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fonte: pixabay

gelo de água, grupos hidroxila, moléculas de água nos últimos trinta anos, à medida que sondas e sondas passavam pela lua, uma após a outra, dados e matérias-primas eram continuamente transmitidos de volta. nós o outro lado disso.

quando as coisas mudaram? é o vislumbre de clementine sobre o pólo sul da lua, ou é a melhoria na precisão e sensibilidade da moderna tecnologia de sonda iônica, é o posicionamento preciso das moléculas de água do espectrômetro de espectro mais amplo da sofia nas altas latitudes da lua, ou é o frescura de chang'e 5 retorno da amostra?

artigo escrito por lin honglei, pesquisador associado, instituto de geologia e geofísica, academia chinesa de ciências

professor associado yao, universidade de hong kong

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os altos e baixos da busca da lua por água

em 1994, a espaçonave "clementine" dos estados unidos correu para a lua. esta foi a primeira missão de exploração lunar dedicada dos estados unidos em 21 anos após a era do pouso na lua "apollo".

diferente das missões anteriores de retorno de amostras da apollo, desta vez ele está orbitando a lua para uma pesquisa global detalhada. ele carrega um sistema de observação por radar projetado para procurar evidências de água nos pólos lunares, cooperando com receptores da deep space network na terra.

em 1996, o departamento de defesa dos eua anunciou que os dados da missão clementine mostraram depósitos de água gelada no fundo de uma cratera, numa área permanentemente sombreada no pólo sul da lua (nozette, et al., 1996, science). o volume desta jazida era de cerca de 6 dez mil a 120 mil metros cúbicos, equivalente a um pequeno lago com área de quatro campos de futebol e profundidade de 5 metros. esta descoberta trouxe o estudo da água lunar de volta à vista das pessoas.

por que você diz "re"? na verdade, os seres humanos sempre estiveram cheios de devaneios intermináveis ​​sobre se existe água na lua. desde que galileu inventou o telescópio em 1609, que pode observar a lua com mais clareza do que o olho humano, os astrónomos descobriram que existem principalmente duas áreas distintas na superfície da lua, a branca e a preta. eles acreditam que as áreas pretas da lua podem ser cobertas por água líquida, por isso usam palavras como “mar”, “oceano”, “riacho” e “baía” para descrever a forma do sistema de água para nomear as áreas pretas. na lua (wei yong et al., 2024, china proceedings of the academy of sciences). em meados do século xx, os cientistas usaram simulações numéricas para mostrar que o vapor de água poderia ficar preso em sombras permanentes em escalas de tempo geológicas. as missões americanas "apollo" e soviética "moon" de 1969 a 1976 coletaram um grande número de amostras da lua e as devolveram à terra, finalmente dando às pessoas a oportunidade de medir diretamente o conteúdo de água nas amostras lunares. infelizmente, os resultados da análise mostram que o solo lunar é muito seco e os vestígios de água medidos não podem excluir a poluição da atmosfera terrestre. ao mesmo tempo, os instrumentos que os astronautas deixaram na superfície lunar para detectar a atmosfera não conseguiram detectar água, o que parecia tornar “a lua está seca” um facto. isso também deu origem à formação da teoria da colisão lunar.

os resultados da detecção de radar da espaçonave "clementine" emitiram sem dúvida um sinal positivo! no entanto, observações do radiotelescópio terrestre de arecibo mostraram ainda que mesmo em áreas sem sombras permanentes (que a água gelada não pode preservar), existem assinaturas de radar semelhantes, possivelmente devido a outros factores, como a rugosidade da superfície (stacy, et al. al., 1997, ciência). a questão de saber se existe água gelada nas regiões polares da lua está mais uma vez envolta em mistério.

a água é composta de hidrogênio e oxigênio. medir o conteúdo de hidrogênio da lua pode ser uma forma de detectar água. portanto, em 1998, o lunar prospector transportou um espectrómetro de neutrões para medir a distribuição do hidrogénio lunar e observou grandes enriquecimentos de hidrogénio nos pólos (feldman et al., 1998, science). existe água na lua de novo? o debate sobre se a lua tinha água continuou até 2008.

2008 foi um ano extremamente incomum para a busca por água na lua. houve dois grandes eventos neste ano. a primeira coisa é que a espaçonave "chandrayaan-1" da índia levou o "mapeador de mineralogia lunar" americano para a órbita lunar, que é o primeiro espectrômetro que pode medir diretamente as moléculas de hidroxila/água lunares.

logo, a equipe do professor carle pieters, da universidade brown, responsável por este espectrômetro, descobriu sinais óbvios de moléculas de hidroxila/água nos dados, especialmente nas latitudes médias e altas da lua. isso deixou a equipe do professor carle pieters muito entusiasmada, mas também muito surpresa: como poderia haver um sinal de água tão forte? há algo errado com a calibração do instrumento? passaram vários meses examinando os dados e concluíram que os sinais eram válidos (pieters et al., 2009, science).

para garantir ainda mais que a água foi de fato detectada, a equipe pediu à sonda deep impact, que estava a caminho do cometa, que voltasse e conduzisse medições espectrais na lua (sunshine et al., 2009, science), e desenterrou a missão cassie a saturno. os dados de observação espectral da nave espacial ni durante o seu sobrevôo pela lua em 1999 foram reanalisados ​​(clark, 2009, science), o que confirmou que o sinal da água lunar é real.

ao mesmo tempo, houve um novo grande avanço no terreno, e esta é a segunda coisa.

a equipe do professor alberto saal, também da brown university, passou três anos usando tecnologia de sonda iônica (sims) para reanalisar o vidro vulcânico (produto de erupções vulcânicas) no solo lunar da apollo, e encontrou até 50 ppm de água (. saal et al., 2008, nature), desafiando a visão tradicional de que a lua não tem água com evidências conclusivas. a tecnologia de sonda iônica surgiu desde a década de 1950. ela usa feixes de íons de alta energia para bombardear a superfície da amostra para liberar íons de hidrogênio e, em seguida, realizar medições.

esta tecnologia também tem sido usada na análise do solo lunar inicial, mas a resolução espacial e a sensibilidade são relativamente baixas. com melhorias na fonte de íons e na tecnologia de detectores, a moderna tecnologia sims é capaz de detectar teores de água tão baixos quanto 5 ppm (cinco partes por milhão). os avanços tecnológicos tornaram possível medir com precisão a água no solo lunar.alberto saal estuda principalmente a composição interna da terra. depois de ingressar na brown university, começou a expandir suas pesquisas sobre a lua e os planetas quando se propôs estudar o tema “se há água dentro da lua”, alertaram seus colegas. ele que da lua existente é improvável que novas informações sejam descobertas na amostra. mas ele não desistiu. com o apoio da tecnologia avançada moderna, ele finalmente alcançou grande sucesso. ele atribuiu esse sucesso à sua falta de experiência no campo da ciência planetária e ao fato de não ser afetado pelo pensamento fixo.

em 2009, a missão de observação e detecção de crateras lunares por satélite (lcross) dos estados unidos conduziu um experimento de impacto nas regiões polares lunares, e a observação e análise dos respingos de impacto confirmaram a existência de água (colaprete et al., 2010, science ).desde então, tornou-se um consenso geral que a lua contém água.

a análise de amostras laboratoriais e as observações de sensoriamento remoto forneceram evidências de que a lua tem água, mas falta um elo na cadeia de evidências: medições de campo da superfície lunar.a sonda chang'e 5 da china pousou com sucesso nas latitudes médias da lua em 1º de dezembro de 2020. esta é a segunda missão de retorno de amostragem para humanos depois de 1976, e carregava um analisador de espectro mineral lunar para obter dados durante o processo de amostragem. o espectro da superfície lunar é exatamente como saímos no “campo” da lua. pela primeira vez, detectamos o sinal de água de uma distância tão próxima e com alta resolução na superfície lunar (lin, li,). xu et al., 2022, science advances; liu et al., 2022, nature communications), fornecendo outra evidência sólida de que a água está amplamente distribuída na lua.

após o retorno das amostras da chang'e-5 à terra, elas despertaram grande entusiasmo de pesquisa entre os pesquisadores científicos, especialmente o estudo da água no solo lunar. porque em comparação com missões de amostragem lunar anteriores (ou seja, a "apollo" americana e a "lua" da união soviética), o solo lunar chang'e 5 vem de uma latitude mais alta e é completamente diferente das amostras de solo lunar existentes de. humanos. muito precioso. até agora, a administração espacial nacional distribuiu 7 lotes de 85,48 gramas de amostras de pesquisa científica para 131 equipes de pesquisa nacionais. em média, cada equipe recebeu apenas algumas centenas de miligramas de amostras. usando uma quantidade tão pequena de amostras, os pesquisadores usaram tecnologia de sonda de nano-íons e tecnologia de espectroscopia infravermelha para encontrar um maior teor de água no solo lunar (xu, tian et al., 2022, pnas; zhou et al., 2022, nature comunicações).

onde a água é armazenada principalmente? depois de descartar muitas possibilidades, os pesquisadores voltaram sua atenção para as esferas de vidro impactantes no solo lunar da chang'e-5.este é um tipo de amostra que recebeu pouca atenção antes, porque esse tipo de amostra tem uma “origem comum” e é produto do derretimento do solo lunar por meteoritos. este processo é acompanhado pela transformação mista da rocha original, o que a torna incapaz de refletir a informação dentro da lua como o “vidro vulcânico”, por isso poucas pessoas se interessavam por ela nos primeiros dias.mas o vidro de impacto é bastante abundante no solo lunar. graças à resolução espacial ultra-alta da tecnologia de análise de sonda de nano-íons, os pesquisadores obtiveram o conteúdo preciso de água da esfera de vidro de impacto do solo lunar chang'e-5, confirmando que a esfera de vidro de impacto é um importante reservatório de água lunar e tem a capacidade de manter a água lunar. capacidade e potencial de circulação da água superficial (he et al., 2023, nature geoscience). com o aprofundamento da compreensão da água lunar, o estudo do ciclo da água lunar tornou-se gradualmente um foco.

o que é essa água lunar de que estamos falando?

quando se trata de água, a primeira coisa que as pessoas pensam é: pode ser bebida? quando dizemos que há água na lua, não estamos nos referindo a oceanos e lagos, mas a moléculas de água e grupos hidroxila (oh) que existem na estrutura de partículas do solo lunar, ou ao gelo de água que existe nas áreas de sombra permanente. das regiões polares. entre eles, o gelo de água refere-se a um material sólido composto por muitas moléculas de água, geralmente em forma de cristal hexagonal, enquanto as moléculas de hidroxila/água são geralmente combinadas com minerais na lua e estão presentes na estrutura mineral.

a tecnologia de sonda iônica de laboratório mede o conteúdo de hidrogênio e depois o converte em conteúdo de água, independentemente de a água existir na forma de grupos hidroxila, moléculas de água ou hidrogênio. os espectrômetros de "chandrayaan-1" e "chang'e-5" também não conseguem distinguir entre moléculas de hidroxila e de água devido à sua estreita faixa de comprimento de onda.

em 2011, os pesquisadores combinaram sondas de íons e tecnologia de espectroscopia infravermelha com transformação de fourier para medir diretamente a água hidroxila no solo lunar da apollo (liu et al., 2011, nature geoscience). em 2020, o observatório estratosférico de astronomia infravermelha (sofia) nos estados unidos usou um espectrômetro de espectro mais amplo para detectar água molecular que pode existir de forma relativamente estável fora da zona de sombra permanente, confirmando pela primeira vez a existência de água molecular na superfície lunar. (honniball et al., 2021, nature astronomy), esta notícia de grande sucesso despertou as esperanças das pessoas quanto à utilização dos recursos hídricos lunares, porque a água molecular é mais fácil de utilizar do que os grupos hidroxila. no entanto, nenhuma evidência clara da presença de água molecular foi encontrada em amostras de solo lunar. a pesquisa em amostras chang'e-5 descobriu que o vidro de impacto continha um maior teor de água (he et al., 2023, nature geoscience). então, a probabilidade de existência de água molecular no vidro de impacto será maior? com esta questão em mente, os pesquisadores realizaram medições detalhadas em 12 esferas de vidro de impacto da amostra chang'e-5 e detectaram o sinal de água molecular. eles descobriram que 20% a 35% da água no vidro de impacto era água molecular. (zhou, mo et al., 2024, avanços da ciência).

de onde vem a água da lua? esta questão é respondida principalmente com base nos isótopos de hidrogênio.o hidrogênio inclui principalmente isótopos estáveis ​​de prótio (h) e deutério (d), e sua massa aumenta em ordem. medindo a proporção deutério/prótio (d/h) em uma amostra e comparando-a com possíveis fontes alvo, é possível determinar de onde vem a água.se o valor d/h for baixo, semelhante ao do sol, significa que a água foi trazida à lua pelo vento solar; se o valor d/h for alto, semelhante ao de um cometa, significa que o valor de d/h é alto, semelhante ao de um cometa; a água pode ter sido trazida para a lua pelo impacto de um cometa; se d o valor de /h estiver próximo da terra. se a influência da terra for excluída, é a própria água da lua; valor está entre a terra e os cometas, pode ser levado à lua por um asteróide contendo água.claro, às vezes a relação d/h medida é o resultado de uma mistura de múltiplas fontes. neste caso, é necessário combinar outros isótopos, como carbono, nitrogênio, etc., para determinar melhor a fonte da água. através de medições de isótopos de hidrogênio de partículas do solo lunar, foram encontradas evidências de que a água vem de múltiplas fontes, como o interior lunar, injeção de vento solar e impactos de asteroides/cometas (saal et al., 2008, nature; greenwood et al., 2011). , nature geoscience; liu et al., 2011, nature geoscience; , nature geoscience; zhou, mo et al., 2024, science advances), aumentando assim a complexidade da questão da fonte de água lunar.

a fim de determinar a principal fonte de água com maior significância estatística, os investigadores realizaram análises espectrais granulares num grande número de amostras de chang'e-5, fornecendo evidências de que o vento solar é a principal fonte de água do solo lunar (lin et al. , boletim científico, 2024). as mudanças nos padrões do conteúdo de água superficial lunar obtidos com base em espectros de sensoriamento remoto também indicam diferentes fontes de água. o teor de água na superfície lunar tem variações diurnas, sendo maior pela manhã e à noite e menor ao meio-dia, indicando a fonte de água do vento solar, pois somente o vento solar pode repor rapidamente a água perdida devido às altas temperaturas ao meio-dia (li & milliken, 2017, science advances; wöhler et al., 2017, science advances); klima et al., 2013, nature geoscience; o gelo de água polar também pode ser causado pela difusão e migração de água causada pelo vento solar e, finalmente, condensa e se forma na área de sombra permanente das regiões polares da lua (pieters et al., 2009, science). a análise dos dados elementares do lcross indica que o impacto do cometa também é uma fonte razoável (mandt et al., 2022, nature communications).

é claro que, como a lua passa quase um terço de cada mês na magnetosfera terrestre, a contribuição do vento terrestre para a água lunar não pode ser descartada (wei et al., 2020, geophysical research letters; wang et al., 2021 , astrophysical journal letters; li et al., 2023, nature astronomy).a questão da fonte da água lunar é extremamente complexa e requer amostras de mais áreas, mais observações e análises mais aprofundadas para obter uma maior compreensão.vale ressaltar que o vento solar e o vento terrestre não são apenas a fonte da água lunar, mas também o ambiente de radiação espacial que precisamos enfrentar diretamente ao realizar missões de exploração tripuladas e não tripuladas à lua. características e mecanismos de mudança são a chave para as missões lunares. uma das garantias importantes, também merece atenção especial.

a quantidade de água disponível e se ela pode ser usada são questões que preocupam mais os humanos ao estabelecer uma base lunar e permanecer lá por muito tempo no futuro. esta questão pode ser considerada a partir de dois aspectos baseados na existência de água na lua. a primeira é a região polar, que teoricamente armazena maior teor de água do que outras regiões devido à sua baixa temperatura, na forma de gelo sujo (misturado com solo lunar) na região permanentemente sombreada. a missão lcross analisou a pluma produzida pelo impacto ao impactar a área de sombra permanente do pólo sul lunar e detectou que o local do impacto continha aproximadamente 5,6% em peso de gelo de água (colaprete et al., 2010, science). a detecção do espectro infravermelho também obteve resultados semelhantes e descobriu que em algumas áreas onde o sinal de gelo de água é relativamente puro, o conteúdo de gelo de água pode até atingir 30% em peso (li et al., 2018, pnas). o gelo de água nas regiões polares é atualmente o recurso lunar com maior potencial e é atualmente o foco de exploração em todo o mundo. os pesquisadores propuseram mineração de aquecimento, perfuração de aquecimento e outras ideias para extrair gelo de água.porém, devido à complexidade de ambientes como baixa temperatura, baixa gravidade e ausência de luz, ainda há um longo caminho a percorrer para atingir esse objetivo. após a mineração, questões como separação, purificação e armazenamento também devem ser consideradas.

por outro lado, há água no solo lunar. esta água existe na estrutura mineral. o conteúdo de água é de apenas dezenas a centenas de ppm (há dezenas a centenas de gramas de água em uma tonelada de solo lunar). é pior do que isso no deserto. tomando como exemplo a área de amostragem chang'e-5, uma tonelada de solo lunar contém até 120 gramas de água (lin, li, xu et al., 2022, science advances), mas isto também está relacionado com a latitude, e pode até atingir valores mais elevados em latitudes mais altas, 500-750 gramas (li & milliken, 2017, science advances). a água no solo lunar vem principalmente da injeção do vento solar. como a área de superfície específica do solo lunar de granulação fina é maior, o conteúdo de água será maior do que o das partículas grossas.a triagem granular pode ser uma forma de explorar a água do solo lunar em latitudes médias a baixas.108 quilogramas de água podem ser extraídos de 1.000 metros cúbicos de solo lunar de granulação fina (menos de 45 mícrons). se puder ser peneirado ainda mais fino, 840 quilogramas de água podem ser extraídos de 1.000 metros cúbicos de solo lunar menor que 10 mícrons. (lin et al., boletim científico, 2024). além disso, as áreas piroclásticas da lua preservam uma grande quantidade de água, que pode chegar a 500 ppm (milliken & li, 2017, nature geoscience). no entanto, extrair esta água do solo lunar requer temperaturas de aquecimento mais elevadas, e como obter eficientemente a relação entrada-saída máxima é um desafio.

embora existam muitas dificuldades na utilização da água lunar, protótipos de princípios relevantes já começaram a ser desenvolvidos. com o avanço da tecnologia, acredita-se que os astronautas poderão beber água lunar num futuro próximo, e até mesmo combustível de foguete. ser feito de água lunar.

para onde ir

a água é a fonte da vida e a sua importância é evidente. a água também desempenhou um papel fundamental na evolução da lua. a nova rodada de exploração lunar passou da exploração puramente científica para prestar igual atenção à pesquisa e aplicação científica, e propôs planos futuros como "aldeias lunares" e "estações de pesquisa científica lunares". recebeu mais atenção. a água lunar desempenhará um papel importante na futura exploração espacial e estabelecerá uma base importante para a civilização humana ir para o espaço.ainda há controvérsia sobre a distribuição espaço-temporal da água lunar. a obtenção de conteúdo e distribuição de água de alta precisão e alta resolução na lua é o foco da exploração futura.

tanto o "chang'e-7" quanto o "chang'e-8" do meu país conduzirão uma exploração detalhada no pólo sul lunar, especialmente a detecção de recursos hídricos nas regiões polares. por volta de 2030, a estrutura básica de uma pesquisa científica lunar internacional. estação de pesquisa será construída. a exploração lunar tripulada também foi colocada na agenda. o "projeto artemis" dos estados unidos alcançará mais uma vez o pouso tripulado na lua após a missão "apollo", conduzirá pesquisas, experimentos e coletará amostras no pólo sul lunar, e construirá uma base para apoiar atividades humanas de longo prazo no superfície lunar. os estados unidos também planejam lançar uma pequena missão de exploração “lunar pioneer” para estudar especificamente a distribuição de água na lua por meio de detecção em órbita. além disso, europa, japão, índia, coreia do sul e outros países também consideram a detecção de água lunar um conteúdo importante. para fazer uso da água lunar, primeiro precisamos entendê-la com mais clareza, o que requer dados observacionais mais precisos. a lua tem a vantagem de não ter atmosfera e de uma órbita que é conveniente para aproximação e operação contínua.os pesquisadores propuseram um plano de "constelação de órbita quase lunar" para obter medições contínuas de alta resolução de órbitas próximas à lua (abaixo de 30 quilômetros), o que nos ajudará a dominar informações precisas sem precedentes sobre a água lunar (wei yong et al., 2024, anais da academia chinesa de ciências).