ДАН натравит марсоход на след жизни

Ученые из Института космических исследований (ИКИ) РАН и ВНИИ автоматики Росатома закончили изготовление уникального прибора ДАН, который должен искать подземные источники воды на Марсе. На днях московские специалисты вернулись из Дубны, где проводили калибровку ДАН в Объединенном институте ядерных исследований (ОИЯИ). А уже в ближайшее время инструмент отправится в США, где его установят на марсоход MSL (Mars Science Laboratory) – настоящую геохимическую лабораторию на колесах, которая опустится на поверхность Красной планеты в 2012 году.

Создатели MSL пытались максимально приблизить его способности к возможностям настоящего ученого, проводящего полевые измерения на Марсе (к сожалению, живого человека отправить на Марс пока невозможно). Поэтому марсоход размером со средней руки автомобиль будет оборудован и метеостанцией, и химической лабораторией, и буром для сверления камней и раскапывания грунта, и даже испепеляющим лазерным взглядом, под которым недоступная прямому контакту порода превратится в пар ради измерения ее спектра. И все это собирается ездить, ползать, бурить и испепелять в течение как минимум одного марсианского года (двух земных лет), не прерываясь даже на зиму.

В 2010 году в калифорнийском сборочном цехе лаборатории реактивного движения к корме гигантского марсохода прицепят две небольшие блестящие коробочки – генератор и детектор нейтронов. Это и есть ДАН, и именно он подскажет MSL, где останавливаться в своих поездках по Марсу, а также куда копать в поисках воды.

Нейтронный лозоход

«ДАН расшифровывается как «динамическое альбедо нейтронов», – рассказал Infox.ru один из создателей прибора Максим Литвак, ведущий научный сотрудник лаборатории космической гамма-спектроскопии ИКИ. В переводе с астрономического языка на русский это означает, что ДАН будет намеренно облучать поверхность Марса потоком нейтронов и измерять отраженный и рассеянный марсианским грунтом поток этих частиц.

Цель таких манипуляций – выяснить, сколько воды находится в грунте в пределах порядка метра от поверхности. Вообще говоря, нейтроны чувствуют не саму H₂O, а ядра водорода H, однако в марсианских условиях большая часть водорода присутствует в виде воды или гидратированных минералов, то есть, опять же, присоединенных к более сложным соединениям молекул воды.

Нейтроны в этих поисках самые лучшие помощники. Они электрически нейтральны, а потому с легкостью проходят через электронные оболочки атомов, которые способны остановить другие частицы. Эффективно взаимодействуют нейтроны лишь с атомным ядром. Исход этого взаимодействия определяется в первую очередь массой «мишени» – от тяжелых ядер нейтроны отскакивают практически не меняя своей скорости, а вот легким ядрам, в первую очередь водороду, передают значительную часть своей энергии.

Из генератора нейтронов ДАН вылетают очень быстрые частицы, их энергия – около 14 млн электрон-Вольт. Однако если в каждом столкновении с протонами терять примерно половину энергии, эта величина довольно быстро опускается до характерного «теплового» уровня в доли электрон-Вольта. Именно такие тепловые нейтроны и ловит детектор ДАН. Чем больше в грунте атомов водорода, тем сильнее сигнал.

«Нам интересны именно тепловые нейтроны, потому что тепловой нейтрон рассеялся огромное количество раз, – резюмирует методику Литвак. – Это означает, что нейтрон по всему грунту прогулялся и принес нам информацию о нем».

Переворот на Марсе

Поиск и изучение объемов воды с помощью тепловых нейтронов не новая идея. Именно таким способом ученые открыли залежи водного льда на Марсе в начале 2000-х годов. Открыла марсианский лед межпланетная станция Mars Odyssey, а точнее прибор HEND, сделанный теми же самыми людьми в лаборатории космической спектроскопии ИКИ. До результатов HEND ученые полагали, что марсианские полярные шапки состоят исключительно из «сухого» льда, замерзшего углекислого газа. Обнаружение здесь в 2002 году большого количества водорода стало одним из важнейших открытий за всю историю изучения Марса. Стало ясно, что «сухой» лед ложится на «мокрую» почву, в которой воды больше 30% и которая остается в полярных областях летом, когда весь «сухой» лед улетучивается

«Благодаря нашему прибору HEND оказалось, что Марс вовсе и не сухая планета. Оказалось, что в грунте Марса достаточно много воды, причем в некоторых районах планеты вода является основным породообразующим материалом, – рассказал Infox.ru руководитель проекта ДАН, заведующий лабораторией ИКИ РАН Игорь Митрофанов. – Сейчас это уже вошло в научный обиход, но тогда этого никто не ожидал. Мы отменили всю прежнюю концепцию Марса как холодной и потерявшей всю свою воду планеты».

Воодушевленные успехом, ученые под руководством Митрофанова сделали еще один подобный инструмент – LEND, который поставили на борту космического аппарата LRO. Он стартовал к Луне в начале лета 2009 года и к сентябрю успел составить первые карты распределения воды (строго выражаясь, водорода) на глубине до метра под поверхностью нашего естественного спутника. Эти данные в значительной степени определили выбор места недавнего удара разгонного блока Centaur и исследовательского аппарата LCROSS, которые врезались в Луну 9 октября.

Активный поиск

ДАН, разработанный специально для Mars Science Laboratory, отличается от прежних приборов. В случае HEND и LEND источником нейтронов был сам грунт Марса и Луны – удары энергичных частиц из космоса (космических лучей) разбивают массивные ядра атомов, из которых вылетают в том числе, и быстрые нейтроны. Затем они выбираются на поверхность и часть из них попадает в детектор, рассказывая об элементном составе грунта.

«Нам показалось, что такой пассивный метод можно развить, – продолжает рассказ Максим Литвак, – тем более для марсохода». Взвесив все «за» и «против», ученые решили сделать активный прибор, который не только ловит тепловые нейтроны, но и сам облучает исследуемую поверхность нейтронами энергичными. В конце концов, детектор при этом ничего не теряет – он по-прежнему может работать в пассивном режиме, если с генератором что-то случится.

Зато когда генератор работает, выигрыш обеспечен. Чем больше быстрых частиц уйдет в грунт, тем больше тепловых нейтронов вернется к детектору и с тем большей точностью мы сможем измерить содержание водорода. Кроме того, генератор может выдавать отдельные импульсы, пронизывая мишень короткими вспышками разбегающегося вокруг излучения. Это, во-первых, невероятно полезно для подавления шума. А во-вторых, с импульсным генератором ДАН может работать, как эхолокатор на hi-tech рыбалке: по времени прихода и форме ответного импульса можно прикинуть не только есть ли под марсоходом «рыба», то есть богатые водородом породы, но и как она распределена.

Труба в кирпичик

Проблема состояла в том, чтобы сделать тот самый генератор нейтронов – достаточно мощный, чтобы просвечивать марсианский грунт, достаточно компактный, чтобы поместиться на MSL, и достаточно экономный, чтобы во время работы не оставить без электричества все остальные системы марсохода.

«Мы стали думать, насколько возможно это реализовать. И здесь нам повезло, – вспоминает Литвак. – Есть в Москве ВНИИ автоматики имени Духова, один из наших многопрофильных ядерных центров. Среди прочего они делают нейтронные генераторы, в том числе и гражданского назначения, и руководство института с живым интересом отнеслось к нашему предложению».

Все более или менее подходящие по параметрам генераторы, которые можно купить за деньги (а их в мире производят всего несколько предприятий), – это трубки длиной по несколько метров и весом много-много килограммов. На марсоход такое не поставишь, на ракете к Марсу не отвезешь. Масса российского прибора, который NASA готова была отвезти на Марс, составляла всего 4 кг, из которых 1-1,5 кг уже было занято под детектор; были ограничения и по размерам, и по потребляемой энергии. Специалисты ВНИИ автоматики умудрились превратить полутораметровую трубу в небольшой кирпичик весом всего 2,5 кг, способный надежно работать на холоде (температура плиты, на которой закреплен ДАН, составляет -45°С).

Не меньшей проблемой была и разреженная атмосфера, которая крайне подвержена электрическому пробою. Самые первые аппараты для исследований Марса зачастую сгорали через менее чем секунду после включения не самых высоковольтных приборов. А нейтронному генератору нужно напряжение в 120 кВ – и никакого пробоя на масштабах всего в десяток сантиметров.

Получившийся агрегат способен по команде выдавать кратчайшие импульсы высокоэнергичных нейтронов. Для этого титановую мишень, в которой растворены ядра трития, облучают ионами дейтерия, ускоренными высоким напряжением. В результате образуется ядро гелия и нейтрон, вернее многие миллионы нейтронов, которые тут же вылетают из мишени во все стороны. Те, что погуляв по грунту вернулись с низкой энергией, считает детектор. Он работает по принципу обычного счетчика Гейгера – влетающие в трубку нейтроны реагируют с ядрами гелия-3 с выделением ядер водорода и трития, а те уже рождают лавины электрического тока.

Жизнь за полиэтиленом

Такая конструкция позволила обеспечить небывалую чувствительность. Когда ученые калибровали прибор в одном из ангаров ОИЯИ, вместо марсианского грунта они взяли обычный бетонный блок. В глубине блока под полуметровым слоем бетона был спрятан полиэтилен. «Когда мы проезжали нашим прибором над бетоном, было сразу видно, как качественно и количественно менялись кривые ответного сигнала», – рассказывает Максим Литвак.

Ученые уверены, что так же эффективно прибор будет работать и на Марсе. «Мы будем работать вдоль трассы движения марсохода и непрерывно зондировать грунт на предмет содержания воды, водорода, – поясняет задачу прибора Игорь Митрофанов. – Если окажется, что мы приближаемся к какому-то району с повышенным содержанием воды, мы об этом узнаем и сможем указать точку, в которой ее количество максимально».

«Тем самым мы сможем помочь всему проекту, всей лаборатории найти то наиболее интересное место для исследований, где больше всего воды, – уверен начальник проекта. – И именно там могут быть наиболее благоприятные условия, чтобы найти примитивные формы жизни в настоящем или следы такой жизни в прошлом».

Последняя подмена

В январе следующего года в калифорнийской Пасадене марсоход потихонечку соберут в окончательном варианте и начнут интенсивно тестировать. Сначала просто соединять приборы, подавать напряжение, проверять ответ на управляющие сигналы. А затем и более жестко – трясти, подвергать перегрузкам, перепадам температур и другим испытаниям, с которыми MSL может столкнуться на старте, при длительном перелете, во время посадки и в ходе долгой работы на Марсе. Если какие-то проблемы проявятся, пусть лучше они проявятся сразу, пока есть время исправить ошибки.

После года таких испытаний марсоход, на корме которого будут висеть генератор и детектор нейтронов ДАН, отправится во Флориду готовиться теперь уже к настоящему старту. Перед отправкой, впрочем, генератор нейтронов заменят: содержащийся в мишени тритий быстро распадается и, чтобы продлить марсианский ресурс прибора, ученые поставят на борт «свежую батарейку».

Стартует MSL через два года – удобное стартовое «окно» открывается в промежуток с октября по декабрь 2011 года. Примерно тогда же к спутнику Марса Фобосу должен отправиться и российский космический аппарат «Фобос-Грунт». Прибытие на место намечено на вторую половину 2012 года.