lundi 29 octobre 2012

Le Canon à Neutrons de Curiosity pour Détecter l'Eau Martienne

Le robot Curiosity qui se promène actuellement sur Mars est bourré d'instruments. Il est notamment équipé d'un instrument de mesure nucléaire très intéressant. Il s'agit ni plus ni moins de détecter la présence d'eau ou de minéraux hydratés dans une couche de 1 m de profondeur en dessous du robot...

Cet outil hors norme est appelé le DAN, pour Dynamic Albedo of Neutrons. De quoi s'agit-il et comment marche-t-il ? 
Le DAN est constitué d'un canon à neutrons énergétiques et de détecteurs de neutrons thermiques (peu énergétiques). Le "canon", qu'on appelle dans notre jargon un générateur électrostatique, produit des réactions de fusion nucléaire entre des ions de deutérium accélérés  (isotope stable de l'hydrogène) et une cible contenant des noyaux de tritium (isotope radioactif de l'hydrogène), la même réaction de fusion que celle qui sera utilisée dans le réacteur expérimental ITER, à une toute autre échelle...

Position du DAN sur Curiosity (NASA/JPL)
Les réactions de fusion entre deutérium et tritium produisent des noyaux d'hélium (particules alpha), ainsi que des neutrons monoénegétiques de 14.1 MeV exactement. Ces neutrons énergétiques sont donc émis vers le sol martien et peuvent y parcourir jusqu'à environ 1 m en perdant petit à petit leur énergie. L'une des caractéristiques très utiles des neutrons est leur grande propension à interagir avec les noyaux d'hydrogène, notamment par diffusion : ils rebondissent sur les protons comme des boules de billard pourraient le faire (on parle de diffusion élastique).

En positionnant des détecteurs de neutrons à la bonne position sur le rover, on peut alors détecter d'une part si il y a de la matière hydrogénée (de l'eau) dans le sol mais aussi combien il y en a et à quelle profondeur.
Les détecteurs utilisés pour détecter des neutrons sont des détecteurs à gaz (de l'hélium-3 sous pression), qui permettent de compter tous les neutrons qui arrivent, quelle que soit leur énergie.
Cette technique a déjà été et est encore utilisée dans l'industrie de l'exploration pétrolière où ce même type de générateur de neutrons et détecteurs sont descendus dans des puits de forage afin de déterminer la présence d'hydrocarbures (riches en hydrogène).

Schéma du principe de l'interrogation neutronique du sol  (NASA)
Sur Curiosity, le générateur de neutrons conçu et exploité par une équipe Russe (une large collaboration de l'Institut de Recherches Spatiales de Moscou, du All Russia Research Institute of Automatics à Moscou et du Joint Institute of Nuclear Research de Dubna) émet ses neutrons par pulses successifs, et les neutrons revenant du sol sont détectés entre chaque pulse, de cette manière, les détecteurs ne sont pas aveuglés par les neutrons primaires émis par le générateur. De plus, le flux de neutrons est mesuré en fonction du temps après chaque pulse, les courbes temporelles fournissant des signatures très nettes de la présence d'hydrogène et de sa localisation. 
La signature est rendue encore plus claire par une sélection en énergie des neutrons arrivant au détecteur par l'utilisation d'un filtre de cadmium. Plus les neutrons qui reviennent du sol sont énergétiques, moins il y a d'hydrogène, et d'eau.

Les scientifiques espèrent trouver de l'hydrogène sur Mars sous deux formes : de la glace d'eau, bien sûr, mais aussi de l'eau sous forme de molécules d'hydrates insérées dans les cristaux rocheux.

L'instrument a produit ses premiers neutrons le 17 août 2012. Il  est utilisé quand le rover est à l'arrêt. des mesures de courte durée (inférieures à 2 minutes) permettent d'obtenir une estimation de la distribution d'hydrogène "eau-équivalent" avec une précision d'environ 1%. Des mesures plus longues (environ 30 minutes), sont nécessaires pour déterminer la répartition verticale de l'eau avec une précision sur la masse (inégalée) de 0.1%...

Un bel exemple de physique nucléaire appliquée au service de la planétologie.

2 commentaires :

yui a dit…

Encore un article très intéressant :)
Merci Docteur

Dr Eric SIMON a dit…

De rien...