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fonte: pixabay

ghiaccio d'acqua, gruppi idrossilici, molecole d'acqua... negli ultimi trent'anni, mentre le sonde e i lander passavano accanto alla luna, i dati e le materie prime venivano continuamente trasmessi indietro. gli scienziati lavoravano instancabilmente e gradualmente si manifestava la luna "secca e senz'acqua". noi l'altro lato della questione.

quando sono cambiate le cose? è lo sguardo di clementine sul polo sud della luna, o è il miglioramento in precisione e sensibilità della moderna tecnologia delle sonde ioniche, è il posizionamento preciso delle molecole d'acqua alle alte latitudini della luna da parte dello spettrometro ad ampio spettro sofia, o è la freschezza di chang'e 5 ritorno del campione?

articolo scritto da lin honglei, ricercatore associato, istituto di geologia e geofisica, accademia cinese delle scienze

yao professore associato, università di hong kong

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gli alti e bassi della ricerca dell’acqua da parte della luna

nel 1994, la navicella spaziale statunitense "clementine" si precipitò sulla luna. questa fu la prima missione di esplorazione lunare dedicata degli stati uniti 21 anni dopo l'era degli sbarchi sulla luna dell'"apollo".

a differenza delle precedenti missioni apollo di ritorno dei campioni, questa volta il satellite è in orbita attorno alla luna per un'indagine globale dettagliata. trasporta un sistema di osservazione radar progettato per cercare prove di acqua ai poli lunari cooperando con i ricevitori del deep space network sulla terra.

nel 1996, il dipartimento della difesa degli stati uniti annunciò che i dati della missione clementine mostravano depositi di ghiaccio d'acqua sul fondo di un cratere in un'area permanentemente ombreggiata al polo sud della luna (nozette, et al., 1996, science the il volume di questo deposito era di circa 6 diecimila-120.000 metri cubi, equivalenti a un laghetto con una superficie di quattro campi da calcio e una profondità di 5 metri. questa scoperta ha riportato alla ribalta lo studio delle acque lunari.

perché dici "ri"? in effetti, gli esseri umani sono sempre stati pieni di infinite fantasticherie sulla presenza o meno di acqua sulla luna. da quando galileo inventò nel 1609 il telescopio, che può osservare la luna più chiaramente dell'occhio umano, gli astronomi hanno scoperto che ci sono principalmente due aree distinte sulla superficie lunare, bianca e nera. credono che le aree nere sulla luna possano essere coperte da acqua liquida, quindi usano parole come "mare", "oceano", "ruscello" e "baia" per descrivere la forma del sistema idrico per nominare le aree nere. sulla luna (wei yong et al., 2024, china proceedings of the academy of sciences). entro la metà del xx secolo, gli scienziati utilizzarono simulazioni numeriche per dimostrare che il vapore acqueo poteva essere intrappolato in ombre permanenti su scale temporali geologiche. le missioni americana "apollo" e sovietica "luna" dal 1969 al 1976 raccolsero un gran numero di campioni dalla luna e li riportarono sulla terra, dando finalmente alle persone l'opportunità di misurare direttamente il contenuto di acqua nei campioni lunari. sfortunatamente, i risultati dell’analisi mostrano che il suolo lunare è molto secco e le tracce d’acqua misurate non possono escludere l’inquinamento proveniente dall’atmosfera terrestre. allo stesso tempo, gli strumenti che gli astronauti lasciarono sulla superficie lunare per rilevare l'atmosfera non erano in grado di rilevare l'acqua, il che sembrava rendere un dato di fatto "la luna è secca". ciò diede anche origine alla teoria della collisione lunare.

i risultati del rilevamento radar della navicella spaziale “clementine” hanno senza dubbio rilasciato un segnale positivo! tuttavia, le osservazioni del radiotelescopio terrestre di arecibo hanno ulteriormente dimostrato che anche in aree senza ombre permanenti (che il ghiaccio d’acqua non può preservare), ci sono tracce radar simili, probabilmente dovute ad altri fattori come la rugosità superficiale (stacy, et al. al., 1997, scienza). la questione se nelle regioni polari della luna sia presente ghiaccio d’acqua è ancora una volta avvolta nel mistero.

l'acqua è composta da idrogeno e ossigeno. misurare il contenuto di idrogeno della luna può essere un modo per rilevare l'acqua. pertanto, nel 1998 il lunar prospector trasportò uno spettrometro di neutroni per misurare la distribuzione dell’idrogeno lunare e vide grandi arricchimenti di idrogeno ai poli (feldman et al., 1998, science). c'è di nuovo acqua sulla luna? il dibattito sulla presenza o meno di acqua sulla luna è continuato fino al 2008.

il 2008 è stato un anno estremamente insolito per la ricerca dell'acqua sulla luna. quest'anno si sono verificati due eventi importanti. la prima cosa è che la navicella spaziale indiana “chandrayaan-1” ha portato in orbita lunare il “lunar mineralogy mapper” americano, che è il primo spettrometro in grado di misurare direttamente le molecole di idrossile/acqua lunari.

ben presto, il team del professor carle pieters della brown university, responsabile di questo spettrometro, scoprì nei dati segnali evidenti di molecole di idrossile/acqua, soprattutto alle medie e alte latitudini della luna. ciò ha reso il team del professor carle pieters molto emozionato, ma anche molto sorpreso: come può esserci un segnale d'acqua così forte? c'è qualcosa che non va nella calibrazione dello strumento? hanno trascorso diversi mesi esaminando i dati e hanno concluso che i segnali erano validi (pieters et al., 2009, science).

per garantire ulteriormente che l'acqua fosse effettivamente rilevata, il team ha chiesto alla sonda deep impact, che era in viaggio verso la cometa, di tornare indietro e condurre misurazioni spettrali sulla luna (sunshine et al., 2009, science), e hanno scavato la missione cassie su saturno. i dati di osservazione spettrale della navicella spaziale ni durante il suo sorvolo della luna nel 1999 sono stati rianalizzati (clark, 2009, science), che hanno confermato in modo incrociato che il segnale dell'acqua lunare è reale.

allo stesso tempo, c’è stata una nuova importante svolta sul campo, e questa è la seconda cosa.

il team del professor alberto saal, anch’egli della brown university, ha trascorso tre anni utilizzando la tecnologia delle sonde ioniche (sims) per rianalizzare il vetro vulcanico (un prodotto delle eruzioni vulcaniche) nel suolo lunare dell’apollo e ha trovato fino a 50 ppm di acqua. saal et al., 2008, nature), sfidando la visione tradizionale secondo cui "la luna è senz'acqua" con prove conclusive. la tecnologia della sonda ionica è apparsa dagli anni '50. utilizza fasci ionici ad alta energia per bombardare la superficie del campione per rilasciare ioni idrogeno e quindi eseguire misurazioni.

questa tecnologia è stata utilizzata anche nell'analisi del primo suolo lunare, ma la risoluzione spaziale e la sensibilità sono relativamente basse. con i miglioramenti nella tecnologia della sorgente ionica e del rilevatore, la moderna tecnologia sims è in grado di rilevare il contenuto di acqua fino a 5 ppm (cinque parti per milione). i progressi tecnologici hanno reso possibile misurare con precisione l’acqua nel suolo lunare.alberto saal studia principalmente la composizione interna della terra. dopo essere arrivato alla brown university, ha iniziato ad espandere le sue ricerche sulla luna e sui pianeti quando ha proposto di studiare il tema "se c'è acqua all'interno della luna", hanno avvertito i suoi colleghi lui che dalla luna esistente è improbabile che vengano scoperte nuove informazioni nel campione. ma non si arrese. con il supporto della moderna tecnologia avanzata, alla fine ottenne un grande successo. attribuì questo successo alla sua mancanza di esperienza nel campo della scienza planetaria e al fatto di non essere influenzato dal pensiero fisso.

nel 2009, la lunar crater observation and sensing satellite mission (lcross) degli stati uniti ha condotto un esperimento di impatto nelle regioni polari lunari e l'osservazione e l'analisi degli schizzi di impatto hanno confermato l'esistenza di acqua (colaprete et al., 2010, science ).da allora, è diventato un consenso generale che la luna contenga acqua.

l’analisi dei campioni di laboratorio e le osservazioni di telerilevamento hanno fornito la prova che la luna contiene acqua, ma manca un anello nella catena delle prove: le misurazioni sul campo della superficie lunare.la sonda cinese chang'e 5 è atterrata con successo alle medie latitudini della luna il 1° dicembre 2020. questa è la seconda missione di ritorno di campionamento per esseri umani dopo il 1976 e trasportava un analizzatore di spettro minerale lunare per ottenere dati durante il processo di campionamento. lo spettro della superficie lunare è proprio come se fossimo andati sul "campo" sulla luna. per la prima volta abbiamo rilevato il segnale dell'acqua sulla superficie lunare a una distanza così ravvicinata e con un'alta risoluzione (lin, li). , xu et al., 2022, science advances; liu et al., 2022, nature communications), fornendo un’altra prova lampante del fatto che l’acqua è ampiamente distribuita sulla luna.

dopo che i campioni chang'e-5 sono tornati sulla terra, hanno suscitato un grande entusiasmo nella ricerca tra i ricercatori scientifici, in particolare lo studio dell'acqua nel suolo lunare. perché rispetto alle precedenti missioni di campionamento lunare (ad esempio, l'"apollo" americana e la "luna" dell'unione sovietica), il suolo lunare di chang'e 5 proviene da una latitudine più elevata ed è più giovane. è completamente diverso dai campioni di suolo lunare esistenti l'umanità. molto prezioso. finora, la national space administration ha distribuito 7 lotti di 85,48 grammi di campioni per la ricerca scientifica a 131 gruppi di ricerca nazionali. in media, ciascun gruppo ha ricevuto solo poche centinaia di milligrammi di campioni. utilizzando una quantità così piccola di campioni, i ricercatori hanno utilizzato la tecnologia delle sonde a nano-ioni e la tecnologia della spettroscopia a infrarossi per trovare un contenuto più elevato di acqua nel suolo lunare (xu, tian et al., 2022, pnas; zhou et al., 2022, nature comunicazioni).

dove viene immagazzinata principalmente l’acqua? dopo aver escluso molte possibilità, i ricercatori hanno rivolto la loro attenzione alle perle di vetro che colpiscono il suolo lunare di chang'e-5.questo è un tipo di campione che prima ha ricevuto poca attenzione, perché questo tipo di campione ha un'"origine ordinaria" ed è il prodotto del suolo lunare sciolto dai meteoriti. questo processo è accompagnato dalla trasformazione mista della roccia originaria, che la rende incapace di riflettere le informazioni all'interno della luna come un "vetro vulcanico", per cui all'inizio poche persone se ne interessavano.ma il vetro da impatto è piuttosto abbondante nel suolo lunare. grazie all'altissima risoluzione spaziale della tecnologia di analisi delle sonde a nano-ioni, i ricercatori hanno ottenuto il contenuto accurato di acqua della perla di vetro da impatto sul suolo lunare chang'e-5, confermando che la perla di vetro da impatto è un importante serbatoio di acqua lunare e ha la capacità di mantenere l’acqua lunare capacità e potenziale di circolazione dell’acqua superficiale (he et al., 2023, nature geoscience). con l'approfondimento della comprensione dell'acqua lunare, lo studio del ciclo dell'acqua lunare è gradualmente diventato un punto focale.

cos'è quest'acqua lunare di cui stiamo parlando?

quando si parla di acqua la prima cosa a cui si pensa è: si può bere? quando diciamo che c'è acqua sulla luna, non ci riferiamo agli oceani e ai laghi, ma alle molecole d'acqua e ai gruppi idrossilici (oh) che esistono nella struttura delle particelle del suolo lunare, o al ghiaccio d'acqua che esiste nelle zone d'ombra permanenti. delle regioni polari. tra questi, il ghiaccio d’acqua si riferisce a un materiale solido composto da molte molecole d’acqua, solitamente in forma cristallina esagonale, mentre le molecole di idrossile/acqua sono solitamente combinate con minerali sulla luna e sono presenti nella struttura minerale.

la tecnologia della sonda ionica da laboratorio misura il contenuto di idrogeno e quindi lo converte in contenuto di acqua, indipendentemente dal fatto che l'acqua esista sotto forma di gruppi idrossilici, molecole d'acqua o idrogeno. anche gli spettrometri di "chandrayaan-1" e "chang'e-5" non sono in grado di distinguere tra molecole di idrossile e acqua a causa della loro ristretta gamma di lunghezze d'onda.

nel 2011, i ricercatori hanno combinato la sonda ionica e la tecnologia della spettroscopia a infrarossi con trasformata di fourier per misurare direttamente l’acqua idrossilica nel suolo lunare dell’apollo (liu et al., 2011, nature geoscience). nel 2020, l'osservatorio stratosferico per l'astronomia infrarossa (sofia) negli stati uniti ha utilizzato uno spettrometro ad ampio spettro per rilevare l'acqua molecolare che può esistere in modo relativamente stabile al di fuori della zona d'ombra permanente, confermando per la prima volta l'esistenza di acqua molecolare sulla superficie lunare (honniball et al., 2021, nature astronomy), questa notizia di grande successo ha acceso le speranze delle persone per l'utilizzo delle risorse idriche lunari, perché l'acqua molecolare è più facile da utilizzare rispetto ai gruppi idrossilici. tuttavia, nei campioni di suolo lunare non è stata trovata alcuna prova chiara della presenza di acqua molecolare. la ricerca sui campioni chang'e-5 ha rilevato che il vetro da impatto conteneva un contenuto di acqua più elevato (he et al., 2023, nature geoscience). quindi la probabilità che esista acqua molecolare nel vetro da impatto sarà maggiore? con questa domanda in mente, i ricercatori hanno condotto misurazioni dettagliate su 12 sfere di vetro da impatto del campione chang'e-5 e hanno rilevato il segnale dell'acqua molecolare. hanno scoperto che il 20%-35% dell'acqua nel vetro da impatto era acqua molecolare (zhou, mo et al., 2024, science advances).

da dove viene l'acqua della luna? a questa domanda si risponde principalmente facendo affidamento sugli isotopi dell’idrogeno.l'idrogeno comprende principalmente gli isotopi stabili del protio (h) e del deuterio (d) e la loro massa aumenta in ordine. misurando il rapporto deuterio/protio (d/h) in un campione e confrontandolo con possibili fonti target, è possibile determinare da dove proviene l'acqua.se il valore d/h è basso, simile a quello del sole, significa che l'acqua è stata portata sulla luna dal vento solare; se il valore d/h è alto, simile a quello di una cometa, significa che il l'acqua potrebbe essere stata portata sulla luna dall'impatto di una cometa; se d il valore /h è vicino alla terra se si esclude l'influenza della terra, è l'acqua della luna stessa se d/h valore è tra la terra e le comete, potrebbe essere portato sulla luna da un asteroide carico d'acqua.naturalmente, a volte il rapporto d/h misurato è il risultato di una miscela di più fonti, in questo caso è necessario combinare altri isotopi, come carbonio, azoto, ecc., per determinare ulteriormente la fonte dell'acqua. attraverso misurazioni degli isotopi dell’idrogeno delle particelle del suolo lunare, è stata trovata la prova che l’acqua proviene da molteplici fonti come l’interno della luna, l’iniezione del vento solare e gli impatti di asteroidi/comete (saal et al., 2008, nature; greenwood et al., 2011 , nature geoscience ; liu et al., 2011, nature geoscience; barnes et al., 2016, nature communications), queste fonti sono state trovate addirittura simultaneamente nel vetro da impatto del campione chang'e-5 (he et al., 2023). , nature geoscience; zhou, mo et al., 2024, science advances), aumentando così la complessità del problema della fonte d’acqua lunare.

al fine di determinare la principale fonte d’acqua con maggiore significato statistico, i ricercatori hanno condotto un’analisi spettrale granulare su un gran numero di campioni provenienti da chang’e-5, fornendo la prova che il vento solare è la principale fonte di acqua del suolo lunare (lin et al. , bollettino scientifico, 2024). i modelli mutevoli del contenuto d’acqua sulla superficie lunare ottenuti sulla base degli spettri di telerilevamento indicano anche diverse fonti d’acqua. il contenuto di acqua sulla superficie lunare presenta variazioni diurne, essendo più alto al mattino e alla sera e più basso a mezzogiorno, indicando la fonte d'acqua del vento solare, perché solo il vento solare può ricostituire rapidamente l'acqua persa a causa delle alte temperature a mezzogiorno (li & milliken, 2017, science advances; wöhler et al., 2017, science advances); ci sono alcune aree in cui il contenuto di acqua è anormalmente elevato e, combinato con le caratteristiche della topografia e della morfologia, è stata determinata l'esistenza di acqua all'interno della luna ( klima et al., 2013, nature geoscience milliken & li, 2017, nature geoscience). il ghiaccio d'acqua polare può anche essere causato dalla diffusione e migrazione dell'acqua causata dal vento solare, e infine si condensa e si forma nella zona d'ombra permanente delle regioni polari della luna (pieters et al., 2009, science analysis of i dati elementari di lcross indicano che anche l’impatto della cometa è una fonte ragionevole (mandt et al., 2022, nature communications).

naturalmente, poiché la luna trascorre quasi un terzo di ogni mese nella magnetosfera terrestre, il contributo del vento terrestre all’acqua lunare non può essere escluso (wei et al., 2020, geophysical research letters; wang et al., 2021 , astrophysical journal letters; li et al., 2023, nature astronomy).la questione della fonte dell’acqua lunare è estremamente complessa e richiede campioni provenienti da più aree, più osservazioni e analisi più approfondite per ottenere una maggiore comprensione.vale la pena sottolineare che il vento solare e il vento terrestre non sono solo la fonte dell'acqua lunare, ma anche l'ambiente di radiazione spaziale che dobbiamo affrontare direttamente quando conduciamo missioni di esplorazione con e senza equipaggio sulla luna caratteristiche e meccanismi di cambiamento è la chiave per le missioni lunari una delle garanzie importanti, merita anche un'attenzione speciale.

quanta acqua è disponibile e se può essere utilizzata sono questioni di cui gli esseri umani sono più preoccupati quando stabiliscono una base lunare e rimangono lì per molto tempo in futuro. questo problema può essere considerato sotto due aspetti basati sull'esistenza dell'acqua sulla luna. la prima è la regione polare, che teoricamente immagazzina un contenuto di acqua maggiore rispetto ad altre regioni a causa della sua bassa temperatura, sotto forma di ghiaccio sporco (mischiato con suolo lunare) nella regione permanentemente in ombra. la missione lcross ha analizzato il pennacchio prodotto dall'impatto colpendo l'area d'ombra permanente del polo sud lunare e ha rilevato che il sito dell'impatto conteneva circa il 5,6% in peso di ghiaccio d'acqua (colaprete et al., 2010, science). anche il rilevamento dello spettro infrarosso ha ottenuto risultati simili e ha scoperto che in alcune aree in cui il segnale dell’acqua ghiacciata è relativamente puro, il contenuto dell’acqua ghiacciata può raggiungere anche il 30% in peso (li et al., 2018, pnas). il ghiaccio d’acqua nelle regioni polari è attualmente la risorsa lunare con il maggior potenziale ed è attualmente al centro dell’esplorazione in tutto il mondo. i ricercatori hanno proposto miniere riscaldate, trivellazioni riscaldate e altre idee per estrarre il ghiaccio d’acqua.tuttavia, a causa della complessità degli ambienti, quali bassa temperatura, bassa gravità e assenza di luce, c’è ancora molta strada da fare per raggiungere questo obiettivo. dopo l'attività mineraria, è necessario considerare anche questioni quali la separazione, la purificazione e lo stoccaggio.

d'altra parte, c'è acqua nel suolo lunare. quest'acqua esiste nella struttura minerale. il contenuto di acqua è solo da decine a centinaia di ppm (ci sono da decine a centinaia di grammi di acqua in una tonnellata di suolo lunare). è peggio di così nel deserto. prendendo come esempio l’area di campionamento di chang’e-5, una tonnellata di suolo lunare contiene fino a 120 grammi di acqua (lin, li, xu et al., 2022, science advances), ma questo è anche legato alla latitudine, e può arrivare anche a latitudini più elevate, 500-750 grammi (li & milliken, 2017, science advances). l’acqua nel suolo lunare proviene principalmente dall’iniezione del vento solare. poiché la superficie specifica del suolo lunare a grana fine è maggiore, il contenuto di acqua sarà superiore a quello delle particelle grossolane.lo screening granulare potrebbe essere un modo per sfruttare l’acqua del suolo lunare alle latitudini medio-basse.da 1.000 metri cubi di terreno lunare a grana fine (meno di 45 micron) si possono estrarre 108 chilogrammi di acqua. se si riesce a setacciarlo ancora più finemente, da 1.000 metri cubi di terreno lunare inferiore a 10 micron si possono estrarre 840 chilogrammi di acqua. (lin et al., science bulletin, 2024). inoltre, le aree piroclastiche della luna conservano una grande quantità di acqua, che può raggiungere le 500 ppm (milliken & li, 2017, nature geoscience). tuttavia, l’estrazione di quest’acqua dal suolo lunare richiede temperature di riscaldamento più elevate e come ottenere in modo efficiente il massimo rapporto input-output è una sfida.

sebbene ci siano molte difficoltà nell'utilizzare l'acqua lunare, si è già iniziato a sviluppare prototipi importanti. con il progresso della tecnologia, si ritiene che gli astronauti saranno in grado di bere l'acqua lunare nel prossimo futuro e si potrà persino produrre carburante per missili. dall'acqua lunare.

dove andare

l’acqua è la fonte della vita e la sua importanza è evidente. anche l’acqua ha avuto un ruolo molto importante nell’evoluzione della luna. il nuovo ciclo di esplorazione lunare è passato dall'esplorazione puramente scientifica al prestare uguale attenzione alla ricerca e all'applicazione scientifica, e ha proposto piani futuri come "villaggi lunari" e "stazioni di ricerca scientifica lunare". ricevuto più attenzione. l’acqua lunare svolgerà un ruolo importante nella futura esplorazione spaziale e getterà una base importante affinché la civiltà umana possa andare nello spazio.c'è ancora controversia sulla distribuzione spaziotemporale dell'acqua lunare. ottenere un contenuto d'acqua e una distribuzione ad alta precisione e ad alta risoluzione sulla luna è il focus della futura esplorazione.

sia il "chang'e-7" che il "chang'e-8" del mio paese condurranno un'esplorazione dettagliata del polo sud lunare, in particolare il rilevamento delle risorse idriche nelle regioni polari intorno al 2030, il quadro di base di un progetto scientifico lunare internazionale verrà costruita una stazione di ricerca. all’ordine del giorno è stata inserita anche l’esplorazione lunare con equipaggio. il "progetto artemis" degli stati uniti realizzerà ancora una volta l'atterraggio dell'uomo sulla luna dopo la missione "apollo", condurrà indagini, esperimenti e raccoglierà campioni al polo sud lunare e costruirà una base per supportare le attività umane a lungo termine sul pianeta. superficie lunare. gli stati uniti prevedono inoltre di lanciare una piccola missione esplorativa “lunar pioneer” per studiare specificamente la distribuzione dell'acqua sulla luna attraverso il rilevamento orbitante. inoltre, anche europa, giappone, india, corea del sud e altri paesi considerano il rilevamento dell’acqua lunare un contenuto importante. per utilizzare l’acqua lunare, dobbiamo prima comprendere più chiaramente l’acqua lunare, il che richiede dati di osservazione più precisi. la luna ha il vantaggio di non avere atmosfera e di avere un'orbita conveniente per l'avvicinamento ravvicinato e il funzionamento continuo.i ricercatori hanno proposto un piano di “costellazione dell’orbita vicino alla luna” per ottenere misurazioni continue ad alta risoluzione delle orbite vicino alla luna (sotto i 30 chilometri), che ci aiuteranno a ottenere informazioni accurate senza precedenti sull’acqua lunare (wei yong et al., 2024, atti dell'accademia cinese delle scienze).