Исследование лунных образцов может помочь защитить астронавтов и раскрыть происхождение воды на Луне

Автор: Georgia Institute of Technology

Пыль и камни, находящиеся на поверхности Луны, подвергаются ударам в космосе. Без защитной магнитосферы и атмосферы, как на Земле, лунная поверхность сталкивается с постоянной бомбардировкой частицами солнечного ветра, космических лучей и микрометеоритов. Эта постоянная атака приводит к космическому выветриванию.

Большинство предыдущих исследований Луны включали в себя инструменты, картографирующие ее с орбиты. Напротив, это исследование позволило исследователям пространственно картировать образец в наномасштабе, одновременно анализируя оптические сигнатуры лунных образцов Аполлона из разных областей лунной поверхности, а также извлекать информацию о химическом составе лунной поверхности и истории радиации.

Недавно исследователи опубликовали свои выводы 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, получаемых при расщеплении воды», — сказал Томас Орландо, профессор-регент в Школе химии и биохимии, соучредитель и бывший директор Центра космических технологий и исследований Технологического института Джорджии, а также главный исследователь Центра исследований лунной среды и летучих веществ Технологического института Джорджии (CLEVER).

Опираясь на десятилетие исследований лунной науки

За последнее десятилетие Технологический институт Джорджии создал обширный портфель проектов в области исследования человеком и лунной науки с помощью двух виртуальных институтов NASA по исследованию Солнечной системы: CLEVER и его предшественника REVEALS (Влияние радиации на летучие вещества и исследование астероидов и лунных поверхностей).

Изучение лунных образцов на наноуровне

Для этой работы команда Georgia Tech также воспользовалась услугами Лаборатории нанооптики Университета Джорджии (UGA), которой руководит профессор Йоханнес Абате на кафедре физики и астрономии. Хотя UGA является членом CLEVER, его нано-FTIR-спектроскопия и наномасштабное оборудование для визуализации исторически использовались в физике полупроводников, а не в космической науке.

«Это первый случай применения этих инструментов к образцам лунного грунта, подвергшимся космическому выветриванию, и первый раз, когда нам удалось увидеть явные признаки космического выветривания в наномасштабе», — говорит Орландо.

Обычные спектрометры имеют гораздо больший масштаб и способны видеть больше объемных свойств почвы, объясняет Филипп Стэнсил, профессор и руководитель физического факультета UGA.

Оборудование UGA позволило изучать образцы «в десятках нанометров». Чтобы проиллюстрировать, насколько малы наномасштабы, Стэнсил говорит, что атом водорода имеет размер 0,05 нанометра, поэтому 1 нм — это размер 20 атомов, если их расположить рядом. Спектрометры обеспечивают детали лунных зерен с высоким разрешением вплоть до сотен атомов.

«Мы можем взглянуть на него 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 меняются положения атомов и как они нарушаются из-за радиации, рассматривая крошечный образец на атомистическом уровне», — говорит Орландо, отмечая, что большой ущерб наносится на наноуровне. Они могут определить, является ли виновником космическое выветривание или процесс, оставшийся после формирования и кристаллизации породы.

Обнаружение радиоактивного повреждения, доказательств наличия воды

Исследователи обнаружили повреждения на образцах горных пород, включая изменения в оптических сигнатурах. Это понимание помогло им понять, как формировалась и развивалась лунная поверхность, а также дало «действительно хорошее представление о химическом составе горных пород и о том, как они менялись при облучении», говорит Орландо.

Некоторые из оптических сигнатур также показали захваченные электронные состояния, которые обычно представляют собой отсутствующие атомы и вакансии в атомной решетке. Когда зерна облучаются, некоторые атомы удаляются, а электроны захватываются. Типы ловушек и их глубина с точки зрения энергии могут помочь определить историю радиации Луны. Захваченные электроны также могут привести к зарядке, которая может генерировать электростатическую искру. На Луне это может стать проблемой для астронавтов, исследовательских аппаратов и оборудования.

«Также есть разница в химических сигнатурах. В некоторых областях было больше неодима (химический элемент, также встречающийся в земной коре) или хрома (важный микроэлемент), которые производятся в результате радиоактивного распада», — говорит Орландо. Относительные количества и расположение этих атомов указывают на внешний источник, такой как микрометеориты.

Транслирование результатов исследований в сферу рисков для человека на Луне

Радиация и ее воздействие на пыль и поверхность Луны представляют опасность для людей, и основным средством защиты является скафандр.

Орландо видит три основных риска. Во-первых, пыль может помешать герметичности скафандров. Во-вторых, микрометеориты могут пробить скафандр. Эти высокоскоростные частицы образуются после отрыва от более крупных кусков мусора. Как и солнечные бури, их трудно предсказать, и они опасны, потому что они приходят с высокой скоростью удара 5 километров в секунду или выше. «Это пули, поэтому они пробьют скафандры», — говорит Орландо. В-третьих, космонавты могут вдохнуть пыль, оставшуюся на скафандрах, что приведет к проблемам с дыханием. НАСА изучает множество подходов к удалению пыли и смягчению ее последствий.

Картографирование Луны: переход от наномасштаба к макромасштабу

Следующий этап исследований будет включать объединение аналитических инструментов UGA с новым инструментом Технологического института Джорджии, который будет использоваться для анализа лунных образцов миссии «Аполлон», хранившихся более 50 лет.

«Мы объединим два очень сложных инструмента анализа, чтобы изучить эти образцы на таком уровне детализации, который, по моему мнению, ранее не применялся», — говорит Орландо.

Цель состоит в том, чтобы построить модели, которые можно будет использовать в орбитальных картах Луны. Чтобы достичь этого, командам Georgia Tech и UGA нужно будет перейти от наномасштаба к полному макромасштабу, чтобы показать, что происходит на поверхности Луны, а также расположение воды и других ключевых ресурсов, включая метан, необходимых для поддержки целей человечества по исследованию Луны и дальнего космоса.

Больше информации: A. M. Grice et al, Nanoscale characterization of space weathering in lunar samples, Scientific Reports (2025). DOI: 10.1038/s41598-024-83392-6

Источник: Georgia Institute of Technology