berita

한어Русский языкEnglishFrançaisIndonesianSanskrit日本語DeutschPortuguêsΕλληνικάespañolItalianoSuomalainenLatina

sumber: pixabay

es air, gugus hidroksil, molekul air. selama tiga puluh tahun terakhir, saat wahana dan pendarat melewati bulan satu demi satu, data dan bahan mentah terus dikirim kembali. para ilmuwan bekerja tanpa lelah, dan bulan yang "kering dan tanpa air" secara bertahap terlihat kami sisi lain dari itu.

kapan keadaan berbalik? apakah ini karena penampakan clementine di kutub selatan bulan, atau karena peningkatan presisi dan sensitivitas teknologi penyelidikan ion modern, apakah ini karena spektrometer spektrum luas sofia yang memposisikan molekul air secara tepat di garis lintang tinggi bulan, atau justru karena kesegaran chang'e 5? pengembalian sampel?

artikel ditulis oleh lin honglei, peneliti asosiasi, institut geologi dan geofisika, akademi ilmu pengetahuan tiongkok

profesor madya yao, universitas hong kong

● 　● 　●

naik turunnya bulan mencari air

pada tahun 1994, pesawat ruang angkasa as "clementine" bergegas ke bulan. ini adalah misi eksplorasi bulan khusus pertama amerika serikat dalam 21 tahun setelah era pendaratan di bulan "apollo".

berbeda dengan misi pengembalian sampel apollo sebelumnya, kali ini misinya mengorbit bulan untuk survei global mendetail. ia membawa sistem observasi radar yang dirancang untuk mencari bukti adanya air di kutub bulan dengan bekerja sama dengan penerima deep space network di bumi.

pada tahun 1996, departemen pertahanan as mengumumkan bahwa data dari misi clementine menunjukkan endapan es air di dasar kawah di area yang dibayangi secara permanen di kutub selatan bulan (nozette, et al., 1996, science). volume endapan ini sekitar 6 sepuluh ribu hingga 120.000 meter kubik, setara dengan danau kecil seluas empat lapangan sepak bola dan kedalaman 5 meter. penemuan ini telah membawa studi tentang air bulan kembali menjadi perhatian masyarakat.

mengapa anda mengatakan "kembali"? faktanya, umat manusia selalu diliputi lamunan yang tak ada habisnya tentang apakah ada air di bulan. sejak galileo menemukan teleskop pada tahun 1609, yang dapat mengamati bulan lebih jelas daripada mata manusia, para astronom telah menemukan bahwa terdapat dua area berbeda di permukaan bulan, putih dan hitam. mereka percaya bahwa area hitam di bulan mungkin tertutup oleh air cair, sehingga mereka menggunakan kata-kata seperti "laut", "samudera", "aliran", dan "teluk" untuk menggambarkan bentuk sistem perairan untuk menamai area hitam tersebut. di bulan (wei yong et al., 2024, china proceedings of the academy of sciences). pada pertengahan abad ke-20, para ilmuwan menggunakan simulasi numerik untuk menunjukkan bahwa uap air dapat terperangkap dalam bayangan permanen pada skala waktu geologis. misi "apollo" amerika dan "bulan" soviet dari tahun 1969 hingga 1976 mengumpulkan sejumlah besar sampel dari bulan dan mengembalikannya ke bumi, yang akhirnya memberikan kesempatan kepada manusia untuk mengukur secara langsung kandungan air dalam sampel bulan. sayangnya, hasil analisis menunjukkan bahwa tanah di bulan sangat kering, dan jumlah air yang terukur tidak dapat mengesampingkan polusi dari atmosfer bumi. pada saat yang sama, instrumen yang ditinggalkan astronot di permukaan bulan untuk mendeteksi atmosfer tidak mampu mendeteksi air, sehingga seolah-olah menjadikan "bulan kering" sebagai fakta. hal ini pula yang melahirkan terbentuknya teori tabrakan bulan.

hasil deteksi radar pesawat luar angkasa "clementine" tidak diragukan lagi mengeluarkan sinyal positif! namun, pengamatan dari teleskop radio arecibo menunjukkan lebih lanjut bahwa bahkan di daerah tanpa bayangan permanen (yang tidak dapat dipertahankan oleh es air), terdapat tanda radar serupa, mungkin karena faktor lain seperti kekasaran permukaan (stacy, et al. al., 1997, sains). pertanyaan apakah terdapat air es di wilayah kutub bulan sekali lagi diselimuti misteri.

air terdiri dari hidrogen dan oksigen. mengukur kandungan hidrogen di bulan mungkin merupakan salah satu cara untuk mendeteksi air. oleh karena itu, pada tahun 1998 lunar prospector membawa spektrometer neutron untuk mengukur distribusi hidrogen bulan dan melihat pengayaan hidrogen dalam jumlah besar di kutub (feldman et al., 1998, science). apakah ada air di bulan lagi? perdebatan mengenai apakah bulan memiliki air terus berlanjut hingga tahun 2008.

tahun 2008 adalah tahun yang sangat tidak biasa untuk pencarian air di bulan. ada dua peristiwa besar di tahun ini. hal pertama adalah pesawat ruang angkasa "chandrayaan-1" india membawa "lunar mineralogy mapper" amerika ke orbit bulan, yang merupakan spektrometer pertama yang dapat secara langsung mengukur molekul hidroksil/air bulan.

tak lama kemudian, tim profesor carle pieters dari brown university, yang bertanggung jawab atas spektrometer ini, menemukan sinyal jelas molekul hidroksil/air dalam data, terutama di garis lintang tengah dan tinggi bulan. hal ini membuat tim profesor carle pieters sangat bersemangat, tapi juga sangat terkejut: bagaimana bisa ada sinyal air yang begitu kuat? apakah ada yang salah dengan kalibrasi instrumen? mereka menghabiskan beberapa bulan untuk memeriksa data dan menyimpulkan bahwa sinyal tersebut valid (pieters et al., 2009, science).

untuk lebih memastikan bahwa air memang terdeteksi, tim meminta wahana deep impact, yang sedang menuju komet, untuk kembali dan melakukan pengukuran spektral di bulan (sunshine et al., 2009, science), dan menggali misi cassie ke saturnus. data observasi spektral pesawat ruang angkasa ni selama terbang melintasi bulan pada tahun 1999 dianalisis ulang (clark, 2009, science), yang mengkonfirmasi silang bahwa sinyal air bulan adalah nyata.

pada saat yang sama, telah terjadi terobosan besar baru di lapangan, dan ini adalah hal kedua.

tim profesor alberto saal, juga dari brown university, menghabiskan tiga tahun menggunakan teknologi penyelidikan ion (sims) untuk menganalisis ulang kaca vulkanik (produk letusan gunung berapi) di tanah bulan apollo, dan menemukan hingga 50 ppm air. saal et al., 2008, nature), menantang pandangan tradisional bahwa "bulan tidak memiliki air" dengan bukti yang meyakinkan. teknologi penyelidikan ion telah muncul sejak tahun 1950-an. teknologi ini menggunakan berkas ion berenergi tinggi untuk membombardir permukaan sampel untuk melepaskan ion hidrogen, dan kemudian melakukan pengukuran.

teknologi ini juga telah digunakan dalam analisis tanah bulan awal, namun resolusi spasial dan sensitivitasnya relatif rendah. dengan peningkatan pada sumber ion dan teknologi detektor, teknologi sims modern mampu mendeteksi kandungan air serendah 5 ppm (lima bagian per juta). kemajuan teknologi memungkinkan pengukuran air di tanah bulan secara akurat.alberto saal terutama mempelajari komposisi internal bumi. setelah datang ke brown university, ia mulai memperluas penelitiannya ke bulan dan planet-planet, ketika ia mengusulkan untuk mempelajari topik "apakah ada air di dalam bulan", rekan-rekannya memperingatkan dia mengatakan bahwa dari bulan yang ada, kecil kemungkinan informasi baru akan ditemukan dalam sampel. namun ia tidak menyerah. dengan dukungan teknologi canggih modern, ia akhirnya mencapai kesuksesan besar. ia menghubungkan kesuksesan tersebut dengan kurangnya pengalamannya di bidang ilmu keplanetan dan tidak terpengaruh oleh pemikiran yang kaku.

pada tahun 2009, misi satelit pengamatan dan penginderaan kawah bulan (lcross) amerika serikat melakukan eksperimen dampak di wilayah kutub bulan, dan observasi serta analisis percikan dampak mengkonfirmasi keberadaan air (colaprete et al., 2010, science ).sejak saat itu, sudah menjadi konsensus umum bahwa bulan mengandung air.

analisis sampel laboratorium dan observasi penginderaan jauh telah memberikan bukti bahwa bulan memiliki air, namun ada mata rantai yang hilang dalam rantai bukti tersebut: pengukuran lapangan pada permukaan bulan.pesawat luar angkasa chang'e 5 milik tiongkok berhasil mendarat di pertengahan garis lintang bulan pada 1 desember 2020. ini adalah misi pengembalian pengambilan sampel manusia yang kedua setelah tahun 1976, dan membawa penganalisis spektrum mineral bulan untuk memperoleh data selama proses pengambilan sampel. spektrum permukaan bulan sama seperti kita berada di "lapangan" di bulan. untuk pertama kalinya, kami mendeteksi sinyal air di permukaan bulan pada jarak yang begitu dekat dan dengan resolusi tinggi (lin, li). , xu et al., 2022, science advances; liu et al., 2022, nature communications), memberikan bukti kuat lainnya bahwa air tersebar luas di bulan.

setelah sampel chang'e-5 kembali ke bumi, hal tersebut membangkitkan antusiasme penelitian yang besar di kalangan peneliti ilmiah, terutama studi tentang air di tanah bulan. karena dibandingkan dengan misi pengambilan sampel bulan sebelumnya (yaitu, "apollo" amerika dan "bulan" uni soviet), tanah bulan chang'e 5 berasal dari garis lintang yang lebih tinggi dan lebih muda umat manusia. sangat berharga. sejauh ini, badan antariksa nasional telah mendistribusikan 7 batch sampel penelitian ilmiah seberat 85,48 gram kepada 131 tim peneliti dalam negeri. rata-rata setiap tim hanya menerima beberapa ratus miligram sampel. dengan menggunakan sampel dalam jumlah kecil, para peneliti menggunakan teknologi probe nano-ion dan teknologi spektroskopi inframerah untuk menemukan kandungan air yang lebih tinggi di tanah bulan (xu, tian et al., 2022, pnas; zhou et al., 2022, nature komunikasi).

di mana sebagian besar air disimpan? setelah mengesampingkan banyak kemungkinan, para peneliti mengalihkan perhatian mereka pada dampak manik-manik kaca di tanah bulan chang'e-5.ini adalah jenis sampel yang kurang mendapat perhatian sebelumnya, karena sampel jenis ini memiliki "asal usul biasa" dan merupakan produk tanah bulan yang dicairkan oleh meteorit. proses ini disertai dengan transformasi campuran dari batuan aslinya, yang membuatnya tidak mampu memantulkan informasi di dalam bulan seperti "kaca vulkanik", sehingga hanya sedikit orang yang tertarik pada hal tersebut pada masa-masa awal.namun kaca tumbukan cukup melimpah di tanah bulan. berkat resolusi spasial yang sangat tinggi dari teknologi analisis probe nano-ion, para peneliti telah memperoleh kandungan air yang akurat dari manik kaca tumbukan tanah bulan chang'e-5, yang menegaskan bahwa manik kaca tumbukan tersebut merupakan reservoir penting air bulan dan memiliki kemampuan mempertahankan air bulan kapasitas dan potensi sirkulasi air permukaan (he et al., 2023, nature geoscience). dengan semakin dalamnya pemahaman tentang air bulan, kajian tentang siklus air bulan secara bertahap menjadi fokus.

apa air bulan yang sedang kita bicarakan?

kalau bicara soal air, hal pertama yang terlintas di benak orang adalah: apakah bisa diminum? ketika kita mengatakan ada air di bulan, yang kita maksud bukan lautan dan danau, tapi molekul air dan gugus hidroksil (oh) yang ada dalam struktur partikel tanah bulan, atau es air yang ada di daerah bayangan permanen. dari wilayah kutub. diantaranya, air es mengacu pada bahan padat yang terdiri dari banyak molekul air, biasanya dalam bentuk kristal heksagonal, sedangkan molekul hidroksil/air biasanya digabungkan dengan mineral di bulan dan terdapat dalam struktur mineral.

teknologi penyelidikan ion laboratorium mengukur kandungan hidrogen dan kemudian mengubahnya menjadi kandungan air, terlepas dari apakah air tersebut ada dalam bentuk gugus hidroksil, molekul air, atau hidrogen. spektrometer "chandrayaan-1" dan "chang'e-5" juga tidak dapat membedakan molekul hidroksil dan air karena rentang panjang gelombangnya yang sempit.

pada tahun 2011, para peneliti menggabungkan probe ion dan teknologi spektroskopi inframerah transformasi fourier untuk mengukur air hidroksil secara langsung di tanah bulan apollo (liu et al., 2011, nature geoscience). pada tahun 2020, observatorium stratosfer untuk astronomi inframerah (sofia) di amerika serikat menggunakan spektrometer spektrum yang lebih luas untuk mendeteksi molekul air yang relatif stabil di luar zona bayangan permanen, yang untuk pertama kalinya mengonfirmasi keberadaan molekul air di permukaan bulan. (honniball et al., 2021, nature astronomy), berita blockbuster ini telah menyulut harapan masyarakat terhadap pemanfaatan sumber daya air bulan, karena molekul air lebih mudah dimanfaatkan dibandingkan gugus hidroksil. namun, belum ada bukti jelas keberadaan molekul air yang ditemukan di sampel tanah bulan. penelitian pada sampel chang'e-5 menemukan bahwa kaca tumbukan mengandung kadar air yang lebih tinggi (he et al., 2023, nature geoscience). lalu apakah kemungkinan adanya molekul air di dalam kaca tumbukan akan lebih besar? dengan mengingat pertanyaan ini, para peneliti melakukan pengukuran rinci pada 12 butiran kaca tumbukan dari sampel chang'e-5 dan mendeteksi sinyal molekul air. mereka menemukan bahwa 20%-35% air dalam kaca tumbukan adalah air molekuler (zhou, mo dkk., 2024, kemajuan sains).

dari mana asal air bulan? pertanyaan ini sebagian besar dapat dijawab dengan mengandalkan isotop hidrogen.hidrogen terutama mencakup isotop stabil protium (h) dan deuterium (d), dan massanya bertambah secara berurutan. dengan mengukur rasio deuterium/protium (d/h) dalam sampel dan membandingkannya dengan sumber target yang memungkinkan, kita dapat menentukan dari mana air tersebut berasal.jika nilai d/h rendah seperti matahari berarti air dibawa ke bulan oleh angin matahari; jika nilai d/h tinggi seperti komet berarti air mungkin dibawa ke bulan karena tumbukan komet; jika d nilai /h dekat dengan bumi. jika pengaruh bumi dikecualikan, maka itu adalah air bulan itu sendiri; nilainya berada di antara bumi dan komet, ia mungkin dibawa ke bulan oleh asteroid yang mengandung air.tentu saja, terkadang rasio d/h yang diukur merupakan hasil campuran berbagai sumber. dalam hal ini, isotop lain perlu digabungkan, seperti karbon, nitrogen, dll., untuk menentukan lebih lanjut sumber air. melalui pengukuran isotop hidrogen pada partikel tanah bulan, ditemukan bukti bahwa air berasal dari berbagai sumber seperti interior bulan, injeksi angin matahari, dan dampak asteroid/komet (saal et al., 2008, nature; greenwood et al., 2011 , nature geoscience ; liu et al., 2011, nature geoscience; barnes et al., 2016, nature communications), sumber-sumber ini bahkan ditemukan secara bersamaan pada kaca tumbukan sampel chang'e-5 (he et al., 2023 , nature geoscience; zhou, mo et al., 2024, science advances), sehingga meningkatkan kompleksitas masalah sumber air di bulan.

untuk menentukan sumber utama air yang lebih signifikan secara statistik, para peneliti melakukan analisis spektral granular pada sejumlah besar sampel dari chang'e-5, memberikan bukti bahwa angin matahari adalah sumber utama air tanah di bulan (lin et al. , buletin ilmiah, 2024). perubahan pola kandungan air di permukaan bulan yang diperoleh berdasarkan spektrum penginderaan jauh juga menunjukkan adanya sumber air yang berbeda. kandungan air di permukaan bulan memiliki variasi diurnal, semakin tinggi pada pagi dan sore hari serta semakin rendah pada siang hari, hal ini menunjukkan adanya sumber air angin matahari, karena hanya angin matahari yang dapat dengan cepat mengisi kembali air yang hilang akibat suhu tinggi pada siang hari (li & milliken, 2017, science advances; wöhler et al., 2017 , science advances); terdapat beberapa wilayah yang kandungan airnya sangat tinggi, dan dikombinasikan dengan karakteristik topografi dan bentuk lahan, keberadaan air di dalam bulan telah ditentukan ( klima et al., 2013, geosains alam; milliken & li, 2017, geosains alam). es air di kutub juga dapat disebabkan oleh difusi dan migrasi air yang disebabkan oleh angin matahari, dan akhirnya mengembun dan terbentuk di daerah bayangan permanen di wilayah kutub bulan (pieters et al., 2009, science analysis of data unsur lcross menunjukkan bahwa dampak komet juga merupakan sumber yang masuk akal (mandt et al., 2022, nature communications).

tentu saja, karena bulan menghabiskan hampir sepertiga waktu setiap bulannya berada di magnetosfer bumi, kontribusi angin bumi terhadap air bulan tidak dapat dikesampingkan (wei et al., 2020, geophysical research letters; wang et al., 2021 , surat jurnal astrofisika; li et al., 2023, astronomi alam).permasalahan sumber air di bulan sangatlah kompleks dan memerlukan sampel dari lebih banyak area, lebih banyak observasi, dan analisis lebih mendalam untuk mendapatkan pemahaman lebih lanjut.perlu diperhatikan bahwa angin matahari dan angin bumi tidak hanya merupakan sumber air di bulan, tetapi juga lingkungan radiasi luar angkasa yang harus kita hadapi secara langsung saat melakukan misi eksplorasi berawak dan tak berawak ke bulan karakteristik dan mekanisme perubahan adalah kunci misi bulan. salah satu jaminan penting, juga patut mendapat perhatian khusus.

berapa banyak air yang tersedia dan apakah air tersebut dapat digunakan adalah masalah yang lebih diperhatikan manusia ketika membangun pangkalan di bulan dan tinggal di sana untuk waktu yang lama di masa depan. persoalan ini dapat dilihat dari dua aspek berdasarkan keberadaan air di bulan. pertama, wilayah kutub yang secara teoritis menyimpan kandungan air lebih tinggi dibandingkan wilayah lain karena suhunya yang rendah, berupa es kotor (bercampur dengan tanah bulan) di wilayah yang terkena bayangan permanen. misi lcross menganalisis bulu-bulu yang dihasilkan oleh tumbukan dengan menabrak area bayangan permanen kutub selatan bulan dan mendeteksi bahwa lokasi tumbukan mengandung sekitar 5,6% berat air es (colaprete et al., 2010, science). deteksi spektrum inframerah juga memperoleh hasil serupa, dan menemukan bahwa di beberapa daerah yang sinyal air esnya relatif murni, kandungan air esnya bahkan bisa mencapai 30% berat (li et al., 2018, pnas). air es di wilayah kutub saat ini merupakan sumber daya bulan dengan potensi terbesar, dan saat ini menjadi fokus eksplorasi di seluruh dunia. para peneliti telah mengusulkan penambangan pemanas, pengeboran pemanas, dan gagasan lain untuk mengekstraksi es air.namun, karena kompleksitas lingkungan seperti suhu rendah, gravitasi rendah, dan kurangnya cahaya, jalan yang harus ditempuh untuk mencapai tujuan ini masih panjang. setelah penambangan, isu-isu seperti pemisahan, pemurnian, dan penyimpanan juga harus dipertimbangkan.

sebaliknya, terdapat air di tanah bulan. air ini terdapat dalam struktur mineral. kandungan airnya hanya puluhan hingga ratusan ppm (ada puluhan hingga ratusan gram air dalam satu ton tanah bulan). lebih buruk dari itu di gurun. mengambil contoh area pengambilan sampel chang'e-5, satu ton tanah bulan mengandung hingga 120 gram air (lin, li, xu dkk., 2022, science advances), namun hal ini juga terkait dengan garis lintang, dan bahkan dapat mencapai lebih tinggi di lintang yang lebih tinggi 500-750 gram (li & milliken, 2017, science advances). air di tanah bulan sebagian besar berasal dari injeksi angin matahari. karena luas permukaan spesifik tanah bulan berbutir halus lebih besar, kandungan airnya akan lebih tinggi dibandingkan partikel kasar.penyaringan granular mungkin merupakan cara untuk mengeksploitasi air tanah di bulan pada garis lintang menengah hingga rendah.108 kilogram air dapat diekstraksi dari 1000 meter kubik tanah bulan yang berbutir halus (kurang dari 45 mikron). jika dapat diayak lebih halus lagi, 840 kilogram air dapat diekstraksi dari 1000 meter kubik tanah bulan yang lebih kecil dari 10 mikron. (lin dkk., buletin sains, 2024). selain itu, daerah piroklastik bulan menyimpan sejumlah besar air, yang bisa mencapai 500 ppm (milliken & li, 2017, nature geoscience). namun, mengekstraksi air ini dari tanah bulan memerlukan suhu pemanasan yang lebih tinggi, dan cara mendapatkan rasio input-output maksimum secara efisien merupakan sebuah tantangan.

meskipun terdapat banyak kesulitan dalam memanfaatkan air bulan, prototipe prinsip yang relevan telah mulai dikembangkan. dengan kemajuan teknologi, astronot diyakini akan dapat meminum air bulan dalam waktu dekat, dan bahkan bahan bakar roket pun dapat dibuat. dari air bulan.

ke mana harus pergi

air adalah sumber kehidupan dan pentingnya air sudah jelas. air juga memainkan peran yang sangat penting dalam evolusi bulan. babak baru eksplorasi bulan telah bergeser dari eksplorasi ilmiah murni menjadi memberikan perhatian yang sama pada penelitian dan penerapan ilmiah, dan telah mengusulkan rencana masa depan seperti "desa bulan" dan "stasiun penelitian ilmiah bulan". mendapat perhatian lebih. air bulan akan memainkan peran penting dalam eksplorasi ruang angkasa di masa depan dan menjadi landasan penting bagi peradaban manusia untuk pergi ke luar angkasa.masih terdapat kontroversi mengenai distribusi spatiotemporal air bulan. mendapatkan kandungan dan distribusi air dengan presisi tinggi dan resolusi tinggi di bulan adalah fokus eksplorasi di masa depan.

baik "chang'e-7" dan "chang'e-8" di negara saya akan melakukan eksplorasi mendetail di kutub selatan bulan, terutama deteksi sumber daya air di wilayah kutub sekitar tahun 2030, kerangka dasar ilmiah bulan internasional stasiun penelitian akan dibangun. eksplorasi bulan berawak juga telah dimasukkan dalam agenda. "proyek artemis" amerika serikat sekali lagi akan melakukan pendaratan berawak di bulan setelah misi "apollo", melakukan survei, eksperimen dan mengumpulkan sampel di kutub selatan bulan, dan membangun pangkalan untuk mendukung aktivitas manusia jangka panjang di kutub selatan bulan. permukaan bulan. amerika serikat juga berencana meluncurkan misi eksplorasi kecil "lunar pioneer" yang secara khusus mempelajari distribusi air di bulan melalui deteksi orbit. selain itu, eropa, jepang, india, korea selatan, dan negara lain juga menganggap deteksi air bulan sebagai konten penting. untuk memanfaatkan air bulan, pertama-tama kita perlu memahami air bulan dengan lebih jelas, sehingga memerlukan data pengamatan yang lebih tepat. keuntungan dari bulan adalah tidak adanya atmosfer dan orbit yang nyaman untuk jarak dekat dan pengoperasian berkelanjutan.para peneliti telah mengusulkan rencana "konstelasi orbit dekat bulan" untuk mencapai pengukuran orbit dekat bulan dengan resolusi tinggi yang berkelanjutan (di bawah 30 kilometer), yang akan membantu kita memperoleh informasi akurat yang belum pernah ada sebelumnya tentang air bulan (wei yong et al., 2024, prosiding akademi ilmu pengetahuan tiongkok).