Разрешите сайту отправлять вам актуальную информацию.

02:19
Москва
2 октября ‘20, Пятница

ДАН натравит марсоход на след жизни

Опубликовано
Текст:

Следующий марсоход -- MSL будет искать следы жизни по наводке российского прибора ДАН. Перед отправкой инструмента в США его создатели раскрыли особенности аппарата корреспонденту Infox.ru.

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.

ЛюбопытствоВ начале 2008 года, когда еще предполагалось, что старт состоится в 2009 году, NASA объявила конкурс на новое название марсохода. Имя любой желающий мог предложить на специальной интернет-странице. В мае 2009 года, когда о переносе уже было объявлено, победителем стал вариант Curiosity («Любопытство»), предложенный шестиклассницей из Канзаса.
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.

Упругие потериЭто простая механика: по той же причине, налетев в толчее темного кинозала на стоящего зрителя, вы, скорее всего, отделаетесь ушибом, а ударившись с той же скоростью о тяжелую стену, можете получить перелом. В первом случае вы передадите попавшемуся на пути зрителю половину своей энергии, а во втором вся она пойдет на деформацию ваших не очень упругих тканей.
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

Что чьеСозданный российскими учеными HEND был частью большого комплекса инструментов на борту американской станции Mars Odyssey, отвечали за этот комплекс специалисты университета штата Аризона. LEND -- российский вклад в проект LRO/LCROSS, так что нынешний лунный проект в том числе и российская миссия. ДАН также будет чисто российским прибором, созданным по межправительственному договору между Россией и США. Стоимость генератора и детектора составляет несколько миллионов долларов.
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».

Нефть, уран и колбасаГенераторы нейтронов, которые когда-то создавались лишь для военных (как «запалы» ядерных бомб), сейчас активно используются, например, в геологоразведке. Углеводороды на то и углеводороды, чтобы состоять из огромного числа водородных атомов. Чтобы понять, где они, геологи опускают в скважины длинные трубки нейтронных генераторов и изучают рассеянный породой сигнал. Нужны такие генераторы и при досмотре в аэропортах: попадая в ядра атомов, они могут провоцировать радиоактивный распад. При этом рождаются частицы строго определенных энергий, индивидуальных для каждого изотопа. Измеряя их спектр, можно составить очень четкое представление об элементном и даже изотопном составе досматриваемого груза. И выяснить, к примеру, не везет ли кто высокообогащенный уран под видом низкообогащенного. Ну или хотя бы взрывчатку под видом колбасы.
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

ПолиэтиленПо химическому составу полиэтилен (-CH2-)n похож на воду H2O, только вместо кислорода пары атомов водорода присоединены к углеродным атомам. Основной вклад в потерю энергии нейтронов дает именно водород, поэтому полиэтилен отличная замена воде. В Институте космических исследований есть специальная комната, стены и пол которой сделаны из толстых полиэтиленовых блоков. Включать нейтронный источник во время испытаний можно только здесь.
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.

Читайте нас в Дзене

Добавьте ленту «INFOX.ru» в свою личную и получайте актуальные новости ежедневно

Подписаться
Реклама