Новые исследования лунных образцов могут помочь защитить астронавтов и раскрыть происхождение воды на Луне.
Пыль и камни, находящиеся на поверхности Луны, подвергаются агрессивному воздействию космоса. Без защитной магнитосферы и атмосферы, подобных земным, лунная поверхность постоянно подвергается бомбардировке частицами солнечного ветра, космическими лучами и микрометеороидами. Это постоянное воздействие приводит к космическому выветриванию.
Новое исследование, финансируемое NASA, предлагает свежие insights в явление космического выветривания. Изучая образцы лунного грунта, полученные во время миссий «Аполлон», исследователи выявили риски для космических миссий с участием человека и возможную роль космического выветривания в формировании части воды на Луне.
В отличие от большинства предыдущих исследований Луны, которые проводились с помощью инструментов, картографирующих спутник с орбиты, данное исследование позволило учёным пространственно отобразить наноразмерный образец, одновременно анализируя оптические характеристики образцов лунного грунта из разных регионов лунной поверхности. Это позволило извлечь информацию о химическом составе поверхности Луны и истории облучения.
Результаты опубликованы в журнале Scientific Reports.
«Наличие воды на Луне имеет решающее значение для программы Artemis. Она необходима для поддержания любого человеческого присутствия и является особенно важным источником кислорода и водорода — молекул, полученных путём расщепления воды», — говорит Томас Орландо, профессор Школы химии и биохимии Технологического института Джорджии, соучредитель и бывший директор Центра космических технологий и исследований Технологического института Джорджии, а также главный исследователь Центра исследований лунной среды и летучих веществ (CLEVER).
CLEVER, являясь одобренной лабораторией NASA для анализа лунных образцов, включает исследователей из нескольких институтов и университетов США и Европы. Области исследований включают изучение того, как солнечный ветер и микрометеориты производят летучие вещества, такие как вода, молекулярный кислород, метан и водород, которые имеют решающее значение для поддержки человеческой деятельности на Луне.
Для этой работы команда из Технологического института Джорджии также привлекла Лабораторию нанооптики Университета Джорджии (UGA), которой руководит профессор Йоханнес Абате из кафедры физики и астрономии. Хотя UGA является участником CLEVER, её оборудование для нано-FTIR спектроскопии и наноразмерной визуализации исторически использовалось для физики полупроводников, а не для космических исследований.
«Это первый раз, когда эти инструменты были применены к лунным образцам, подвергшимся космическому выветриванию, и впервые мы смогли увидеть хорошие признаки космического выветривания на наноуровне», — говорит Орландо.
Обычные спектрометры работают на гораздо большем масштабе, имея возможность видеть более общие свойства почвы, объясняет Филипп Стансил, профессор и глава физического факультета UGA. Оборудование UGA позволило изучать образцы «в десятках нанометров». Для иллюстрации того, насколько мал наномасштаб, Стансил говорит, что атом водорода составляет 0,05 нанометра, поэтому 1 нм — это размер 20 атомов, если их разместить рядом. Спектрометры предоставляют детализированное изображение лунных зёрен вплоть до сотен атомов.
«Мы можем взглянуть на почти атомном уровне, чтобы понять, как была образована эта скала, её историю и как она была обработана в космосе», — говорит Стансил.
Исследователи обнаружили повреждения на образцах пород, включая изменения оптических сигнатур. Это помогло им понять, как образовалась и эволюционировала лунная поверхность, а также предоставило «действительно хорошее представление о химическом составе пород и о том, как они изменились при облучении», — говорит Орландо.
Некоторые оптические сигнатуры также показали захваченные состояния электронов, которые обычно представляют собой отсутствующие атомы и вакансии в атомной решётке. Когда зёрна облучаются, некоторые атомы удаляются, и электроны захватываются. Типы ловушек и их глубина с точки зрения энергии могут помочь определить историю облучения Луны. Захваченные электроны также могут привести к зарядке, которая может вызвать электростатическую искру. На Луне это может быть проблемой для астронавтов, исследовательских аппаратов и оборудования.
Орландо выделяет три ключевых риска:
1. Пыль может мешать уплотнению скафандров.
2. Микрометеориты могут проколоть скафандр. Эти частицы высокой скорости образуются после отделения от более крупных обломков. Как и солнечные бури, их сложно предсказать, и они опасны, поскольку приходят с высокими скоростями удара — 5 километров в секунду или выше.
3. Астронавты могут вдыхать пыль, оставшуюся на скафандрах, что может вызвать проблемы с дыханием. NASA изучает множество подходов к удалению и смягчению воздействия пыли.
Следующий этап исследования будет включать объединение аналитических инструментов UGA с новым инструментом от Технологического института Джорджии, который будет использоваться для анализа образцов лунного грунта, хранившихся более 50 лет.
Цель состоит в том, чтобы построить модели, которые можно будет использовать для создания орбитальных карт Луны. Для этого команде из Технологического института Джорджии и UGA необходимо будет перейти от наномасштаба к полному макромасштабу, чтобы показать, что происходит на лунной поверхности, и расположение воды и других ключевых ресурсов, включая метан, необходимых для поддержки целей человечества по исследованию Луны и дальнего космоса.
Источник: Технологический институт Джорджии.
Добавить комментарий