В этом году исполнилось десять лет с начала работы научного прибора ДАН Института космических исследований РАН (ИКИ РАН), созданного и испытанного при участии двух лабораторий Объединенного института ядерных исследований, на борту марсохода Curiosity. Цель прибора — определение наличия воды в марсианском кратере Гейла.

9 августа 2012 года спускаемый космический аппарат (ровер) Curiosity Марсианской научной лаборатории NASA опустился на поверхность Марса и начал свою работу, которая продолжается до сих пор. Основные научные цели миссии Марсианской научной лаборатории – определение того, могла ли когда-либо существовать жизнь на Марсе, какую роль в этом играет вода, а также изучение климата и геологии Марса.

Марсоход Curiosity и прибор ДАН на его борту. Красной рамкой отмечено расположение научной аппаратуры ДАН на ровере. Изображение © NASA

На ровере функционируют 13 научных инструментов, одним из которых является активный нейтронный спектрометр ДАН – Динамическое альбедо нейтронов, Dynamic Albedo of Neutrons (альбедо нейтронов – вероятность их отражения в результате многократного рассеяния в среде). Прибор при помощи метода поверхностного нейтронного каротажа изучал содержание в верхнем слое грунта Красной планеты вдоль трассы движения ровера связанной воды/водяного льда. Именно льда – потому что температура на Марсе редко превышает отметку 0°С, а при нагревании вода на планете переходит из твердого состояния сразу в пар – в силу крайне разреженной атмосферы и, соответственно, очень низкого атмосферного давления. Зона научных исследований Curiosity ограничена кратером Гейла (около 150 км в диаметре), который находится в районе экватора планеты.

Возраст кратера Гейла, образовавшегося в результате падения метеорита, составляет от 3,5 до 3,8 млрд лет, и на его месте когда-то (когда атмосфера Марса была в несколько раз плотнее) располагалось озеро. За все годы работы марсоход преодолел дистанцию в 29 км. Из данных, полученных ранее при помощи орбитальных космических аппаратов, было известно, что сейчас воды на Марсе больше всего в районе его полюсов. Место посадки ровера было выбрано с целью изучения геологической истории планеты: в кратере содержатся горные породы как магматического, так и осадочного происхождения. Поэтому для ученых не стало неожиданностью малое содержание воды на пути следования Curiosity.

В результате порядка 1500 сеансов нейтронного зондирования марсианской поверхности экспериментом ДАН установлено, что концентрация воды на поверхности кратера Гейла находится в пределах от 0 до 6 %, при этом наибольшие значения выявлены в тех местах, где другая научная аппаратура ровера определила присутствие гидратированных минералов. Эти материалы образовались там в то далекое время, когда кратер был заполнен водой. В донных отложениях высохшего озера свидетельств существования живых организмов пока найти не удалось.

Важным результатом эксперимента ДАН также явилось измерение собственного нейтронного излучения Марса. Оценить величину нейтронной составляющей марсианского радиационного фона и сравнить ее с данными дозиметров, функционирующих на поверхности и на орбите планеты, необходимо для подготовки потенциального полета астронавтов на Марс.

Нейтронный генератор (слева) и блок детекторов и электроники (справа) спектрометра ДАН

Уникальный прибор ДАН был разработан в ИКИ РАН при участии Лаборатории нейтронной физики им. И. М. Франка и Лаборатории радиационной биологии ОИЯИ, Всероссийского научно-исследовательского института автоматики им. Н. Л. Духова (ФГУП ВНИИА) и Института машиноведения РАН им. А. А. Благонравова. В состав научной аппаратуры ДАН входят блок управления и детектирования тепловых и эпитепловых нейтронов, созданный в ИКИ РАН, и импульсный нейтронный генератор – источник быстрых нейтронов, специально модифицированный ВНИИА для условий космоса: были проведены мероприятия по повышению надежности работы генератора, его минимальная рабочая температура была снижена с -20°С до -40°С. Для размещения прибора на ровере была значительно уменьшена величина и вдвое сокращена его масса по сравнению с серийной моделью генератора.

Спектрометр ДАН использует метод нейтронного каротажа, который применяется на Земле при разведке нефтяных и газовых скважин. В основе метода лежит поиск химического элемента водород при помощи детектирования нейтронов. «Нейтронный генератор (НГ) испускает короткие (~1 мкс), но мощные (до 107 н) импульсы нейтронов с энергией 14 МэВ частотой 10 Гц. Нейтроны проникают в грунт в окрестности ровера на разную глубину (до 1 м) и взаимодействуют с ядрами атомов вещества. В реакциях рассеяния на ядрах они теряют энергию, замедляются, а часть их выходит обратно из грунта и регистрируется детектором. В приборе ДАН измеряется интервал времени между импульсом НГ и моментами прихода альбедных нейтронов в детектор (в паузах между импульсами НГ). При наличии в грунте водорода (воды) замедление нейтронов происходит эффективнее, и в альбедном излучении возрастает доля медленных нейтронов. Это приводит к изменению распределения времени прихода нейтронов в детектор», — пояснил суть метода помощник директора Лаборатории радиационной биологии ОИЯИ по радиационной физике д. ф.-м. н. Геннадий Тимошенко.

Помимо водорода, в грунте могут присутствовать элементы, которые имеют высокое сечение захвата. Они поглощают уже замедлившиеся тепловые нейтроны и не дают детектору их зарегистрировать. Это, в первую очередь, хлор – его там содержится немного, около процента, но в силу того, что он сильно поглощает нейтроны, ученым необходимо его учитывать. Поэтому параллельно проводились и замеры хлора в грунте Марса.

Директор Лаборатории нейтронной физики им. И. М. Франка ОИЯИ Валерий Швецов рассказал о роли Объединенного института в создании и испытании спектрометра ДАН. «Лаборатория нейтронной физики и Лаборатория радиационной биологии ОИЯИ принимали участие в разработке концепции, математическом моделировании счетных характеристик прибора, в разработке его физической схемы, подготовке и проведении калибровок образцов прибора», — сообщил он.

Слева — первый макет марсианского грунта с подвешенным над ним нейтронным генератором; справа — стенд из стекла и полиэтилена

Сравнение расчетных и экспериментальных временных распределений событий в детекторе при разных конфигурациях модели грунта

Ученые ЛНФ и ЛРБ ОИЯИ проводили испытания прибора как в искусственно смоделированных, так и в полевых условиях. Первые модели марсианского грунта собирались из силикатного кирпича (SiO₂ – 95,8%; CaO – 2,9%; Al₂O₃ – 0,5%), а лед имитировался слоем полиэтилена. Затем совместными усилиями сотрудников двух лабораторий на базе ЛРБ ОИЯИ был создан испытательный стенд, представляющий собой модель марсианского грунта. Для этого был взят полиэтилен и оконное стекло. Высота мишени — до 2 метров, площадь — около 16 м².

«Оконное стекло – это очень хороший материал для имитации марсианского грунта, оно содержит около 70 % диоксида кремния. Воду мы имитировали с помощью полиэтилена: это водородсодержащие слои, которые мы укладывали под стекло разной глубины. Сверху устанавливались приборы, идентичные тем, что сейчас работают на космическом аппарате, и расшифровывались отклики приборов от модели грунта заданной геометрии и заданного химического состава, подтверждая те данные, которые в будущем будут получаться на космических аппаратах», — пояснил Валерий Швецов.

Общая масса стенда составляла до 30 т листового стекла. Для того, чтобы зарегистрировать детекторами прибора водород на разной глубине залегания, необходимо было каждый раз перебирать стенд, для чего требовались один-два рабочих дня и усилия целой команды исследователей, от 4 до 10 человек.

На полевых испытаниях ДАН. Слева направо: А. В. Вострухин (ИКИ), И. Г. Митрофанов (ИКИ), А. С. Козырев (ИКИ), Г. Н. Тимошенко (ОИЯИ), А. Б. Санин (ИКИ) и В. Н. Швецов (ОИЯИ)

Описание и основные результаты эксперимента ДАН стали материалом для 27 статей в российских и американских научных реферируемых журналах. В 2022 году будет опубликован детальный каталог данных научных измерений прибора. Дальнейшее развитие метода нейтронного каротажа в космосе планируется в рамках российской лунной программы. На основе технологий ДАН созданы активные спектрометры нейтронного и гамма-излучения АДРОН, которые планируются к установке на будущих автоматических станциях «Луна-25» и «Луна-27». Спектрометры АДРОН позволят измерять состав вещества лунного грунта и массовую долю водяного льда в составе реголита в районе южного полюса Луны.

С момента запуска ДАН превысил свой технический ресурс на несколько лет и собрал значительное количество данных о содержании водорода в грунте кратера.

Прибор ДАН был поставлен на борт марсохода Curiosity в рамках Исполнительного соглашения между NASA и Роскосмосом, который выступил заказчиком научной аппаратуры ДАН, созданной в Институте космических исследований Российской академии наук. Научный руководитель эксперимента ДАН — заведующий отделом ядерной планетологии ИКИ РАН д. ф.-м. н. Игорь Митрофанов.