|
Тайна происхождения воды на Луне
|
|
|
|
Пыль и камни, находящиеся на поверхности Луны, могут быть обнаружены в космосе. Без защитной магнитосферы и атмосферы, подобных земной, поверхность Луны подвергается постоянной бомбардировке частицами солнечного ветра, космических лучей и микрометеороидов. Это постоянное воздействие приводит к космическому выветриванию.
|
|
|
|
Новое исследование Технологического института Джорджии (Georgia Tech) позволяет по-новому взглянуть на феномен космического выветривания. Исследуя лунные образцы с "Аполлона" на наноуровне, исследователи выявили риски для полетов человека в космос и возможную роль космического выветривания в образовании некоторого количества воды на Луне.
|
|
|
|
В большинстве предыдущих исследований Луны использовались приборы, которые наносили ее на карту с орбиты. Напротив, это исследование позволило исследователям составить пространственную карту наноразмерного образца, одновременно анализируя оптические характеристики лунных образцов, взятых с "Аполлона" из разных областей лунной поверхности, и извлечь информацию о химическом составе лунной поверхности и истории радиации. Недавно исследователи опубликовали свои результаты в журнале Scientific Reports.
|
|
|
|
"Наличие воды на Луне имеет решающее значение для программы "Артемида". Он необходим для поддержания жизнедеятельности любого человека и является особенно важным источником кислорода и водорода - молекул, получаемых при расщеплении воды", - сказал Томас Орландо, профессор регентской школы химии и биохимии, соучредитель и бывший директор Технологического центра космических технологий и исследований в Джорджии, и главный исследователь Технологического центра Джорджии по изучению лунной среды и исследованию изменчивых условий на Луне (CLEVER).
|
|
|
|
|
|
|
Являясь NASA SSERVI (Виртуальным исследовательским институтом по исследованию Солнечной системы), CLEVER является одобренной НАСА лабораторией для анализа лунных образцов, в состав которой входят исследователи из множества институтов и университетов США и Европы. Области исследований включают в себя изучение того, как солнечный ветер и микрометеориты производят летучие вещества, такие как вода, молекулярный кислород, метан и водород, которые имеют решающее значение для поддержания деятельности человека на Луне.
|
|
|
|
За последнее десятилетие Технологический институт Джорджии (Georgia Tech) создал обширный портфель проектов в области исследований человеком и Луны с помощью двух виртуальных исследовательских институтов НАСА по исследованию Солнечной системы: CLEVER и его предшественника REVEALS (Воздействие радиации на летучие вещества и исследование астероидов и лунной поверхности).
|
|
Изучение лунных образцов на наноуровне
|
|
|
|
Для этой работы команда Технологического института Джорджии также привлекла лабораторию нанооптики Университета Джорджии (UGA), которой руководит профессор Йоханнес Абате на факультете физики и астрономии. Хотя UGA является членом CLEVER, ее оборудование для нано-ИК-спектроскопии и получения наноразмерных изображений исторически использовалось в физике полупроводников, а не в космической науке.
|
|
|
|
"Это первый раз, когда эти инструменты были применены к лунным образцам, подвергшимся космическому выветриванию, и впервые мы смогли увидеть четкие признаки космического выветривания на наноуровне", - говорит Орландо.
|
|
|
|
Обычные спектрометры работают в гораздо большем масштабе и позволяют увидеть больше объемных свойств почвы, объясняет Филлип Стэнсил, профессор и заведующий кафедрой физики UGA.
|
|
|
|
Оборудование UGA позволяет изучать образцы "с точностью до десятков нанометров". Чтобы проиллюстрировать, насколько мал наноразмерный размер, Стэнсил говорит, что размер атома водорода составляет 0,05 нанометра, таким образом, 1 нм равен размеру 20 атомов, если поместить их рядом. Спектрометры обеспечивают детализацию лунных частиц с высоким разрешением вплоть до сотен атомов.
|
|
|
|
"Мы можем взглянуть на это почти на атомистическом уровне, чтобы понять, как образовалась эта порода, ее историю и как она обрабатывалась в космосе", - говорит Стэнсил.
|
|
|
|
"Вы можете многое узнать о том, как меняется расположение атомов и как они нарушаются из-за излучения, рассматривая крошечный образец на атомистическом уровне", - говорит Орландо, отмечая, что большой ущерб наносится на наноуровне. Они могут определить, является ли причиной этого космическое выветривание или какой-то процесс, оставшийся во время формирования и кристаллизации породы.
|
|
|
|
Обнаружение радиоактивных повреждений, следов воды
|
|
|
|
Исследователи обнаружили повреждения на образцах горных пород, в том числе изменения в оптических характеристиках. Это открытие помогло им понять, как формировалась и эволюционировала лунная поверхность, а также дало "действительно хорошее представление о химическом составе горных пород и о том, как они менялись при облучении", - говорит Орландо.
|
|
|
|
Некоторые оптические характеристики также показали захваченные электронные состояния, которые обычно представляют собой отсутствующие атомы и вакансии в атомной решетке. При облучении зерен некоторые атомы удаляются, и электроны оказываются захваченными. Типы ловушек и их глубина с точки зрения энергии могут помочь определить историю излучения Луны. Захваченные электроны также могут привести к зарядке, которая может вызвать электростатическую искру. На Луне это может стать проблемой для астронавтов, исследовательских аппаратов и оборудования.
|
|
|
|
"Также есть разница в химических характеристиках. В некоторых областях было больше неодима (химического элемента, также встречающегося в земной коре) или хрома (важного микроэлемента), которые образуются в результате радиоактивного распада", - говорит Орландо. Относительное количество и расположение этих атомов указывают на наличие внешнего источника, такого как микрометеориты.
|
|
Если перевести исследование на уровень рисков для человека на Луне
|
|
|
|
Радиация и ее воздействие на пыль и лунную поверхность представляют опасность для людей, то основной защитой является скафандр.
|
|
|
|
Орландо видит три основных риска. Во-первых, пыль может нарушить герметичность скафандров. Во-вторых, микрометеориты могут проколоть скафандр. Эти высокоскоростные частицы образуются после отрыва от более крупных обломков. Как и солнечные бури, их трудно предсказать, и они опасны, потому что налетают со скоростью 5 километров в секунду и выше. "Это пули, поэтому они могут пробить скафандры", - говорит Орландо. В-третьих, астронавты могут вдыхать пыль, которая остается на скафандрах, вызывая проблемы с дыханием. НАСА изучает множество подходов к удалению пыли и уменьшению ее воздействия.
|
|
Картографирование Луны: переход от наноуровня к макромасштабу
|
|
|
|
Следующий этап исследований будет включать в себя объединение инструментов анализа UGA с новым инструментом от Georgia Tech, который будет использоваться для анализа лунных образцов Apollo, хранящихся более 50 лет.
|
|
|
|
"Мы объединим два очень сложных инструмента анализа, чтобы изучить эти образцы с таким уровнем детализации, который, я думаю, ранее не применялся", - говорит Орландо.
|
|
|
|
Цель состоит в том, чтобы создать модели, которые могут быть использованы для составления орбитальных карт Луны. Чтобы достичь этого, команде Georgia Tech и UGA нужно будет перейти от наноуровня к полномасштабному макромасштабу, чтобы показать, что происходит на поверхности Луны, а также местонахождение воды и других ключевых ресурсов, включая метан, необходимых для достижения целей человечества по исследованию Луны и дальнего космоса.
|
|
|
|
Источник
|
