Симфония № 6. Углерод и эволюция почти всего

Многие лаборатории обычно определяют распространенность ¹²CH₄ и ¹³CH₄, которые различаются по массе примерно на 6%. Это относительно легкое лабораторное исследование. Но, когда мы в 2008 г. основали Обсерваторию глубинного углерода, еще не было методов измерения крошечного количества ¹²CH₂D₂ или ¹³CH₃D в образце; это представляло огромную техническую проблему, поскольку две редкие разновидности метана отличаются друг от друга по массе менее чем на 0,01%. Никакой существующий на тот момент инструмент не обладал достаточной чувствительностью для проведения подобных измерений, так что еще в самом начале программы мы решили создать новый прибор.

Руководство взял на себя Эдвард Янг из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, а работал он с инженерами британской компании Nu Instruments из Рексема в Северном Уэльсе{98}. Разработчики использовали традиционный подход на базе масс-спектрометрии, которая основана на разделении разных видов молекул метана с помощью магнитов. Метод заключается в том, чтобы ионизировать метан — поместить электрический заряд на каждую молекулу для ее ускорения в электрическом поле, а затем изменить траектории этих ускорившихся молекул с помощью мощного магнита. Более тяжелые молекулы метана перемещаются медленнее и отклоняются слабее, нежели их менее массивные компаньоны.

Янг с коллегами довели эту технологию разделения по массе до предела возможностей. Чтобы достичь требуемых разделения и чувствительности, они разместили пару больших изогнутых металлических пластин и трехтонный магнит в тандеме, породив этим чертовски сложную проблему для ионной оптики. Магниты, электромагнитные линзы и фильтры нужно было выстроить таким образом, чтобы ионизированные молекулы ¹²CH₂D₂ и ¹³CH₃D пролетели через вакуум по изогнутой траектории и поразили различные цели. Получившаяся в итоге машина размером с комнату, названная «Панорама», оказалась очень рискованным предприятием, стоившим Эду Янгу и его коллегам нескольких лет работы и более 2 млн долларов. Но это сработало{99}.

Шестого ноября 2014 г. ученые DCO провели в уэльском центре разработки первый успешный эксперимент, в котором одновременно определили молекулы ¹²CH₂D₂ и ¹³CH₃D. «Панорама» прекрасно выделила два крошечных изотопных пика из образца промышленного уэльского угольного газа. Вскоре прибор перевезли в Калифорнию; первые исследования природных образцов и первые публикации появились в 2015 г. Некоторые из нас немного нервничали по поводу больших вложений, но Эд Янг оставался невозмутимым. «Я знал, что это сработает», — вспоминает он. Эд относится к «Панораме» философски: «Люди любят говорить, что хорошая наука не должна зависеть от приборов, но время от времени прорывы в инструментарии продвигают нас вперед в нашей науке. Я думаю, разработка этого инструмента как раз такой случай».

Лазеры

Несмотря на то что DCO поддерживала разработку «Панорамы», мы подстраховались. Сюхей Оно, только что назначенный ассистент-профессором в Массачусетском технологическом институте и специалист по работе на традиционных масс-спектрометрах, в течение нескольких лет пытался разработать радикально новый вид измеряющей изотопы техники, основанный на лазерной спектроскопии{100}.

Сюхей научился объяснять принцип квантово-каскадной лазерной спектроскопии лаконично, всего в нескольких элегантных слайдах в PowerPoint. Молекулы газа вроде метана поглощают узкополосный свет сотен различных длин волн. Это является следствием точно настроенных колебаний электронов. На определенных гармонических частотах будут резонировать как струны скрипки, так и электроны атомов. Эти длины волн чрезвычайно чувствительны к изотопному составу молекулы. Замените ¹³C на ¹²C или D на H, и резонансы сильно изменятся.

Используя мощный настраиваемый лазер, Оно полагал, что сможет вычислить отношение нормального метана к ¹³CH₃D. Если бы ему удалось измерить интенсивность поглощенного света достаточно чувствительным спектрометром, который разделял бы характеристические длины волн разных видов метана, то у нас появилась бы альтернатива в выборе инструментария. Более того, лазерная установка гораздо дешевле и ее можно в конечном счете уменьшить до сравнительно портативной версии, возможно даже такой, которая могла бы слетать когда-нибудь на Марс.

На бумаге идея была отличной, но разработка новых приборов требует денег, а традиционные спонсирующие организации как-то неохотно инвестировали в неопробованное спектроскопическое устройство. В 2012 г. DCO выделила Сюхею скромный грант в 100 000 долларов. Этого было недостаточно, чтобы создать новый инструмент, но оказалось достаточным стимулом, чтобы привлечь других людей. За год Сюхей создал свой прибор и получил первые результаты.