La découverte d'eau sur Mars et la Lune par des sondes européennes et américaines est avant tout un mérite des scientifiques russes
Derrière les rapports réguliers de découvertes de plus en plus nouvelles faites par les missions européennes et américaines, il échappe à l'attention du public que nombre de ces découvertes ont été faites grâce au travail de scientifiques, d'ingénieurs et de designers russes. Parmi ces découvertes, on peut notamment mettre en évidence la détection de traces d'eau sur les corps célestes les plus proches de nous et, comme il semblait auparavant, complètement secs - la Lune et Mars. Ce sont des détecteurs de neutrons russes, travaillant sur des appareils étrangers, qui ont aidé à trouver de l'eau ici, et à l'avenir, ils aideront à fournir des expéditions habitées. Maxim Mokrousov, chef du laboratoire des dispositifs de physique nucléaire de l'Institut de recherche spatiale (IKI), RAS, a expliqué à Russian Planet pourquoi les agences spatiales occidentales préfèrent les détecteurs de neutrons russes.
- Les engins spatiaux - en orbite, en atterrissage et en rovers - transportent des ensembles complets d'instruments: spectromètres, altimètres, chromatographes en phase gazeuse, etc. Pourquoi les détecteurs de neutrons sur nombre d'entre eux sont-ils russes ? Quelle est la raison pour ça?
- Ceci est dû à la victoire de nos projets aux appels d'offres ouverts, qui sont menés par les organisateurs de telles missions. Comme nos concurrents, nous soumettons une offre et essayons de prouver que notre appareil est optimal pour l'appareil donné. Et maintenant, plusieurs fois, nous avons réussi avec succès.
Notre rival habituel dans de telles compétitions est le Laboratoire national de Los Alamos, le même où le projet Manhattan a été mis en œuvre et la première bombe atomique a été créée. Mais, par exemple, notre laboratoire a été spécialement invité à fabriquer un détecteur de neutrons pour le rover MSL (Curiosity), après avoir pris connaissance de la nouvelle technologie dont nous disposions. Créé pour le rover américain, DAN est devenu le premier détecteur de neutrons à génération active de particules. Il se compose en fait de deux parties - le détecteur lui-même et le générateur, dans lesquels des électrons accélérés à des vitesses très élevées frappent la cible de tritium et, en fait, une réaction thermonucléaire à part entière, quoique miniature, avec libération de neutrons se produit.
Les Américains ne savent pas comment fabriquer de tels générateurs, mais il a été créé par nos collègues de l'Institut de recherche en automatisation de Moscou du nom de Dukhov. À l'époque soviétique, c'était un centre clé où l'on développait des fusibles pour ogives nucléaires, et aujourd'hui, une partie de ses produits sont destinés à des fins civiles et commerciales. En général, de tels détecteurs avec générateurs sont utilisés, par exemple, dans l'exploration de réserves de pétrole - cette technologie est appelée diagraphie neutronique. Nous avons juste adopté cette approche et l'avons utilisée pour le rover; jusqu'à présent, personne n'a fait cela.
Détecteur actif de neutrons DAN
Utilisation: rover Mars Science Laboratory / Curiosity (NASA), 2012 à aujourd'hui. Poids: 2,1 kg (détecteur de neutrons), 2,6 kg (générateur de neutrons). Consommation électrique: 4,5 W (détecteur), 13 W (générateur). Principaux résultats: détection d'eau liée dans le sol à une profondeur de 1 m le long du parcours du rover.
Maxim Mokrousov: « Sur presque tout le trajet de 10 kilomètres parcouru par le rover, l'eau dans les couches supérieures du sol se trouvait généralement entre 2 et 5 %. Cependant, en mai de cette année, il est tombé sur une zone dans laquelle soit il y a beaucoup plus d'eau, soit des produits chimiques inhabituels sont présents. Le rover a été déployé et renvoyé dans un endroit suspect. En conséquence, il s'est avéré que le sol là-bas est vraiment inhabituel pour Mars et se compose principalement d'oxyde de silicium. »
- Avec la génération, tout est à peu près clair. Et comment se déroule la détection des neutrons en elle-même ?
- Nous détectons les neutrons de basse énergie avec des compteurs proportionnels à base d'hélium-3 - ils fonctionnent dans DAN, LEND, MGNS et tous nos autres appareils. Un neutron piégé dans l'hélium-3 "brise" son noyau en deux particules, qui sont ensuite accélérées dans un champ magnétique, créant une réaction d'avalanche et, à la sortie, une impulsion de courant (électrons).
Maxim Mokrousov et Sergueï Kapitsa. Photo: Extrait d'archives personnelles
Les neutrons de haute énergie sont détectés dans le scintillateur par les éclairs qu'ils créent lorsqu'ils le frappent - généralement du plastique organique, comme le stilbène. Eh bien, les rayons gamma peuvent détecter des cristaux à base de lanthane et de brome. Parallèlement, des cristaux encore plus performants à base de cérium et de brome sont apparus récemment, nous les utilisons dans l'un de nos plus récents détecteurs, qui s'envolera vers Mercure l'année prochaine.
- Et pourtant, pourquoi les spectrographes occidentaux sont-ils choisis exactement dans les mêmes concours ouverts des agences spatiales occidentales, d'autres instruments sont-ils également occidentaux et les détecteurs de neutrons sont-ils toujours russes ?
- En gros, il s'agit de physique nucléaire: dans ce domaine, nous restons toujours l'un des pays leaders au monde. Il ne s'agit pas seulement d'armes, mais aussi de la masse de technologies connexes dans lesquelles nos scientifiques sont engagés. Même à l'époque soviétique, nous avons réussi à faire un si bon travail de base ici que même dans les années 1990, il n'était pas possible de tout perdre complètement, mais aujourd'hui, nous accélérons à nouveau le rythme.
Il faut comprendre que les agences occidentales elles-mêmes ne paient pas un centime pour ces nos appareils. Tous sont faits avec l'argent de Roscosmos, comme contribution aux missions étrangères. En échange de cela, nous recevons un statut élevé de participants aux projets internationaux d'exploration spatiale, et en plus, un accès direct prioritaire aux données scientifiques que nos instruments collectent.
Nous transmettons ces résultats après traitement, par conséquent, nous sommes à juste titre considérés comme les co-auteurs de toutes les découvertes qui ont été faites grâce à nos appareils. Par conséquent, tous les événements très médiatisés avec la détection de la présence d'eau sur Mars et la Lune sont, sinon entièrement, à bien des égards notre résultat.
On peut encore rappeler l'un de nos premiers détecteurs, HEND, qui fonctionne toujours à bord de la sonde américaine Mars Odyssey. C'est grâce à lui qu'une première carte de la teneur en hydrogène des couches superficielles de la planète rouge a été établie.
Spectromètre à neutrons HEND
Utilisation: vaisseau spatial Mars Odyssey (NASA), 2001 à aujourd'hui. Poids: 3, 7 kg. Consommation électrique: 5,7 W. Principaux résultats: cartes à haute latitude de la distribution de la glace d'eau au nord et au sud de Mars avec une résolution d'environ 300 km, observation des changements saisonniers dans les calottes circumpolaires.
Maxim Mokrousov: « Sans fausse modestie, je peux dire que sur Mars Odyssey, qui sera bientôt en orbite pendant 15 ans, presque tous les instruments ont déjà commencé à mal fonctionner, et seul le nôtre continue de fonctionner sans problème. Il fonctionne en tandem avec un détecteur gamma, représentant efficacement un instrument unique avec lui, couvrant une large gamme d'énergies de particules. »
- Puisque nous parlons de résultats, quel genre de tâches scientifiques sont effectuées par de tels appareils ?
- Les neutrons sont les particules les plus sensibles à l'hydrogène, et si ses atomes sont présents n'importe où dans le sol, les neutrons sont effectivement inhibés par leurs noyaux. Sur la Lune ou sur Mars, ils peuvent être créés par des rayons cosmiques galactiques ou émis par un canon à neutrons spécial, et on mesure en fait les neutrons réfléchis par le sol: moins il y en a, plus il y a d'hydrogène.
Eh bien, l'hydrogène, à son tour, est très probablement de l'eau, soit sous une forme congelée relativement pure, soit liée dans la composition de minéraux hydratés. La chaîne est simple: neutrons - hydrogène - eau, donc la tâche principale de nos détecteurs de neutrons est justement la recherche de réserves d'eau.
Nous sommes des gens pratiques, et tout ce travail est fait pour de futures missions habitées vers la même Lune ou Mars, pour leur développement. Si vous y atterrissez, alors l'eau, bien sûr, est la ressource la plus importante qui devra être livrée ou extraite localement. L'électricité peut être obtenue à partir de panneaux solaires ou de sources nucléaires. L'eau est plus difficile: par exemple, la principale cargaison que les cargos doivent aujourd'hui livrer à l'ISS est l'eau. Chaque fois, ils en prennent 2 à 2,5 tonnes.
Détecteur de neutrons LEND
Utilisation: vaisseau spatial Lunar Reconnaissance Orbiter (NASA), de 2009 à aujourd'hui. Poids: 26,3 kg. Consommation électrique: 13 W Principaux résultats: découverte de réserves d'eau potentielles au pôle Sud de la Lune; construction d'une carte globale du rayonnement neutronique de la Lune avec une résolution spatiale de 5 à 10 km.
Maxim Mokrousov: « Dans LEND, nous avons déjà utilisé un collimateur à base de bore-10 et de polyéthylène, qui bloque les neutrons sur les côtés du champ de vision de l'appareil. Cela a plus que doublé la masse du détecteur, mais cela a permis d'atteindre une plus grande résolution lors de l'observation de la surface lunaire - je pense que c'était le principal avantage de l'appareil, qui nous a permis de contourner à nouveau nos collègues de Los Alamos."
- Combien de tels appareils ont déjà été fabriqués ? Et combien est prévu ?
- Ils sont faciles à lister: ils opèrent déjà HAND sur Mars Odyssey et LEND sur le LRO lunaire, DAN sur le rover Curiosity, ainsi que BTN-M1 installé sur l'ISS. Il convient d'ajouter à cela le détecteur NS-HEND, qui était inclus dans la sonde russe "Phobos-Grunt" et, malheureusement, a été perdu avec elle. Maintenant, à différents stades de préparation, nous avons quatre autres appareils de ce type.
BTN-M1. Photo: Institut de recherche spatiale RAS
Le premier d'entre eux - l'été prochain - pilotera le détecteur FREND, il fera partie de la mission conjointe avec l'EU ExoMars. Cette mission est de très grande envergure, elle comprendra un orbiteur, un atterrisseur et un petit rover, qui seront lancés séparément au cours de la période 2016-2018. FREND travaillera sur une sonde en orbite, sur laquelle nous utilisons le même collimateur que sur le LEND lunaire pour mesurer la teneur en eau sur Mars avec la même précision que pour la Lune. En attendant, nous n'avons ces données pour Mars que dans une approximation assez grossière.
Le spectromètre mercurien gamma et neutronique (MGNS), qui opérera sur la sonde BepiColombo, est prêt depuis longtemps et remis à nos partenaires européens. Il est prévu que le lancement ait lieu en 2017, alors que les derniers tests de vide thermique de l'instrument sont déjà en cours dans le cadre du vaisseau spatial.
Nous préparons également des instruments pour les missions russes - il s'agit de deux détecteurs ADRON, qui fonctionneront dans le cadre des véhicules de descente Luna-Glob, puis Luna-Resurs. De plus, le détecteur BTN-M2 est en fonctionnement. Il permettra non seulement de réaliser des observations à bord de l'ISS, mais permettra également d'élaborer diverses méthodes et matériaux pour une protection efficace des astronautes contre la composante neutronique du rayonnement cosmique.
Détecteur de neutrons BTN-M1
Utilisation: Station Spatiale Internationale (Roscosmos, NASA, ESA, JAXA, etc.), depuis 2007. Poids: 9,8kg. Consommation électrique: 12,3 W Les principaux résultats: des cartes des flux neutroniques au voisinage de l'ISS ont été construites, la situation radiative de la station a été évaluée en lien avec l'activité du Soleil, une expérience était en cours pour enregistrer les sursauts gamma cosmiques.
Maxim Mokrousov: « Après nous être engagés dans ce projet, nous avons été assez surpris: après tout, en fait, différentes formes de rayonnement sont différentes particules, y compris les électrons, les protons et les neutrons. Dans le même temps, il s'est avéré que la composante neutronique du danger radiologique n'a pas encore été mesurée correctement, et c'est une forme particulièrement dangereuse, car les neutrons sont extrêmement difficiles à cribler avec des méthodes conventionnelles. »
- Dans quelle mesure ces appareils eux-mêmes peuvent-ils être appelés russes ? La part des éléments et parties de la production nationale y est-elle élevée ?
- Une production mécanique à part entière a été mise en place ici, à l'IKI RAS. Nous disposons également de toutes les installations de test nécessaires: un banc de choc, un banc de vibration, une chambre à vide thermique et une chambre de test de compatibilité électromagnétique… En fait, nous n'avons besoin que de la production par des tiers pour les composants individuels - par exemple, cartes de circuits imprimés. Des partenaires de l'Institut de recherche en technologie électronique et informatique (NIITSEVT) et un certain nombre d'entreprises commerciales nous aident dans cette tâche.
Auparavant, bien sûr, nos instruments avaient beaucoup, environ 80%, de composants importés. Cependant, maintenant, les nouveaux appareils que nous produisons sont presque entièrement assemblés à partir de composants domestiques. Je pense que dans un avenir proche, il n'y aura pas plus de 25% des importations, et à l'avenir, nous pourrons encore moins dépendre de partenaires étrangers.
Je peux dire que la microélectronique domestique a fait un véritable bond en avant ces dernières années. Il y a huit ans, dans notre pays, les cartes électroniques adaptées à nos tâches n'étaient pas du tout produites. Maintenant, il y a les entreprises de Zelenograd "Angstrem", "Elvis" et "Milandr", il y a le Voronej NIIET - le choix est suffisant. Il nous est devenu plus facile de respirer.
Le plus choquant est la dépendance absolue vis-à-vis des fabricants de cristaux scintillateurs pour nos détecteurs. Autant que je sache, des tentatives sont faites pour les cultiver dans l'un des instituts de Chernogolovka près de Moscou, mais elles n'ont pas encore réussi à atteindre les dimensions et les volumes requis d'un cristal super pur. Il faut donc encore, à cet égard, s'appuyer sur des partenaires européens, plus précisément sur le groupe Saint-Gobain. Cependant, sur ce marché, l'entreprise est un monopole complet, donc le monde entier reste dans une position dépendante.
