nachricht

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quelle: pixabay

wassereis, hydroxylgruppen, wassermoleküle, während sonden und lander nacheinander am mond vorbeiflogen, arbeiteten wissenschaftler unermüdlich daran, den mond nach und nach „trocken und wasserlos“ zu machen uns die andere seite davon.

wann kam die wende? ist es der flüchtige blick von clementine über dem südpol des mondes, oder ist es die verbesserung der präzision und empfindlichkeit der modernen ionensondentechnologie, ist es die präzise positionierung von wassermolekülen in den hohen breitengraden des mondes durch das breitere spektrumsspektrometer von sofia, oder ist es die … frische von chang'e 5? probenrückgabe?

artikel verfasst von lin honglei, assoziierter forscher, institut für geologie und geophysik, chinesische akademie der wissenschaften

yao außerordentlicher professor, universität hongkong

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die höhen und tiefen der suche des mondes nach wasser

1994 stürmte die us-raumsonde „clementine“ zum mond. dies war die erste spezielle monderkundungsmission der vereinigten staaten seit 21 jahren nach der ära der „apollo“-mondlandung.

anders als bei früheren apollo-missionen zur probenrückführung umkreist es dieses mal den mond für eine detaillierte globale untersuchung. es verfügt über ein radarbeobachtungssystem, das in zusammenarbeit mit deep space network-empfängern auf der erde nach hinweisen auf wasser an den mondpolen suchen soll.

im jahr 1996 gab das us-verteidigungsministerium bekannt, dass daten der clementine-mission wassereisablagerungen am boden eines kraters in einem dauerhaft schattigen bereich am südpol des mondes zeigten (nozette et al., 1996, science the). das volumen dieser lagerstätte betrug etwa 6 zehntausend bis 120.000 kubikmeter, was einem kleinen see mit einer fläche von vier fußballfeldern und einer tiefe von 5 metern entspricht. diese entdeckung hat die erforschung des mondwassers wieder in den fokus der menschen gerückt.

warum sagst du „re“? tatsächlich waren die menschen schon immer voller endloser träumereien darüber, ob es auf dem mond wasser gibt. seit galilei im jahr 1609 das teleskop erfand, das den mond klarer beobachten kann als das menschliche auge, haben astronomen herausgefunden, dass es auf der mondoberfläche hauptsächlich zwei unterschiedliche bereiche gibt, weiße und schwarze. sie glauben, dass die schwarzen bereiche auf dem mond möglicherweise von flüssigem wasser bedeckt sind, und verwenden daher wörter wie „meer“, „ozean“, „strom“ und „bucht“, um die form des wassersystems zu beschreiben und die schwarzen bereiche zu benennen auf dem mond (wei yong et al., 2024, china proceedings of the academy of sciences). mitte des 20. jahrhunderts zeigten wissenschaftler mithilfe numerischer simulationen, dass wasserdampf auf geologischen zeitskalen in permanenten schatten eingeschlossen sein könnte. die amerikanischen „apollo“- und sowjetischen „mond“-missionen sammelten von 1969 bis 1976 zahlreiche proben vom mond und brachten sie zur erde zurück. damit hatten die menschen endlich die möglichkeit, den wassergehalt in mondproben direkt zu messen. leider zeigen die analyseergebnisse, dass der mondboden sehr trocken ist und die gemessenen spurenmengen an wasser eine verschmutzung durch die erdatmosphäre nicht ausschließen können. gleichzeitig waren die instrumente, die astronauten auf der mondoberfläche zurückließen, um die atmosphäre zu erkennen, nicht in der lage, wasser zu erkennen, was zu belegen schien, dass „der mond trocken ist“. dies führte auch zur entstehung der mondkollisionstheorie.

die radarerkennungsergebnisse der raumsonde „clementine“ haben zweifellos ein positives signal ausgelöst! beobachtungen mit dem bodengestützten radioteleskop arecibo haben jedoch darüber hinaus gezeigt, dass es auch in gebieten ohne permanente schatten (die wassereis nicht bewahren kann) ähnliche radarsignaturen gibt, möglicherweise aufgrund anderer faktoren wie der oberflächenrauheit (stacy et al. al., 1997, wissenschaft). die frage, ob es in den polarregionen des mondes wassereis gibt, ist wieder einmal rätselhaft.

wasser besteht aus wasserstoff und sauerstoff. die messung des wasserstoffgehalts des mondes könnte eine möglichkeit sein, wasser nachzuweisen. daher war der lunar prospector 1998 mit einem neutronenspektrometer ausgestattet, um die verteilung des mondwasserstoffs zu messen, und stellte große wasserstoffanreicherungen an den polen fest (feldman et al., 1998, science). gibt es wieder wasser auf dem mond? die debatte darüber, ob der mond wasser hatte, dauerte bis 2008.

2008 war ein äußerst ungewöhnliches jahr für die suche nach wasser auf dem mond. in diesem jahr gab es zwei große ereignisse. das erste ist, dass indiens raumsonde „chandrayaan-1“ den amerikanischen „lunar mineralogy mapper“ in die mondumlaufbahn beförderte, das erste spektrometer, das mond-hydroxyl-/wassermoleküle direkt messen kann.

bald darauf entdeckte das team von professor carle pieters von der brown university, der für dieses spektrometer verantwortlich war, in den daten offensichtliche signale von hydroxyl-/wassermolekülen, insbesondere in den mittleren und hohen breiten des mondes. das machte das team von professor carle pieters sehr aufgeregt, aber auch sehr überrascht: wie konnte es ein so starkes wassersignal geben? stimmt etwas mit der gerätekalibrierung nicht? sie verbrachten mehrere monate damit, die daten zu untersuchen und kamen zu dem schluss, dass die signale gültig waren (pieters et al., 2009, science).

um weiter sicherzustellen, dass tatsächlich wasser entdeckt wurde, bat das team die deep impact-sonde, die auf dem weg zum kometen war, zurückzukehren und spektralmessungen auf dem mond durchzuführen (sunshine et al., 2009, science), und grub die cassie-mission zum saturn aus. die spektralen beobachtungsdaten der ni-raumsonde während ihres vorbeiflugs am mond im jahr 1999 wurden erneut analysiert (clark, 2009, science), was kreuzweise bestätigte, dass das signal des mondwassers real ist.

gleichzeitig gab es vor ort einen neuen großen durchbruch, und das ist das zweite.

das team von professor alberto saal, ebenfalls von der brown university, verwendete drei jahre lang die ionensondentechnologie (sims), um das vulkanglas (ein produkt von vulkanausbrüchen) im apollo-mondboden erneut zu analysieren, und fand bis zu 50 ppm wasser. saal et al., 2008, nature) stellt die traditionelle ansicht, dass „der mond wasserlos ist“, mit schlüssigen beweisen in frage. die ionensondentechnologie ist seit den 1950er jahren auf dem vormarsch. dabei werden hochenergetische ionenstrahlen verwendet, um die oberfläche der probe zu bombardieren, um wasserstoffionen freizusetzen und anschließend messungen durchzuführen.

diese technologie wurde auch bei der analyse früher mondböden eingesetzt, allerdings sind die räumliche auflösung und empfindlichkeit relativ gering. durch verbesserungen in der ionenquellen- und detektortechnologie ist die moderne sims-technologie in der lage, wassergehalte von nur 5 ppm (fünf teile pro million) zu erkennen. technologische fortschritte haben es möglich gemacht, wasser im mondboden genau zu messen.alberto saal erforscht hauptsächlich die innere zusammensetzung der erde, nachdem er an die brown university gekommen war, und begann, seine forschungen auf den mond und die planeten auszudehnen, als er vorschlug, das thema zu untersuchen, „ob sich im mond wasser befindet“. ihm zufolge ist es unwahrscheinlich, dass in der probe neue informationen aus dem bestehenden mond entdeckt werden. aber er gab nicht auf und erreichte mit der unterstützung moderner spitzentechnologie schließlich großen erfolg. er führte diesen erfolg auf seine mangelnde erfahrung auf dem gebiet der planetenwissenschaft und seine unbeeinflusstheit durch festes denken zurück.

im jahr 2009 führte die lunar crater observation and sensing satellite mission (lcross) der vereinigten staaten ein einschlagexperiment in den polarregionen des mondes durch, und die beobachtung und analyse der einschlagspritzer bestätigte die existenz von wasser (colaprete et al., 2010, science ).seitdem besteht allgemeiner konsens darüber, dass der mond wasser enthält.

laborprobenanalysen und fernerkundungsbeobachtungen haben den beweis erbracht, dass der mond wasser hat, aber es fehlt ein glied in der beweiskette: feldmessungen der mondoberfläche.chinas sonde chang'e 5 landete am 1. dezember 2020 erfolgreich in den mittleren breiten des mondes. dies ist die zweite rückholmission für menschen nach 1976 und sie war mit einem mondmineral-spektrumanalysator ausgestattet, um während des probenahmevorgangs daten zu erhalten. das spektrum der mondoberfläche ist genau so, als wären wir im „feld“ auf dem mond gewesen. zum ersten mal haben wir das signal von wasser auf der mondoberfläche aus so kurzer entfernung und mit hoher auflösung entdeckt (lin, li , xu et al., 2022, science advances; liu et al., 2022, nature communications) liefert einen weiteren stichhaltigen beweis dafür, dass wasser auf dem mond weit verbreitet ist.

nachdem die chang'e-5-proben zur erde zurückgekehrt waren, lösten sie bei wissenschaftlichen forschern große forschungsbegeisterung aus, insbesondere bei der erforschung des wassers im mondboden. denn im vergleich zu früheren mondprobenmissionen (z. b. dem amerikanischen „apollo“ und dem sowjetischen „mond“) stammt der mondboden von chang'e 5 aus einem höheren breitengrad und ist jünger. er unterscheidet sich völlig von den vorhandenen mondbodenproben menschheit. sehr wertvoll. bisher hat die national space administration sieben chargen mit 85,48 gramm wissenschaftlicher forschungsproben an 131 inländische forschungsteams verteilt. im durchschnitt hat jedes team nur einige hundert milligramm proben erhalten. anhand einer so kleinen probenmenge verwendeten forscher nanoionensondentechnologie und infrarotspektroskopietechnologie, um einen höheren wassergehalt im mondboden zu finden (xu, tian et al., 2022, pnas; zhou et al., 2022, nature). kommunikation).

wo wird das wasser hauptsächlich gespeichert? nachdem sie viele möglichkeiten ausgeschlossen hatten, richteten die forscher ihre aufmerksamkeit auf die einschlagenden glasperlen im chang'e-5-mondboden.dabei handelt es sich um eine art von probe, die bisher wenig beachtung gefunden hat, da diese art von probe „normalen ursprungs“ ist und das produkt der monderde ist, die durch meteoriten geschmolzen wird. dieser prozess geht mit einer gemischten umwandlung des ursprünglichen gesteins einher, wodurch es nicht mehr in der lage ist, die informationen im inneren des mondes wie „vulkanisches glas“ zu reflektieren, weshalb sich in der anfangszeit nur wenige menschen dafür interessierten.aber impaktglas kommt im mondboden recht häufig vor. dank der ultrahohen räumlichen auflösung der nanoionensonden-analysetechnologie haben forscher den genauen wassergehalt der chang'e-5-mondbodeneinschlagsglasperle ermittelt und damit bestätigt, dass die einschlagsglasperle ein wichtiges reservoir für mondwasser ist hat die fähigkeit, die kapazität und das potenzial der oberflächenwasserzirkulation aufrechtzuerhalten (he et al., 2023, nature geoscience). mit der vertiefung des verständnisses des mondwassers ist die untersuchung des mondwasserkreislaufs allmählich zu einem schwerpunkt geworden.

was ist das für ein mondwasser, von dem wir reden?

wenn es um wasser geht, denkt man als erstes: kann man es trinken? wenn wir sagen, dass es wasser auf dem mond gibt, beziehen wir uns nicht auf ozeane und seen, sondern auf wassermoleküle und hydroxylgruppen (oh), die in der partikelstruktur des mondbodens existieren, oder auf wassereis, das in den permanenten schattenbereichen existiert der polarregionen. unter ihnen bezieht sich wassereis auf ein festes material, das aus vielen wassermolekülen besteht, normalerweise in einer hexagonalen kristallform, während hydroxyl-/wassermoleküle normalerweise mit mineralien auf dem mond verbunden sind und in der mineralstruktur vorhanden sind.

die labor-ionensondentechnik misst den wasserstoffgehalt und rechnet ihn anschließend in den wassergehalt um, unabhängig davon, ob das wasser in form von hydroxylgruppen, wassermolekülen oder wasserstoff vorliegt. auch die spektrometer von „chandrayaan-1“ und „chang’e-5“ können aufgrund ihres schmalen wellenlängenbereichs nicht zwischen hydroxyl- und wassermolekülen unterscheiden.

im jahr 2011 kombinierten forscher ionensonden- und fourier-transformations-infrarotspektroskopie-technologie, um hydroxylwasser im apollo-mondboden direkt zu messen (liu et al., 2011, nature geoscience). im jahr 2020 nutzte das stratosphären-observatorium für infrarot-astronomie (sofia) in den vereinigten staaten ein spektrometer mit breiterem spektrum, um molekulares wasser nachzuweisen, das relativ stabil außerhalb der permanenten schattenzone existieren kann, und bestätigte damit erstmals die existenz von molekularem wasser auf der mondoberfläche (honniball et al., 2021, nature astronomy) diese blockbuster-nachricht hat die hoffnungen der menschen auf die nutzung der mondwasserressourcen geweckt, da molekulares wasser einfacher zu nutzen ist als hydroxylgruppen. allerdings wurden in mondbodenproben keine eindeutigen beweise für das vorhandensein von molekularem wasser gefunden. untersuchungen an chang'e-5-proben ergaben, dass das einschlagglas einen höheren wassergehalt enthielt (he et al., 2023, nature geoscience). wird also die wahrscheinlichkeit größer sein, dass molekulares wasser im einschlagglas vorhanden ist? mit dieser frage im hinterkopf führten die forscher detaillierte messungen an 12 einschlagglasperlen der chang'e-5-probe durch und entdeckten das signal von molekularem wasser. sie fanden heraus, dass 20–35 % des wassers im einschlagglas molekulares wasser war (zhou, mo et al., 2024, science advances).

woher kommt das wasser des mondes? diese frage lässt sich hauptsächlich anhand von wasserstoffisotopen beantworten.wasserstoff besteht hauptsächlich aus den stabilen isotopen protium (h) und deuterium (d), deren masse in der reihenfolge zunimmt. durch die messung des deuterium/protium-verhältnisses (d/h) in einer probe und den vergleich mit möglichen zielquellen kann festgestellt werden, woher das wasser kommt.wenn der d/h-wert niedrig ist, ähnlich dem der sonne, bedeutet dies, dass der sonnenwind wasser zum mond gebracht hat; wenn der d/h-wert hoch ist, ähnlich dem eines kometen, bedeutet dies, dass der wasser kann durch den einschlag eines kometen zum mond gebracht worden sein. der /h-wert liegt nahe an der erde. wenn der einfluss der erde ausgeschlossen ist, handelt es sich um das wasser des mondes selbst da der wert zwischen erde und kometen liegt, kann er von einem wasserführenden asteroiden zum mond gebracht werden.natürlich ist das gemessene d/h-verhältnis manchmal das ergebnis einer mischung mehrerer quellen. in diesem fall ist es notwendig, andere isotope wie kohlenstoff, stickstoff usw. zu kombinieren, um die quelle des wassers weiter zu bestimmen. durch wasserstoffisotopenmessungen von mondbodenpartikeln wurden hinweise darauf gefunden, dass wasser aus mehreren quellen stammt, beispielsweise aus dem mondinneren, sonnenwindinjektionen und asteroiden-/kometeneinschlägen (saal et al., 2008, nature; greenwood et al., 2011). , nature geoscience; liu et al., 2011, nature geoscience; barnes et al., 2016, nature communications), diese quellen wurden sogar gleichzeitig im einschlagglas der chang'e-5-probe gefunden (he et al., 2023). , nature geoscience; zhou, mo et al., 2024, science advances), wodurch die komplexität der mondwasserquellenproblematik zunimmt.

um die hauptwasserquelle mit größerer statistischer signifikanz zu bestimmen, führten die forscher eine granulare spektralanalyse an einer großen anzahl von proben von chang'e-5 durch und lieferten den beweis, dass sonnenwind die hauptquelle für mondbodenwasser ist (lin et al. , science bulletin, 2024). die anhand von fernerkundungsspektren ermittelten wechselnden muster des wassergehalts auf der mondoberfläche deuten auch auf unterschiedliche wasserquellen hin. der wassergehalt auf der mondoberfläche unterliegt tageszeitlichen schwankungen, ist morgens und abends höher und mittags niedriger, was auf die sonnenwindquelle des wassers hinweist, da nur der sonnenwind das durch die hohen temperaturen am mittag verlorene wasser schnell wieder auffüllen kann (li & milliken, 2017, science advances; wöhler et al., 2017, science advances); klima et al., 2013, nature geoscience; milliken & li, 2017, nature geoscience). polares wassereis kann auch durch die durch den sonnenwind verursachte diffusion und migration von wasser entstehen und schließlich im permanenten schattenbereich der polarregionen des mondes kondensieren und sich bilden (pieters et al., 2009, science analysis of). lcross-elementardaten deuten darauf hin, dass kometeneinschläge ebenfalls eine vernünftige quelle sind (mandt et al., 2022, nature communications).

da der mond fast ein drittel jedes monats in der magnetosphäre der erde verbringt, kann der beitrag des erdwinds zum mondwasser natürlich nicht ausgeschlossen werden (wei et al., 2020, geophysical research letters; wang et al., 2021). , astrophysical journal letters; li et al., 2023, nature astronomy).die frage nach der quelle des mondwassers ist äußerst komplex und erfordert proben aus mehr gebieten, mehr beobachtungen und tiefergehende analysen, um weitere erkenntnisse zu gewinnen.es ist erwähnenswert, dass der sonnenwind und der erdwind nicht nur die quelle des mondwassers sind, sondern auch die weltraumstrahlungsumgebung, der wir uns bei der untersuchung ihrer strahlung direkt stellen müssen, wenn wir bemannte und unbemannte erkundungsmissionen zum mond durchführen eigenschaften und veränderungsmechanismen sind der schlüssel zu mondmissionen und verdienen auch besondere aufmerksamkeit.

wie viel wasser verfügbar ist und ob es genutzt werden kann, sind fragen, die den menschen bei der errichtung einer mondbasis und dem aufenthalt dort für längere zeit am meisten am herzen liegen. dieses problem kann aus zwei aspekten betrachtet werden, basierend auf der existenz von wasser auf dem mond. die erste ist die polarregion, die aufgrund ihrer niedrigen temperatur theoretisch einen höheren wassergehalt als andere regionen speichert, und zwar in form von schmutzigem eis (gemischt mit mondboden) in der dauerhaft beschatteten region. die lcross-mission analysierte die durch den einschlag erzeugte wolke, indem sie den permanenten schattenbereich des mondsüdpols traf, und stellte fest, dass die einschlagstelle etwa 5,6 gew.-% wassereis enthielt (colaprete et al., 2010, science). auch die infrarotspektrum-detektion erzielte ähnliche ergebnisse und stellte fest, dass in einigen gebieten, in denen das wassereissignal relativ rein ist, der wassereisgehalt sogar 30 gew.-% erreichen kann (li et al., 2018, pnas). wassereis in den polarregionen ist derzeit die mondressource mit dem größten potenzial und steht derzeit im mittelpunkt der erkundung auf der ganzen welt. forscher haben wärmeabbau, wärmebohrungen und andere ideen zur gewinnung von wassereis vorgeschlagen.aufgrund der komplexität der umgebungen wie niedrige temperaturen, geringe schwerkraft und kein licht ist es jedoch noch ein langer weg, dieses ziel zu erreichen. nach dem abbau müssen auch aspekte wie trennung, reinigung und lagerung berücksichtigt werden.

andererseits gibt es im mondboden wasser, dessen wassergehalt nur mehrere zehn bis hunderte von ppm beträgt (in einer tonne mondboden sind mehrere zehn bis hunderte gramm wasser enthalten). ist schlimmer als das in der wüste. am beispiel des chang'e-5-probenahmegebiets enthält eine tonne mondboden bis zu 120 gramm wasser (lin, li, xu et al., 2022, science advances), aber das hängt auch mit dem breitengrad zusammen und kann in höheren breiten sogar höhere werte erreichen (li & milliken, 2017, science advances). das wasser im mondboden stammt hauptsächlich aus sonnenwindinjektionen. da die spezifische oberfläche feinkörniger mondböden größer ist, ist der wassergehalt höher als bei groben partikeln.granulatsiebung könnte eine möglichkeit sein, mondbodenwasser in mittleren bis niedrigen breiten zu nutzen.aus 1000 kubikmetern feinkörnigem mondboden (weniger als 45 mikrometer) können 108 kilogramm wasser gewonnen werden. wenn es noch feiner gesiebt werden kann, können aus 1000 kubikmeter mondboden, der kleiner als 10 mikrometer ist, 840 kilogramm wasser gewonnen werden (lin et al., science bulletin, 2024). darüber hinaus speichern die pyroklastischen bereiche des mondes eine große menge wasser, die bis zu 500 ppm erreichen kann (milliken & li, 2017, nature geoscience). die gewinnung dieses wassers aus dem mondboden erfordert jedoch höhere heiztemperaturen, und es ist eine herausforderung, das maximale input-output-verhältnis effizient zu erreichen.

obwohl es viele schwierigkeiten bei der nutzung von mondwasser gibt, wurde bereits mit der entwicklung entsprechender prinzipieller prototypen begonnen. man geht davon aus, dass astronauten in naher zukunft mondwasser trinken und sogar raketentreibstoff herstellen können aus mondwasser.

wohin gehen?

wasser ist die quelle des lebens und seine bedeutung liegt auf der hand. auch bei der entwicklung des mondes spielte wasser eine ganz entscheidende rolle. die neue runde der monderkundung hat sich von der rein wissenschaftlichen erkundung hin zu einer gleichwertigen aufmerksamkeit für wissenschaftliche forschung und anwendung verlagert und zukunftspläne wie „monddörfer“ und „wissenschaftliche mondforschungsstationen“ vorgeschlagen mehr beachtung gefunden. mondwasser wird eine wichtige rolle bei der zukünftigen weltraumforschung spielen und eine wichtige grundlage für die reise der menschlichen zivilisation ins all legen.es gibt immer noch kontroversen über die räumlich-zeitliche verteilung des mondwassers. der schwerpunkt zukünftiger forschung liegt auf der bestimmung des wassergehalts und der verteilung auf dem mond mit hoher präzision und hoher auflösung.

sowohl „chang'e-7“ als auch „chang'e-8“ meines landes werden detaillierte erkundungen am mondsüdpol durchführen, insbesondere die entdeckung von wasserressourcen in den polarregionen, die den grundrahmen einer internationalen mondforschung darstellen es wird eine forschungsstation gebaut. auch die bemannte monderkundung steht auf der tagesordnung. das „artemis-projekt“ der vereinigten staaten wird nach der „apollo“-mission erneut eine bemannte landung auf dem mond erreichen, am südpol des mondes untersuchungen durchführen, experimente durchführen und proben sammeln sowie eine basis zur unterstützung langfristiger menschlicher aktivitäten auf dem mond errichten mondoberfläche. die vereinigten staaten planen außerdem den start einer kleinen erkundungsmission „lunar pioneer“, um durch orbitale erkennung gezielt die wasserverteilung auf dem mond zu untersuchen. darüber hinaus betrachten auch europa, japan, indien, südkorea und andere länder die erkennung von mondwasser als wichtigen inhalt. um mondwasser nutzen zu können, müssen wir zunächst das mondwasser besser verstehen, was präzisere beobachtungsdaten erfordert. der mond hat den vorteil, dass er keine atmosphäre und eine umlaufbahn hat, die für eine enge annäherung und einen kontinuierlichen betrieb geeignet ist.forscher haben einen plan für eine konstellation „mondnaher umlaufbahnen“ vorgeschlagen, um kontinuierliche hochauflösende messungen von mondumlaufbahnen (unter 30 kilometern) zu erreichen, die uns helfen werden, beispiellos genaue informationen über mondwasser zu erhalten (wei yong et al., 2024, tagungsband der chinesischen akademie der wissenschaften).