소식

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출처: pixabay

물의 얼음, 수산기, 물 분자. 지난 30년 동안 탐사선과 착륙선이 차례로 달을 통과하면서 과학자들은 끊임없이 데이터와 원자재를 전송했고 점차 '건조하고 물이 없는' 달이 모습을 드러냈습니다. 우리 그것의 반대편.

언제 상황이 반전됐나요? 달의 남극 위에 있는 클레멘타인의 모습인가, 아니면 현대 이온탐침 기술의 정밀도와 감도의 향상인가, sofia의 더 넓은 스펙트럼 분광계가 달의 고위도에서 물 분자의 정확한 위치를 파악한 것인가, 아니면 chang'e 5의 신선도는? 샘플 반환?

기사 작성자: lin honglei, 부연구원, 중국과학원 지질학 및 지구물리학 연구소

야오 부교수, 홍콩대학교

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달이 물을 찾는 과정의 부침

1994년 미국 우주선 '클레멘타인'이 달에 돌입했다. 이는 '아폴로' 달 착륙 시대 이후 21년 만에 미국이 달 탐사 전용 임무를 수행한 것이다.

이전 아폴로 샘플 귀환 임무와 달리 이번에는 상세한 글로벌 조사를 위해 달 궤도를 돌고 있습니다. 지구상의 deep space network 수신기와 협력하여 달 극에 물이 있다는 증거를 검색하도록 설계된 레이더 관측 시스템을 탑재하고 있습니다.

1996년 미국 국방부는 클레멘타인 탐사선의 데이터에서 달 남극의 영구적인 그늘진 지역에 있는 분화구 바닥에 얼음 퇴적물이 있음을 보여주었다고 발표했습니다(nozette, et al., 1996, science). 이 광상의 부피는 약 6만~12만 입방미터로 축구장 4개 면적과 깊이 5미터의 작은 호수에 맞먹는다. 이 발견으로 인해 달의 물에 대한 연구가 다시 사람들의 시야에 들어오게 되었습니다.

왜 "재"라고 말해요? 사실 인류는 늘 달에 물이 있는지에 대한 끝없는 몽상으로 가득 차 있었습니다. 갈릴레오가 1609년에 인간의 눈보다 달을 더 선명하게 관찰할 수 있는 망원경을 발명한 이후로 천문학자들은 달 표면에 주로 흰색과 검은색의 두 가지 뚜렷한 영역이 있다는 것을 발견했습니다. 그들은 달의 검은 부분이 액체 물로 덮여 있을 수 있다고 믿기 때문에 수계의 모양을 설명하기 위해 "바다", "바다", "하천", "만"과 같은 단어를 사용하여 검은 부분의 이름을 지정합니다. 달에(wei yong et al., 2024, 중국과학원회보). 20세기 중반까지 과학자들은 수치 시뮬레이션을 사용하여 수증기가 지질학적 시간 척도로 영구적인 그림자에 갇힐 수 있음을 보여주었습니다. 1969년부터 1976년까지 미국의 "아폴로"와 소련의 "달" 임무는 달에서 대량의 샘플을 수집하여 지구로 반환하여 마침내 사람들에게 달 샘플의 수분 함량을 직접 측정할 수 있는 기회를 제공했습니다. 불행하게도 분석 결과에 따르면 달의 토양은 매우 건조하며, 측정된 미량의 물은 지구 대기의 오염을 배제할 수 없는 것으로 나타났습니다. 동시에, 우주비행사들이 대기를 감지하기 위해 달 표면에 남겨둔 기구들은 물을 감지할 수 없었기 때문에 '달은 건조하다'는 사실이 된 것 같았다. 이것은 또한 달 충돌 이론의 형성을 낳았습니다.

우주선 "클레멘타인"의 레이더 탐지 결과는 의심할 바 없이 긍정적인 신호를 방출했습니다! 그러나 arecibo 지상 전파 망원경의 관측에 따르면 영구적인 그림자가 없는 지역(물 얼음은 보존할 수 없음)에서도 표면 거칠기와 같은 다른 요인으로 인해 유사한 레이더 신호가 있는 것으로 나타났습니다(stacy, et al. al., 1997, 과학). 달 극지방에 얼음이 존재하는지에 대한 의문이 다시 한번 미스터리에 싸여 있다.

물은 수소와 산소로 구성되어 있습니다. 달의 수소 함량을 측정하는 것은 물을 감지하는 방법일 수 있습니다. 그러므로 1998년에 lunar prospector는 달 수소의 분포를 측정하기 위해 중성자 분광계를 휴대했고 극지방에서 큰 수소 농축을 확인했습니다(feldman et al., 1998, science). 달에는 또 물이 있을까? 달에 물이 있었는지에 대한 논쟁은 2008년까지 계속됐다.

2008년은 달에서 물을 찾는 데 있어 매우 특이한 해였습니다. 올해에는 두 가지 주요 사건이 있었습니다. 첫 번째는 인도의 '찬드라얀-1' 우주선이 달의 수산기/물 분자를 직접 측정할 수 있는 최초의 분광기인 미국의 '달 광물학 매퍼(lunar mineralogy mapper)'를 달 궤도로 운반했다는 것입니다.

곧 이 분광계를 담당한 브라운 대학의 칼 피터스(carle pieters) 교수 팀은 특히 달의 중위도와 고위도에서 데이터에서 수산기/물 분자의 명백한 신호를 발견했습니다. 이는 carle pieters 교수 팀을 매우 흥분하게 만들었지만 동시에 매우 놀랐습니다. 어떻게 그렇게 강한 물 신호가 있을 수 있었습니까? 기기 교정에 문제가 있나요? 그들은 몇 달 동안 데이터를 조사한 후 신호가 유효하다는 결론을 내렸습니다(pieters et al., 2009, science).

연구팀은 물이 실제로 검출됐는지 확인하기 위해 혜성으로 향하던 딥 임팩트 탐사선에 다시 돌아가 달에서 스펙트럼 측정을 해달라고 요청했다(sunshine et al., 2009, science). 1999년 ni 우주선이 달을 통과하는 동안의 스펙트럼 관측 데이터가 재분석되어(clark, 2009, science) 달의 물 신호가 실제임을 교차 확인했습니다.

동시에 현장에서는 새로운 획기적인 진전이 있었는데 이것이 두 번째입니다.

역시 브라운 대학의 alberto saal 교수팀은 이온 탐사 기술(sims)을 사용해 3년 동안 아폴로 달 토양의 화산 유리(화산 폭발의 산물)를 재분석한 결과 최대 50ppm의 물을 발견했습니다. saal et al., 2008, nature)는 결정적인 증거를 통해 "달에는 물이 없다"는 전통적인 견해에 도전합니다. 이온 프로브 기술은 1950년대부터 등장했습니다. 고에너지 이온빔을 사용하여 시료 표면에 충격을 가해 수소 이온을 방출한 후 측정을 수행하는 기술입니다.

이 기술은 달 초기 토양 분석에도 활용됐으나 공간 분해능과 민감도가 상대적으로 낮다. 이온 소스 및 검출기 기술이 향상됨에 따라 최신 sims 기술은 5ppm(5ppm)의 낮은 수분 함량도 검출할 수 있습니다. 기술 발전으로 인해 달 토양의 수분을 정확하게 측정할 수 있게 되었습니다.알베르토 살(alberto saal)은 브라운대학교에 입학한 후 달과 행성으로 연구를 확장하기 시작했는데, 그가 '달 내부에 물이 있는지'라는 주제를 연구하겠다고 제안하자 동료들은 경고했다. 기존 달의 샘플에서 새로운 정보가 발견될 가능성은 거의 없습니다. 그러나 그는 포기하지 않고 현대 첨단 기술의 도움으로 마침내 큰 성공을 거두었고, 이는 행성 과학 분야에 대한 경험이 부족하고 고정된 사고에 영향을 받지 않았기 때문이라고 생각했습니다.

2009년 미국의 lcross(lunar crater observation and sensing satellite mission)는 달 극지방에서 충격실험을 실시했고, 충돌 스패터의 관찰과 분석을 통해 물의 존재를 확인했다(colaprete et al., 2010, science ).그 이후로 달에 물이 있다는 것이 일반적인 상식이 되었습니다.

실험실 샘플 분석과 원격 탐사 관측을 통해 달에 물이 있다는 증거가 제공되었지만 일련의 증거에는 달 표면의 현장 측정이라는 누락된 링크가 있습니다.중국의 창어 5호 탐사선은 2020년 12월 1일 달 중위도에 성공적으로 착륙했다. 이는 1976년 이후 두 번째 인류 샘플링 귀환 임무로, 샘플링 과정에서 데이터를 얻기 위해 달 광물 스펙트럼 분석기를 탑재했다. 달 표면의 스펙트럼은 우리가 달의 "필드"에 나간 것과 같습니다. 처음으로 우리는 이렇게 가까운 거리에서 고해상도로 달 표면의 물 신호를 감지했습니다(lin, li). , xu et al., 2022, science advances; liu et al., 2022, nature communications)는 달에 물이 널리 분포되어 있다는 또 다른 확실한 증거를 제공합니다.

창어 5호 샘플이 지구로 돌아온 후 과학 연구자들, 특히 달 토양의 물에 대한 연구 사이에서 엄청난 연구 열정을 불러일으켰습니다. 이전의 달 샘플링 임무(예: 미국의 '아폴로' 및 소련의 '달')와 비교할 때 창어 5호 달 토양은 더 높은 위도에서 채취되었으며 기존의 달 토양 샘플과 완전히 다릅니다. 인류는 매우 소중합니다. 지금까지 미국 국립우주국은 85.48g의 과학 연구 샘플을 7개 배치로 국내 연구팀 131개에 배포했으며, 각 팀은 평균적으로 수백 밀리그램의 샘플만 받았습니다. 이렇게 적은 양의 샘플을 이용해 연구진은 나노이온 프로브 기술과 적외선 분광학 기술을 활용해 달 토양에서 수분 함량이 더 높은 곳을 찾아냈다(xu, tian et al., 2022, pnas; zhou et al., 2022, nature 연락).

물은 주로 어디에 저장되나요? 많은 가능성을 배제한 후, 연구자들은 chang'e 5호 달 토양에 충돌하는 유리 구슬에 관심을 돌렸습니다.이 유형의 샘플은 "보통의 기원"을 갖고 있고 운석에 의해 녹은 달 토양의 산물이기 때문에 이전에는 거의 주목받지 못했던 유형의 샘플입니다. 이 과정은 원석의 혼합변형을 동반해 '화산유리'처럼 달 내부의 정보를 반영할 수 없어 초창기에는 관심을 가진 사람이 거의 없었다.그러나 충격 유리는 달 토양에 상당히 풍부합니다. 나노이온 프로브 분석 기술의 초고 공간 분해능 덕분에 연구자들은 창어 5호 달 토양 충격 유리구슬의 정확한 수분 함량을 획득하여 충격 유리구슬이 달 물의 중요한 저장소임을 확인했습니다. 달의 물을 유지하는 능력이 있습니다. 지표수 순환의 용량과 잠재력이 있습니다(he et al., 2023, nature geoscience). 달의 물에 대한 이해가 깊어짐에 따라 달의 물 순환에 대한 연구가 점차 주목을 받고 있습니다.

우리가 말하는 이 달의 물은 무엇입니까?

물에 관해 사람들이 가장 먼저 생각하는 것은 마실 수 있는 물인가? 달에 물이 있다고 말할 때, 바다나 호수를 말하는 것이 아니라, 달 토양의 입자 구조에 존재하는 물 분자와 수산기(oh) 또는 영구적인 그림자 영역에 존재하는 물 얼음을 말하는 것입니다. 극지방의. 그 중 물얼음(water ice)은 많은 물 분자로 이루어진 고체 물질을 말하며 대개 육각형의 결정 형태를 갖고 있는 반면, 수산기/물 분자는 대개 달에서 광물과 결합하여 광물 구조로 존재한다.

실험실 이온 프로브 기술은 물이 수산기, 물 분자 또는 수소의 형태로 존재하는지 여부에 관계없이 수소 함량을 측정한 다음 이를 수분 함량으로 변환합니다. "chandrayaan-1"과 "chang'e-5"의 분광계는 좁은 파장 범위로 인해 수산기와 물 분자를 구별할 수 없습니다.

2011년에 연구자들은 이온 프로브와 푸리에 변환 적외선 분광학 기술을 결합하여 아폴로 달 토양의 수산기 수분을 직접 측정했습니다(liu et al., 2011, nature geoscience). 2020년 미국 적외선천문성층권천문대(sofia)는 더 넓은 스펙트럼 분광계를 사용해 영구 그림자대 외부에서 비교적 안정적으로 존재할 수 있는 분자수를 검출해 달 표면에 분자수의 존재를 처음으로 확인했다. (honniball et al., 2021, nature astronomy), 이 블록버스터 뉴스는 분자수가 수산기보다 활용하기 쉽기 때문에 달 수자원 활용에 대한 사람들의 희망에 불을 붙였습니다. 그러나 달 토양 샘플에서는 분자수가 존재한다는 명확한 증거가 발견되지 않았습니다. chang'e-5 샘플에 대한 연구에서는 충격 유리에 더 높은 수분 함량이 포함되어 있는 것으로 나타났습니다(he et al., 2023, nature geoscience). 그러면 충격 유리에 분자수가 존재할 확률이 더 커질까요? 연구진은 이 질문을 염두에 두고 chang'e-5 샘플의 12개 충격 유리 구슬에 대해 상세한 측정을 수행하여 분자 물의 신호를 감지했으며 충격 유리에 있는 물의 20~35%가 분자 물이라는 사실을 발견했습니다. (zhou, mo et al., 2024, science advances).

달의 물은 어디에서 오는가? 이 질문은 주로 수소 동위원소에 의존하여 대답됩니다.수소에는 주로 프로튬(h)과 중수소(d) 안정 동위원소가 포함되며, 순서대로 질량이 증가합니다. 샘플의 중수소/양성자(d/h) 비율을 측정하고 이를 가능한 목표 소스와 비교함으로써 물이 어디서 나오는지 확인할 수 있습니다.d/h 값이 태양과 비슷하게 낮다면 태양풍에 의해 물이 달에 운반되었다는 뜻이고, d/h 값이 높다면 혜성과 비슷하게 물이 달까지 운반되었다는 뜻이다. d가 지구에 가까우면 혜성의 충돌로 인해 물이 달에 도달했을 수 있습니다. 지구의 영향을 제외하면 d/h가 물 자체입니다. 그 가치가 지구와 혜성 사이에 있다면 물을 품은 소행성에 의해 달까지 운반될 수도 있습니다.물론 측정된 d/h 비율이 여러 소스의 혼합 결과인 경우도 있습니다. 이 경우 물의 소스를 추가로 확인하기 위해 탄소, 질소 등과 같은 다른 동위원소를 결합해야 합니다. 달 토양 입자의 수소 동위원소 측정을 통해 물이 달 내부, 태양풍 주입, 소행성/혜성 충돌 등 다양한 소스에서 나온다는 증거가 발견되었습니다(saal et al., 2008, nature; greenwood et al., 2011). , nature geoscience; liu et al., 2011, nature geoscience; barnes et al., 2016, nature communications), 이러한 출처는 chang'e-5 샘플의 충격 유리에서도 동시에 발견되었습니다(he et al., 2023). , nature geoscience; zhou, mo et al., 2024, science advances), 이로 인해 달 수원 문제의 복잡성이 증가합니다.

보다 통계적으로 유의미한 주요 물 공급원을 결정하기 위해 연구자들은 창어 5호에서 채취한 다수의 샘플에 대해 세분화된 스펙트럼 분석을 수행하여 태양풍이 달 토양수의 주요 공급원이라는 증거를 제공했습니다(lin et al. , science bulletin, 2024). 원격탐사 스펙트럼을 기반으로 얻은 달 표면의 수분 함량 변화 패턴은 또한 다양한 물 공급원을 나타냅니다. 달 표면의 수분 함량은 일교차가 있어 아침, 저녁에 수분 함량이 높고 정오에 낮아져 태양풍의 수분 공급원을 나타냅니다. 이는 태양풍만이 정오의 고온으로 인해 손실된 수분을 빠르게 보충할 수 있기 때문입니다(li & millliken, 2017, science advances; wöhler et al., 2017, science advances), 수분 함량이 비정상적으로 높은 일부 지역이 있으며, 지형 및 지형 특성과 결합하여 달 내부에 물의 존재가 확인되었습니다( klima 외, 2013, 자연 지구과학, millliken & li, 2017, 자연 지구과학). 극지방의 얼음은 태양풍에 의한 물의 확산과 이동에 의해 발생할 수도 있으며, 최종적으로는 달 극지방의 영구 그림자 지역에 응결되어 형성된다(pieters et al., 2009, science 분석). lcross 원소 데이터는 혜성 충돌도 합리적인 원인임을 나타냅니다(mandt et al., 2022, nature communications).

물론 달은 지구의 자기권에서 매월 거의 1/3을 보내기 때문에 지구의 바람이 달의 물에 미치는 영향을 배제할 수 없습니다(wei et al., 2020, geophysical research letters; wang et al., 2021 , 천체물리학 저널 레터(li et al., 2023, nature astronomy).달의 물 공급원 문제는 매우 복잡하며 더 많은 이해를 얻으려면 더 많은 지역의 샘플, 더 많은 관찰 및 심층 분석이 필요합니다.태양풍과 지구풍은 달 물의 원천일 뿐만 아니라, 달에 대한 유·무인 탐사 임무를 수행할 때 우리가 직접적으로 직면해야 하는 우주 방사선 환경이라는 점을 지적할 만하다. 특성과 변화 메커니즘은 달 임무의 핵심이며 중요한 보장 중 하나이며 특별한 주의를 기울일 가치가 있습니다.

물을 얼마나 확보할 수 있는지, 물을 사용할 수 있는지 여부는 달 기지를 건설하고 앞으로도 오랫동안 거기에 머물기 위해 인간이 더 관심을 두는 문제이다. 이 문제는 달에 물이 있다는 사실을 근거로 두 가지 측면에서 생각해 볼 수 있다. 첫 번째는 극지방으로, 이론적으로 낮은 온도로 인해 다른 지역보다 더 많은 양의 물을 영구적으로 그늘진 지역에 더러운 얼음(달 토양과 혼합)의 형태로 저장합니다. lcross 임무는 달 남극의 영구 그림자 지역에 충돌하여 충돌로 생성된 기둥을 분석했으며 충돌 현장에 약 5.6wt.%의 얼음이 포함되어 있음을 감지했습니다(colaprete et al., 2010, science). 적외선 스펙트럼 탐지 역시 유사한 결과를 얻었으며, 얼음 신호가 상대적으로 순수한 일부 지역에서는 얼음 함량이 30wt.%에 도달할 수도 있음을 발견했습니다(li et al., 2018, pnas). 극지방의 얼음은 현재 잠재력이 가장 큰 달 자원이며, 현재 전 세계적으로 탐사의 초점이 되고 있습니다. 연구자들은 가열 채굴, 가열 시추 및 얼음 추출을 위한 기타 아이디어를 제안했습니다.그러나 저온, 저중력, 빛 없음 등 환경의 복잡성으로 인해 이 목표를 달성하려면 아직 갈 길이 멀다. 채굴 후에는 분리, 정제, 보관 등의 문제도 고려해야 합니다.

반면, 달 토양에는 물이 있는데, 이 물은 미네랄 구조에 존재하는데, 수분 함량은 수십~수백ppm(달 토양 1톤에는 수십~수백g)에 불과하다. 사막에서는 그것보다 더 심해요. chang'e 5호 샘플링 지역을 예로 들면, 달 토양 1톤에는 최대 120g의 물이 포함되어 있지만(lin, li, xu et al., 2022, science advances), 이는 위도와도 관련이 있습니다. 더 높은 위도에서는 500~750g까지 도달할 수 있습니다(li & millliken, 2017, science advances). 달 토양의 물은 주로 태양풍 주입으로 인해 생성됩니다. 세립형 달 토양의 비표면적이 크기 때문에, 거친 입자보다 수분 함량이 더 높습니다.세분화된 스크리닝은 중위도 및 저위도에서 달의 토양수를 활용하는 방법일 수 있습니다.달의 세립토(45미크론 이하) 1000입방미터에서 108kg의 물을 추출할 수 있는데, 이를 더욱 세밀하게 체로 걸러낸다면 10미크론 이하의 달 토양 1000입방미터에서 840kg의 물을 추출할 수 있다. (lin et al. ., science bulletin, 2024). 또한 달의 화쇄 지역에는 500ppm에 달하는 많은 양의 물이 보존되어 있다(milliken & li, 2017, nature geoscience). 그러나 달 토양에서 이 물을 추출하려면 더 높은 가열 온도가 필요하며 최대 입출력 비율을 효율적으로 얻는 방법이 과제입니다.

달물을 활용하는 데에는 많은 어려움이 있지만, 이미 관련 원리의 프로토타입이 개발되기 시작했다. 기술이 발전하면 머지않아 우주비행사가 달물을 마실 수 있을 뿐만 아니라 로켓 연료도 만들 수 있을 것으로 예상된다. 달의 물에서.

어디로 갈까?

물은 생명의 원천이며 그 중요성은 자명합니다. 물은 또한 달의 진화에 매우 중요한 역할을 했습니다. 새로운 달 탐사는 순전히 과학적인 탐사에서 과학적 연구와 응용에 동등한 관심을 기울이는 방향으로 전환되었으며, 중요한 자원인 '달 마을', '달 과학 연구 기지'와 같은 미래 계획도 제시되었습니다. 더욱 주목을 받았습니다. 달수는 미래 우주 탐사에 중요한 역할을 할 것이며 인류 문명이 우주로 진출하는 데 중요한 기반을 마련할 것이다.달의 물의 시공간적 분포에 대해서는 여전히 논란이 있다. 달에서의 고정밀, 고해상도의 물 함량과 분포를 얻는 것이 향후 탐사의 핵심이다.

우리나라의 '창어 7호'와 '창어 8호'는 모두 달 남극 정밀 탐사, 특히 국제 달 과학의 기본 틀인 2030년경 극지 수자원 탐사를 실시할 예정이다. 연구기지가 건설될 예정이다. 유인 달 탐사도 의제에 포함됐다. 미국의 '아르테미스 프로젝트'는 '아폴로' 임무 이후 다시 한번 달 유인 착륙을 달성하고, 달 남극에서 측량과 실험, 샘플 수집을 실시하고, 남극에서의 장기적인 인간 활동을 지원하기 위한 기지를 구축한다는 계획이다. 달 표면. 미국은 또한 궤도 탐지를 통해 달의 물 분포를 구체적으로 연구하는 소규모 탐사 임무인 '루나 파이오니어(lunar pioneer)'를 발사할 계획이다. 또한 유럽, 일본, 인도, 한국 등 국가에서도 달수 탐지를 중요한 콘텐츠로 여기고 있다. 달의 물을 활용하기 위해서는 먼저 달의 물에 대해 보다 명확하게 이해해야 하며, 이를 위해서는 보다 정확한 관측 데이터가 필요합니다. 달은 대기가 없고, 근접 접근과 지속적인 운용에 편리한 궤도를 갖고 있다는 장점이 있다.연구자들은 달 근처 궤도(30km 미만)에 대한 지속적인 고해상도 측정을 달성하기 위해 "달 근처 궤도 별자리" 계획을 제안했습니다. 이는 달 물에 대한 전례 없는 정확한 정보를 얻는 데 도움이 될 것입니다(wei yong et al., 2024, 중국과학원회보).