Łyk z Księżyca.pdf

Łyk z Księżyca

Miały być tam rozległe morza, sądziliśmy przez wieki. Z czasem rozwój wiedzy przekształcił

morskie otchłanie w monotonne równiny zastygłej lawy. Dziś woda wraca na Księżyc. W

niewielkich ilościach, za to w spektakularnym stylu.

Plan był prosty. Najpierw łupnąć w Srebrny Glob czymś ciężkim, potem przelecieć

sondą przez chmurę wybitych podczas zderzenia gazów i pyłów. Poddać je analizie

chemicznej i błyskawicznie wysłać drogą radiową co tylko się da na Ziemię. Jak pomyślano,

tak zrobiono i 9 października tego roku impaktor, górny stopień rakiety Centaur, uderzył w

zacienione zbocze krateru Cabeus przy południowym biegunie Księżyca. Wszyscy

spodziewali się spektakularnej eksplozji, wyszło medialne nic – ot, plamka, ledwie widoczna

na paru słabych fotografiach. Prawdziwa bomba wybuchła na Ziemi po kilku tygodniach, gdy

naukowcy w spokoju przeanalizowali dane wysłane w ostatnich chwilach życia sondy

LCROSS (Lunar CRater Observation and Sensing Satellite). Na Księżycu jednak jest woda!

Fajnie, ale skąd się wzięła na tym tak nieprzyjaznym globie?

Historia księżycowej wody, podobnie zresztą jak ziemskiej, bierze swój początek w... niczym.

Nic – tak z całkiem dobrym przybliżeniem wygląda wnętrze gęstego obłoku

międzygwiazdowego, gdzie w jednostce objętości znajdziemy mniej więcej tyle cząsteczek,

ile w najlepszej próżni, jaką potrafimy wytworzyć w naszych laboratoriach. Te ulotne obłoki

mają jednak tak duże rozmiary (rzędu setek i tysięcy lat świetlnych), że z daleka wyglądają na

nieprzezroczyste, co oznacza, że ich wnętrza są izolowane przed niszczącym

promieniowaniem kosmicznym. W tych warunkach na drobinach wszechobecnego pyłu

osadzają się cząsteczki różnych, ciągle powstających we wnętrzu obłoku związków

chemicznych. Woda w obłokach międzygwiazdowych tworzy się chętnie i równie chętnie

wymraża się na ziarnach pyłu – mówi doc. dr hab. Robert Kołos, kierownik Zespołu

Astrochemii Laboratoryjnej Instytutu Chemii Fizycznej PAN w Warszawie. Z czasem

oszronione ziarna zlepiają się i formują komety. W początkowych fazach powstawania

układów planetarnych kometarnych "śmieci" jest naprawdę dużo i często dochodzi do ich

zderzeń z nowo narodzonymi księżycami i planetami. Komety wówczas się rozpadają, woda

zostaje – na powierzchni lub pod nią.

Epoka intensywnego kometarnego ostrzału skończyła się kilka miliardów lat temu. Niestety,

warunki na powierzchni Księżyca nie sprzyjają długotrwałemu przechowywaniu wody.

Wbrew wciąż pokutującemu przekonaniu, Księżyc nie ma żadnej "ciemnej strony". Słońce

oświetla go z każdego kierunku, czego jasnym (lub ciemnym) dowodem są fazy Księżyca.

Dzień trwa bardzo długo, dwa ziemskie tygodnie, a wystawiona na działanie promieni

słonecznych część globu nagrzewa się do temperatury ponad 1200C. Problemem jest również

księżycowa atmosfera, składająca się głównie z helu, neonu, wodoru i argonu. Jest ona

niesłychanie rzadka: jej całkowitą masę szacuje się na zaledwie 25t. Nie stanowi ona żadnej

osłony przed promieniowaniem kosmicznym i słonecznym, które z czasem rozbijają

cząsteczki wody. Ekstremalnie niskie ciśnienie przy powierzchni, obniżające temperaturę

wrzenia, wysokie temperatury dzienne, brak tarczy przed promieniowaniem – nic dziwnego,

że ciekła woda nie ma żadnych szans, by przetrwać na powierzchni Księżyca. Lód wodny nie

radzi sobie lepiej, szybko przechodzi w stan gazowy (sublimuje). Dołóżmy jeszcze niską

grawitację, która ułatwia ucieczkę wodoru (jednego z produktów rozpadu wody) w kosmos.

Przez długi czas byliśmy więc pewni, że woda na Księżycu ma prawo jedynie znikać. Jak

więc udało się jej przetrwać?

W 1996 roku amerykańska sonda Clementine prowadziła obserwacje Księżyca. Jednym z

eksperymentów było omiatanie jego powierzchni wiązką radarową, która po odbiciu była

rejestrowana przed aparaturę odbiorczą na Ziemi. Oszacowano wówczas, że od 6 do 15 tys.

km2 w okolicach południowego bieguna Księżyca jest pogrążonych w wiecznym cieniu – to

dna przybiegunowych kraterów. Dalsza analiza danych pozwoliła wysunąć przypuszczenie,

że faktycznie mogą się tam znajdować zasoby wody. W 1998 roku inna sonda, Lunar

Prospector, za pomocą spektrometru neutronowego rejestrowała wolne (tzw. termiczne)

neutrony, powstające wskutek zderzeń szybkich neutronów promieniowania kosmicznego z

atomami wodoru. Dużo wolnych neutronów oznaczałoby dużo wodoru, co byłoby mocną

wskazówką za istnieniem wody. Rzeczywiście, pomiary wskazywały na obecność w

przypowierzchniowej warstwie regolitu połaci lodu wodnego, dość czystego, o łącznej masie

szacowanej z grubsza na 7 mld t. Był on rozproszony na powierzchni od 5 do 20 tys. km2

wokół bieguna południowego i od 10 do 50 tys. km2 wokół północnego. Nie wszystko

przebiegało jednak pomyślnie. Obserwacje naziemne nie wykazały śladów wody, gdy Lunar

Prospector rozbijał się w jednym z kraterów przy południowym biegunie Księżyca. Także

japoński orbiter KAGUYA, który w 2008 roku bardzo dokładnie przyjrzał się wnętrzu krateru

Shackleton, nie znalazł grama wody.

Obecny rok przyniósł wreszcie trochę optymizmu. Pomiary, przeprowadzone za pomocą

przyrządu Diviner Lunar Radiometer na pokładzie orbitera Lunar Reconnaissance Orbiter

(LRO), wykazały, że w wiecznie zacienionych obszarach kraterów przy południowym

biegunie jest zimno. Bardzo zimno – podczas księżycowego dnia zanotowano tam

temperaturę -2380C, zaledwie 35 stopni powyżej zera bezwzględnego. To najniższa

dotychczas zarejestrowana temperatura na powierzchni ciała kosmicznego w całym Układzie

Słonecznym (nawet średnia temperatura powierzchni Plutona jest od niej wyższa o paręnaście

stopni). W takiej lodówce woda miałaby szansę się zachować.

Poszlaki są ważne, ale ważniejsze są dowody: bezpośrednie pomiary. W lipcu tego roku grupa

naukowców z Southwest Research Institute w Boulder ogłosiła, że wykryła wodę w...

próbkach księżycowego gruntu, przywiezionych przez amerykańskich astronautów cztery

dekady temu. Detekcja była możliwa dopiero teraz, bo wcześniejsze pomiary pozwalały

stwierdzić obecność od 50 cząsteczek na milion, podczas gdy obecne zmniejszyły

ograniczenie dziesięciokrotnie. Tymczasem minęły dwa miesiące i okazało się, że indyjski

orbiter Chandrayaan-1 za pomocą zbudowanego przez NASA przyrządu Moon Mineralogy

Mapper zobaczył w pobliżu biegunów Srebrnego Globu cząsteczki wody oraz grupę

hydroksylową OH, jeden z produktów rozkładu wody przez światło słoneczne. Substancje te

znaleziono w wierzchniej warstwie księżycowego gruntu, gdzie powstają prawdopodobnie

wskutek oddziaływania związków zawartych w podłożu z protonami (jonami wodoru) wiatru

słonecznego. Wynikom tych badań towarzyszyła pierwsza publikacja danych zebranych w

1999 roku przez sondę Cassini. Sonda ta w drodze do Saturna przeleciała w pobliżu Księżyca

i przeprowadziła pomiary, które świetnie zgadzają się z danymi z Chandrayaana. Także

tegoroczne przeloty w pobliżu Srebrnego Globu słynnej sondy Deep Impact (która po

zbombardowaniu komety Tempel 1 kieruje się obecnie ku komecie 103P/Hartley 2) pozwoliły

zarejestrować obecność wody i grupy hydroksylowej – i to na całej powierzchni Księżyca, w

tym po stronie nasłonecznionej! Okazało się, że promieniowanie słoneczne za dnia dokonuje

rozkładu cząsteczek wody w przygruntowym lodzie, a produkty tego procesu – grupa OH i

jon wodoru H+ – przynajmniej w części przemieszczają się ku biegunom, gdzie akumulują się

w wiecznie zacienionych kraterach. Przybiegunowe zasoby wody na Księżycu wydają się

więc nie maleć, a wręcz przeciwnie – wzrastaja.

Najbardziej przekonujących dowodów dostarczyła jednak wspomniana na wstępie sonda

LCROSS. Jej impaktor wybił w przestrzeń kosmiczną strugę księżycowego materiału, który

pierwszy raz od miliardów lat zobaczył światło słoneczne. Obłok był obserwowany przez

cztery minuty za pomocą spektrometru sondy (potem podzieliła ona los impaktora).

Spektrometr pozwala określić, w jaki sposób próbka oddziałuje ze światłem. Ponieważ różne

związki chemiczne pochłaniają i emitują fale elektromagnetyczne o różnych długościach,

obserwując widmo materiału można określić jego skład. Wyniki pomiarów w bliskiej

podczerwieni okazały się jednoznaczne: w widmie widać wodę. Z kolei w ultrafiolecie

zauważono obecność grupy hydroksylowej OH, co dodatkowo wzmocniło siłę argumentów.

Woda przyda się z pewnością przyszłym kolonizatorom Księżyca. Jej dostarczanie z Ziemi

byłoby bardzo drogie. Metr sześcienny wody waży przecież tonę, a nawet bardzo

optymistyczny projekt bezzałogowego statku dostawczego firmy Space Exploration

Technologies zakłada, że transport takiej masy na powierzchnię Księżyca kosztowałby

"jedyne" 80 milionów dolarów. Nie dziwi więc, że już dziś trwają prace nad sposobami

wydobywania i uzdatniania wody znajdującej się na Księżycu.

Na zboczach hawajskiego wulkanu Mauna Kea od roku jest testowany reaktor do produkcji

wody i tlenu, opracowany przez zespół Geralda Sandersa z NASA. Zasada działania reaktora

polega na podgrzewaniu próbek gruntu do temperatury 1000oC i dodawaniu do nich wodoru.

W tych warunkach pierwiastek ten reaguje z tlenkiem żelaza zawartym w ziemskiej (ale

również w księżycowej) warstwie powierzchniowej. Rezultatem jest woda, którą za pomocą

elektrolizy daje się rozłożyć na tlen i wodór. Pierwszy można wykorzystać do oddychania,

oba – jako wydajne i ekologiczne paliwo (produktem spalania jest czysta woda). W ciągu

roku pracy reaktor wyprodukował 660 kg tlenu z gleby zawierającej 5% tlenku żelaza. Druga

generacja reaktorów powinna zwiększyć tę ilość do 1000 kg.

Z kolei zespół dr. Edwina Ethridge'a z NASA, działający w ramach projektu ROSES

(Research Opportunities in Space and Earth Science), od pięciu lat pracuje nad użyciem

mikrofal do produkcji z księżycowego regolitu wody i innych substancji, takich jak wodór

czy azot. Co ciekawe, główną rolę w tych laboratoryjnych doświadczeniach odgrywa...

zwykła kuchenka mikrofalowa. Mikrofale są w tym przypadku wdzięcznym narzędziem, bo

pozwalają podgrzewać próbki od razu w całej objętości. Naukowcy zauważyli, że

zwiększenie temperatury substytutu regolitu z -150oC do -50oC skutkuje wyraźnym

uwalnianiem pary wodnej: w ciągu zaledwie dwóch minut udało się odzyskać 95% lodu

wodnego użytego do przygotowania substytutu regolitu. Mikrofalówka o mocy 1 kW byłaby

w stanie w minutę wyprodukować nawet dwa gramy lodu wodnego. Na dodatek mikrofale o

niskich częstotliwościach potrafią penetrować księżycowy grunt do głębokości

przekraczającej metr. Byłoby więc możliwe wydobywanie wody z gruntu bez naruszania

struktury powierzchni Księżyca. Jak widać, ekologii łatwiej dotrzeć na Księżyc niż ludziom.

Kolonizacja Księżyca to temat, który ładnie sprzedaje się w mediach. Realistom trudno

jednak przypuszczać, aby nasz księżycowy przyczółek z prawdziwego zdarzenia – stała baza

z ciągłą obsadą, prowadzącą badania naukowe i realizującą zlecenia dla przemysłu – zaczął

funkcjonować wcześniej niż w połowie wieku. Na szczęście księżycowa woda nie będzie się

marnowała do tego czasu. Znajdzie inne zastosowanie: naukowe. Jest przecież materiałem

pochodzącym z wczesnego okresu formowania się Układu Słonecznego. Analizując jej skład,

ilość i rozmieszczenie, a następnie konstruując modele teoretyczne i przeprowadzając

symulacje komputerowe, można wyciągać wnioski dotyczące intensywności zderzeń komet z

dużymi obiektami Układu Słonecznego, badać efektywność kometarnego transportu wody na

powierzchnie planet, analizować zjawiska fotodysocjacji i oddziaływania cząsteczek wody z

wiatrem słonecznym. Raptem okazuje się, że dzięki Księżycowi możemy się wiele

dowiedzieć o historii ziemskich oceanów.

Srebrny Glob przestał być suchy, definitywnie. Minie jednak jeszcze wiele lat, zanim

pierwszy człowiek skosztuje księżycowej wody. Na szczęście nasza nauka potrafi skorzystać

z niej już teraz.

Rozkład wody na powierzchni Księżyca (indyjska sonda Chandrayaan-1).

Fot. ISRO/NASA/JPL-Caltech/USGS/Brown Univ.

Jarosław Chrostowski

2009-11-17

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: