Полярная стереографическая карта южного полярного региона. Фото: Труды Национальной академии наук (2024 г.). DOI: 10.1073/pnas.2321071121
У Луны есть Южный и Северный полюс, но насколько они холодны? Для примера: средняя температура прибрежных районов Антарктиды составляет около 14°F (-10°C), а внутри ее падает до -76°F (-60°C), что делает Южный полюс Земли одним из самых холодных мест на планете. Недавние исследования показывают, что Южный полюс Луны испытывает еще более резкие колебания температуры и замерзание.
Новое исследование Университета Нью-Мексико демонстрирует изучение, отбор проб и интерпретацию лунных летучих веществ при полярно низких температурах на Луне. Команда исследователей изучила поверхность Луны и проанализировала постоянно затененные области с температурой от 25 до 50 градусов Кельвина или -400°F. В этих затененных регионах есть холодные ловушки, которые улавливают и сохраняют летучие вещества, такие как вода, углекислый газ и другие элементы.
Исследование было опубликовано в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences. Чарльз Ширер, научный сотрудник Института метеоритики (IOM) и профессор-исследователь Департамента наук о Земле и планетах (EPS) UNM, был ведущим автором вместе с Закари Шарпом из UNM, который был соавтором статьи и Джули Стопар из Института Луны и Планет (LPI).
«На Луне есть потенциальные ресурсы, которые можно использовать для человеческой деятельности на лунной поверхности и за ее пределами», — объяснил Ширер. «Нам всем нужна вода. Она также могла бы обеспечить людей кислородом, которым они могут дышать, а некоторые материалы можно было бы использовать в качестве топлива для транспортировки людей по поверхности Луны или выхода за пределы Луны».
Это исследование имеет значение для миссии НАСА «Артемида» по возвращению людей на Луну. «Артемида I», запущенная в ноябре 2022 года, доставила беспилотный космический корабль, который пролетел мимо Луны, облетел ее вокруг нее, а затем вернулся на Землю.
«Артемида II» планирует пройти по аналогичному маршруту, на этот раз с людьми на борту, облететь вокруг Луны и благополучно вернуться на Землю. «Артемида III» станет первой миссией с экипажем на поверхность Луны после «Аполлона-17», которая приземлится на Южном полюсе Луны, чтобы исследовать ее поверхность, собрать образцы и вернуться на Землю.
Стоппер из Института Луны и Планет изучил орбитальные данные и предоставил информацию о постоянно затененных регионах с точки зрения полей стабильности. Она посмотрела на то, что может быть с точки зрения летучих веществ и температурных диапазонов, и показала постоянно затененные области, где они расположены.
Шарп, директор Центра стабильных изотопов (CSI) при UNM, специализируется на стабильных изотопах водорода, кислорода и широкого спектра других элементов, которые могут определить и дать представление о том, откуда взялись эти летучие вещества.
«Ни один человек не был в южном регионе, который постоянно находится в тени, поэтому мы пока не знаем, что там на самом деле», — заявил Шарп. «У нас есть хорошие идеи, но в деталях мы не знаем количества воды, CO2, других газов, метана или серы. Это просто не до конца известно».
Миссия «Артемида» возьмет образцы в запечатанных контейнерах и вернет их на Землю для дальнейшего анализа. Во время первых миссий «Артемиды» образцы будут храниться при более высоких температурах, чем экстремально низкие температуры лунных холодных ловушек. Вопросы, рассматриваемые в этом исследовании, сосредоточены на том, какую информацию можно получить из этих образцов и, что не менее важно, какая информация будет потеряна, если позволить им в некоторой степени нагреться.
Изотопный состав водорода и содержание воды в лунном апатите с добавлением H2 и H2O из лунного реголита. Фото: Труды Национальной академии наук (2024 г.). DOI: 10.1073/pnas.2321071121
Одной из главных проблем даже при отборе проб из этого конкретного региона Луны является экстремальная температура. В постоянно затененных регионах южного полюса Луны температура может достигать -423°F, что может затруднить исследование человеком.
Откройте для себя новейшие достижения науки, технологий и космоса благодаря более чем 100 000 подписчиков, которые ежедневно получают информацию от Phys.org. Подпишитесь на нашу бесплатную рассылку и получайте обновления о прорывах, инновациях и важных исследованиях — ежедневно или еженедельно.
Возвращение этих образцов на Землю при более высоких температурах, чем экстремальный холод южного полюса Луны, приведет к изменению содержания этих элементов из твердых тел в жидкости или газы, что может привести к потере важной информации и данных.
«Одной из главных задач нашей работы было сказать, как мы собираемся возвращать эти образцы при разных температурах (сверххолодная, холодная и комнатная температура) и какая информация будет потеряна при этих различных условиях хранения и какие условия хранения проявят условия наиболее близки к лунным», — сказал Шарп.
Ширер и Шарп смогли рассмотреть различные сценарии с разными температурными диапазонами, чтобы выяснить, какая информация может быть потеряна. Их исследование также предоставило пошаговые идеи о том, как в конечном итоге собрать эти образцы, чтобы представить, как они находятся на Луне.
Еще одна проблема при сборе этих проб заключается в том, что когда газы герметично закрыты, они могут испаряться и достигать чрезвычайно высокого давления, потенциально становясь токсичными для перевозки людей. Кроме того, необходимо определить подходящий размер порции.
«Должны быть порции. Собираетесь ли вы на Луну, Марс или берете образцы с комет, вам нужны соответствующие инженерные решения, соответствующие инструменты для отбора и сохранения этих летучих веществ. И если вы не сохраните их правильно, вы потеряете информации», — сказал Ширер.
Это исследование представило фундаментальные вопросы, которые необходимо решить научным группам для будущих миссий.
НАСА решило сделать акцент на регионе Южного полюса по ряду причин, от инженерных до научных. Одна из причин заключается в том, что люди никогда не бывали на такой местности. Южный полюс Луны содержит затененные области, а также часть древнейшей коры Луны и один из крупнейших ударных бассейнов в Солнечной системе.
«Возвращение этих материалов, полученных в результате этого удара, и их датировка расскажут нам об истории удара внутренней части Солнечной системы, включая Землю», — объяснил Ширер. «Это также может рассказать нам немного о миграции и движении некоторых крупных планет Солнечной системы, таких как Юпитер и Сатурн».
Шарп был первым человеком, который проанализировал газы миссии «Аполлон-17», которые никогда не открывались. Это сделало Университет Нью-Мексико первым университетом, который когда-либо анализировал эти газы в 2022 году.
Простые траверсы в виде прямолинейных профилей в двух регионах-кандидатах на Артемиду III с графиками, показывающими максимальные летние температуры, глубины до устойчивости водяного льда, а также уклоны и высоты местности по 10-метровым картам LOLA вдоль профиля. Фото: Труды Национальной академии наук (2024 г.). DOI: 10.1073/pnas.2321071121
Университет Нью-Мексико создал слаженную работу в этом исследовании, работая через различные отделы (EPS, Институт метеорологии и т. д.). Университет оснащен высокими технологиями для анализа такого рода материалов. Шарп пояснил, что университет инвестировал в современный трансмиссионный электронный микроскоп, лабораторию стабильных изотопов, лаборатории радиогенных изотопов, рентгеновскую дифракцию, рентгеновскую компьютерную томографию (XCT) и многое другое.
«У нас есть небольшая группа, которая занимается планетарными материалами, но мы обращаемся к биологии, инженерии, физике и астрономии, а также ко многим другим факультетам кампуса, чтобы действительно определить космические исследования и инфраструктуру», — сказал Ширер.
Ширер также упомянул, что Нью-Мексико является космическим штатом и имеет растущую инфраструктуру освоения космоса. Космодром «Америка», «Очень большая решетка» и различные национальные лаборатории — отличные примеры. Есть также множество компаний частного сектора, все в Нью-Мексико, которые инвестируют в космические технологии.
«Сейчас в развитие космической экономики системы Луна-Земля инвестируются миллиарды долларов. Для жителей Нью-Мексико крайне важно в той или иной степени участвовать в космической экономике», — сказал Ширер. «Цель этого также состоит в том, чтобы связаться с частным сектором и национальными лабораториями, чтобы привлечь их и помочь в развитии космической экономики Нью-Мексико.
«UNM поддерживает эту деятельность в рамках «Большого вызова устойчивых космических исследований». Кроме того, НАСА поддержало многие из наших исследовательских программ в кампусе UNM».
«Это исследование ставит нас на первый план, и мы решаем некоторые фундаментальные вопросы», — сказал Шарп.
В конечном итоге цель состоит в том, чтобы образцы были возвращены и переданы ведущим лабораториям для анализа и интерпретации данных.
«В публикации мы говорим о летучих видах, которые, как мы ожидаем, вернутся из миссии «Артемида», и о том, как мы могли бы взять их образцы, чтобы получить как можно больше информации о Луне», — сказал Шарп.
LPI изучает фотографии со спутников, вращающихся вокруг Луны, и составляет карты температурных профилей всего региона. Хотя эти данные помогают составить карту Луны, Ширер и Шарп приходят к выводу, что дальнейшие миссии подтвердят то, что там на самом деле.
«Мы находимся только на самой ранней стадии освоения космоса, и мы еще не совсем знаем, что там находится. Мы не знаем, насколько это опасно, насколько холодно или что мы собираемся найти. Каждая миссия даст нам новую информацию, которая позволит миссиям становиться более сложными по мере нашего продвижения в исследовании Луны», — заключил Шарп.
Информация от: Университетом Нью-Мексико.
