожиданных направлениях.

Рис. 1. Шланг для бурения закрепляется над скважиной на специальной установке. Фото BAS.

Экстремальные условия подледных антарктических озер как никакие другие на Земле напоминают условия других планет. Если жизнь на Марсе существует, то почти наверняка она спрятана в подземных водоносных слоях. То же самое можно сказать и про менее изученные ледяные кратеры Меркурия. Это обстоятельство делает исследование подобных экстремальных экосистем на Земле весьма интересным для тех, кто ищет жизнь на других планетах.

Керн и керосин

Способ, с помощью которого британцы планировали достичь глубоководного озера, принципиально отличается от того, который использовался при бурении озера Восток. Если российские полярники применяли вполне традиционный метод, который мало чем отличается от бурения скважин на суше, то британцы решили прибегнуть к плавлению при помощи горячей воды.

Рис. 2.

Обычно бур представляет собой металлическую трубу, которая вращается в скважине и вгрызается в толщу льда. При этом в результате проникновения бура в лед образуется цилиндрический керн, который требуется постоянно поднимать наверх.

• С одной стороны, такой способ бурения занимает довольно много времени из-за необходимости постоянно поднимать и опускать бур.
• С другой стороны, получаемый керн сам по себе очень важен для исследований, так как представляет собой «срез» ледяного щита. В керне можно искать бактерий, можно исследовать его химический и изотопный состав.

  Для того чтобы от гигантского внутреннего давления стенки скважины не схлопывались, в нее заливается смесь керосина и фреона с плотностью, близкой к плотности льда. Столб керосина немного не доходит до самого верха скважины, из-за чего в ней образуется небольшая недокомпенсация давления. Это делается специально – когда в начале 2012 года бур полярников на «Востоке», наконец, проник в озеро, вода хлынула наверх и практически сразу застыла в скважине. При этом ни капли керосина с фреоном не должно было проникнуть в озеро – смесь легче воды, и уходит наверх, не смешиваясь с ней. В результате, у нижнего края скважины образовалась ледяная пробка, пробурив которую в следующем сезоне, российские специалисты фактически получат образцы воды из озера.

При всех достоинствах, у такого метода есть и ограничения. Он позволяет стерильно получить образцы воды, но когда речь идет об использовании зондов и изучении отложений, возникают трудности.

Российские специалисты не первый год разрабатывают устройство, которое могло бы с этими задачами справиться. Однако многие их коллеги считают, что использование зонда в такой скважине приведет к заражению озера керосином и фреоном, а также (что еще хуже) проникновению туда бактерий с поверхности.

Амбициозный проект британцев подразумевал запуск зонда в условиях совершенной стерильности, поэтому ученым пришлось обратиться к другим технологиям.

В принципе, существуют еще два альтернативных метода бурения льда. Один из них подразумевает использование горячего зонда, который буквально протапливает себе дорогу во льду, опускаясь все ниже и ниже.

Полевые испытания британцев показали, что

при достаточно глубоком бурении такой зонд сталкивается с большим количеством грязи, камней и других не поддающихся плавлению материалов. Они забивают его нижнюю кромку и в какой-то момент делают его дальнейшее проникновение невозможным. Кроме того, и это еще важнее, скважина над термозондом за время его путешествия вглубь ледника успевает значительно обледенеть, поэтому возврат зонда на поверхность с образцами отложений становится невозможен.

Именно поэтому британцы остановились на третьем способе – бурении при помощи горячей струи стерильной воды.

Рис. 3. Снег в Антарктике практически стерилен, но перед использованием в бурении талую воду все равно пропускают через систему фильтров. Фото BAS.

Горячее бурение

Нельзя сказать, чтобы бурение горячей струей было совершенно экзотичным методом – ранее его применяли, например, во время создания скважин для детекторов нейтрино в проекте IceCube. И все таки, никто еще не пробовал сделать ничего подобного для бурения на глубину 3 километра к подледному озеру.

По проекту британцев, опубликованному в журнале Reviews of Geophysics, вода с температурой 90 градусов под давлением около 140 атмосфер подается в скважину по специальному шлангу. Он спроектирован так, чтобы выдерживать свой собственный немалый вес, ведь его полная длина к концу пути должна составить более трех километров. Кроме того, в шланге используется утепление, потому что чем глубже подается вода, тем сильнее она охлаждается по пути к наконечнику.

Важным аспектом любого бурения Антарктики является требование стерильности образцов, так как иначе весь процесс теряет смысл. Поэтому вода перед нагреванием и подачей на глубину проходит тщательную стерилизацию при помощи специальных фильтров. Источником воды является талый снег, который ученые обычными лопатами собирают в специальные «бассейны».

Для того чтобы обеспечить откачивание лишней воды, британцы протапливают не одну, а две скважины, которые соединяются между собой полостью на глубине в 300 метров. В дополнительную скважину опускается специальный насос, который подает отработанную воду обратно – в бассейн с талым снегом.

По расчетам,

сам процесс бурения должен был занять около четырех дней, после чего для ученых начались бы «горячие» 24 часа, в течение которых необходимо было бы опустить на дно и вернуть на поверхность исследовательский зонд. Дело в том, что если наполненная керосином и фреоном скважина Востока может стабильно существовать в течение нескольких лет (пока не сдвинутся или не треснут сами толщи льда), то в заполненной водой британской скважине постоянно происходит намерзание. Это весьма быстрый процесс – диаметр уменьшается по полсантиметра в час.

За 24 часа с момента проникновения в озеро ученые должны были успеть опустить и поднять зонд для воды, а затем сделать то же самое с зондом для образцов грунта. Если что-то пойдет не так, зонды останутся в озере или просто застрянут по пути на поверхность. К сожалению, «не так» все пошло с самого начала.

Рис. 4. Первые несколько метров скважины проходят при помощи механического бура. Фото BAS.

Пористый лед

12 декабря 2012 года команда из 12 британцев начала бурение к озеру Элсуорт. О том, как оно протекало, они сами рассказывали в своем видеоблоге.

• Во-первых, ученым пришлось столкнуться с тем, что из-за ошибки в контроллере не удалось запустить основной нагреватель воды. Это не изменило планов полярников, поскольку они имели в запасе дополнительный бойлер. Однако, спустя несколько часов его работы, после того как удалось проникнуть на глубину в 60 метров, отказал и он. Запчасти для его починки пришлось везти самолетом напрямую из Великобритании.

  К счастью, поломка случилась в самом начале работы, и ученые не успели к тому моменту израсходовать слишком много топлива. Если бы последний бойлер отказал в тот момент, когда скважина была на глубине в пару километров, миссию пришлось бы отменять сразу. Даже восстановив работоспособность нагревателей, полярники вынуждены были бы бурить скважину заново, ведь за время задержки она успела бы обледенеть, а на новую скважину не хватило бы горючего.

Здесь следует отметить, что горючее в Антарктике доставляется на специальных тягачах, и если его запас израсходован, то миссию на данный летний сезон можно отменять.

Итак, британцам удалось довольно быстро починить необходимое оборудование. В результате они пробурили две скважины на глубину в 300 метров, но в этот момент возникла неожиданная трудность. Скважины должны были соединиться внутренней полостью, но этого никак не удавалось сделать. Ученые в течение 20 часов пытались соединить скважины, закачивая в одну из них горячую воду, но, как говорится в сообщении, вода «уходила в пористый лед».

В конце концов, дальнейшие попытки потеряли всякий смысл: ученые израсходовали запасы горючего.

Рис. 5. Общий вид лагеря британских полярников над Элсуортом. Фото BAS.

Невеселое Рождество

В сообщении Британского антарктического общества, где говорится об отмене миссии, ничего не сказано о дальнейшей судьбе проекта. Ученые, безусловно, надеются на то, что бурение будет возобновлено в следующем сезоне. Все-таки проведена огромная подготовительная исследовательская работа, созданы специальные зонды, шланги, оборудование испытано «в поле». Отказаться от продолжения проекта на данном этапе ради небольшой экономии (стоимость уже затраченных средств оценивается в 13 миллионов долларов), было бы неразумно.

До следующего сезона британцы должны успеть проанализировать причины своей неудачи, разобраться с технологией бурения, с ломающимися нагревателями и, прежде всего, с пресловутым «пористым льдом», из-за которого провалилась миссия. Возможно, использование бурения горячей водой вообще невозможно в таком виде, как планировали ученые.

Можно не сомневаться, что если повтор миссии будет утвержден, следующий год они проведут на ледниках Гренландии, отрабатывая заново всю методику бурения.

Однако, есть еще один аспект, который стоило бы принять во внимание и который не касается технологии.

Дело в том, что, как показывают предварительные результаты исследования бактериального состава «Востока», глубокие антарктические озера вполне могут оказаться совершенно стерильными. За все годы изучения керна ученым удалось обнаружить в нем лишь занесенные с поверхности чужеродные бактерии.

По-видимому (хотя говорить об этом, конечно, рано), экстремальные условия Антарктиды – это уже «слишком» для земных форм жизни. Если исследования Элсуорта это подтвердят, то это, конечно, будет важным научным фактом. Но, не тем, какого все ожидают от такого проекта.

Автор: Александр Ершов.