Планеты на ощупь: последние разработки нейтронных детекторов

Прикоснуться к другим планетам всегда было мечтой ученых. С появлением нейтронных детекторов, способных заглянуть в подповерхностные слои планетарного грунта прямо с орбиты, мечта становится реальностью. О разработках систем космического детектирования рассказал завлабораторией нейтронной и гамма-спектроскопии Института космических исследований (ИКИ) РАН Максим Литвак на III Научно-практической конференции «Физико-технические интеллектуальные системы», проходившей в феврале в Национальном исследовательском ядерном университете «МИФИ».

«Одна из основных задач, решаемых методами нейтронной спектроскопии, — ​поиск водяного льда, — отметил ученый. — ​Быстрые нейтроны, проходя сквозь вещество на поверхности Луны или Марса, замедляются от взаимодействия с основными породообразующими элементами, теряют часть энергии. Основным замедлителем является водород, входящий в состав молекул воды. Детектируя выходящий нейтронный поток, мы можем определить концентрацию в грунте водяного льда и даже понять, на какой глубине он располагается».

Открытия Красной планеты

Нейтронное детектирование в космосе российские исследователи применяют с 2001 года. Первый детектор высокоэнергичных нейтронов HEND (high-energy neutron detector) был разработан ИКИ РАН для автоматической межпланетной станции НАСА Mars Odyssey. Благодаря HEND был найден водяной лед в реголите под поверхностью Марса. Следующим стал ДАН (динамическое альбедо нейтронов) — ​приборный комплекс, включенный в научную программу марсохода НАСА Curiosity.

Если HEND измеряет нейтроны, рожденные в грунте Марса под действием космических лучей, то ДАН направленно зондирует участок поверхности в окрестности марсохода, генерируя короткие (длительностью порядка микросекунды), но мощные импульсы. За один импульс испускается до 10 млн частиц с энергией 14 МэВ. Нейтроны проникают в грунт, где взаимодействуют с ядрами основных породообразующих элементов. По энергии и времени регистрации нейтронов, выходящих из грунта, оценивается содержание в веществе различных атомов, в первую очередь водорода.

«ДАН был разработан в сотрудничестве с ВНИИА (Всероссийским НИИ автоматики им. Духова. — «СР») и оказался более чем успешным. В ноябре 2012 года марсоход совершил посадку на дне кратера Гейла в экваториальном районе, где, по орбитальным данным, наблюдались следы древней водной активности», — ​сообщил Максим Литвак.

За эти годы Curiosity проехал 31,5 км и провел по пути 830 измерений. Нейтронный генератор излучил 18 млн импульсов и по продолжительности работы уже превзошел все ожидания. Найдены многочисленные залежи водяного льда, сульфатов и глин, которые образовались на дне древнего озера. Кроме того, ученые измерили содержание солей хлора, которые вместе с другими солями оседали на дне кратера Гейла.

Тайна лунных кратеров

«Опыт, который мы получили при разработке и испытании ДАНа, решено использовать в лунных исследованиях, сейчас они занимают центральное место в космических программах многих стран, — подчеркнул Максим Литвак. — ​Особое внимание привлекают полярные области на Луне, поскольку там, на дне крупных кратеров, есть места, куда никогда не попадает солнечное излучение. Эти кратеры рассматриваются как кладовые реликтового вещества. Все, что приносили кометы и астероиды миллиарды лет с момента возникновения Солнечной системы, оседало там». Информация о составе полярных залежей даст шанс понять, как сформировалась Солнечная система, как образовались Земля и Луна, откуда на них появилась вода.

В конце 1990‑х американский орбитальный аппарат с простыми нейтронными детекторами зафиксировал понижение сигнала эпитепловых нейтронов на лунных полюсах, что было признано свидетельством наличия в холодных кратерах водяного льда. Но конструкция детектора не позволяла определить области залегания с высокой точностью: ​карта возможных залежей имела пространственное разрешение в десятки километров, так что привязать эти данные к какому-то конкретному кратеру не удалось.

В 2009 году США запустили миссию Lunar Reconnais­sance Orbiter для детального картографирования лунной поверхности. На борт аппарата, вращающегося на орбите Луны, по конкурсу попал полимерный нейтронный детектор LEND (lunar exploration neutron detector), разработанный в ИКИ РАН. Прибор окружен толстым слоем коллиматора из полиэтилена и изотопа бор‑10, который эффективно поглощает поток эпитепловых нейтронов по бокам, сужая поле зрения детектора до размера крупных лунных кратеров.

«Благодаря LEND построена карта полярных областей, определен район, в котором зарегистрировано наибольшее содержание подповерхностного водяного льда. На этом участке был проведен необычный эксперимент: с орбиты на Луну запустили тяжелый разгонный блок, который ударил по поверхности, поднял облако лунного вещества, и спектрометры с орбиты изучили его химический состав. В поднявшемся облаке содержалось порядка 6 % воды, которая может находиться в лунном грунте на глубине нескольких метров, что прекрасно согласуется с измерениями LEND», — ​рассказал Максим Литвак.

Создание лунных баз — ​основная цель ряда национальных космических программ, задача номер один в них — ​поиск воды. Это основной ресурс для жизнеобеспечения будущей колонии: и кислород для дыхания, и водород для топлива. «Крайне важно, чтобы вблизи лунной станции была возможность промышленно добывать и доставлять водяной лед. Это сейчас мировой тренд: все слышали об американской программе «Артемида», старт которой намечен на 2027 год. Лунную поверхность должны посетить множество автоматических станций и модулей, чтобы найти оптимальное место для лунной базы. Долгосрочные лунные программы есть у России и Китая. Причем на сегодня Китай совершил наибольшее число посадок лунных автоматических станций в XXI веке», — ​отметил Максим Литвак.

Определить оптимальное место для российской базы должен «Адрон ЛР» — ​активный детектор нейтронов и гамма-лучей, разработанный специально для миссии «Луна-ресурс». «В него входит нейтронный генератор ВНИИА и гамма-спектрометр ИКИ РАН, чтобы определять не только залежи водяного льда, но и элементный состав лунного грунта», — ​пояснил Максим Литвак.

Первый «Адрон ЛР» был установлен на станции «Луна‑25», которая в августе 2023 года разбилась о поверхность спутника Земли. Тем не менее «Адрон ЛР» успел провести измерения во время перелета и с орбиты Луны. Этот прибор будет установлен на аппарат следующей миссии, запланированной на 2028 год.

Детектор-камикадзе для Венеры

После 2030 года Россия планирует запустить посадочную станцию на Венеру. Для этой жаркой планеты методы нейтронного детектирования являются безальтернативными.

«Скорее всего, будет использоваться нейтронный генератор с функцией меченых нейтронов, что позволит минимизировать радиационный фон самого аппарата и максимально усилит полезный сигнал от поверхности. Учитывая, что время жизни станции на Венере — ​часы, нам потребуется получить максимум информации за минимум времени», — ​обрисовал задачу Максим Литвак.