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fuente: pixabay

hielo de agua, grupos hidroxilo, moléculas de agua durante los últimos treinta años, a medida que las sondas y los módulos de aterrizaje pasaban por la luna uno tras otro, los datos y las materias primas se transmitían continuamente de regreso, y los científicos trabajaron incansablemente, y la luna "seca y sin agua" se fue mostrando gradualmente. nosotros el otro lado de esto.

¿cuándo cambiaron las cosas? ¿es la visión de clementine sobre el polo sur de la luna, o es la mejora en precisión y sensibilidad de la tecnología moderna de sondas de iones, es el posicionamiento preciso de las moléculas de agua en las altas latitudes de la luna por parte del espectrómetro de espectro más amplio de sofia, o es el ¿frescura de chang'e 5? ¿devolución de muestra?

artículo escrito por lin honglei, investigador asociado, instituto de geología y geofísica, academia de ciencias de china

profesor asociado yao, universidad de hong kong

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los altibajos de la búsqueda de agua por parte de la luna

en 1994, la nave espacial estadounidense "clementine" se dirigió a la luna. esta fue la primera misión de exploración lunar dedicada de los estados unidos en 21 años después de la era del alunizaje "apolo".

a diferencia de las misiones anteriores de retorno de muestras de apolo, esta vez orbita la luna para realizar un estudio global detallado. lleva un sistema de observación por radar diseñado para buscar evidencia de agua en los polos lunares cooperando con los receptores de la red del espacio profundo en la tierra.

en 1996, el departamento de defensa de estados unidos anunció que los datos de la misión clementine mostraban depósitos de hielo de agua en el fondo de un cráter en un área permanentemente en sombra en el polo sur de la luna (nozette, et al., 1996, science). el volumen de este depósito era de unos 6 diez mil a 120.000 metros cúbicos, equivalente a un pequeño lago con una superficie de cuatro campos de fútbol y una profundidad de 5 metros. este descubrimiento ha vuelto a poner en el punto de mira el estudio del agua lunar.

¿por qué dices "re"? de hecho, el ser humano siempre ha estado lleno de ensoñaciones interminables sobre si hay agua en la luna. desde que galileo inventó el telescopio en 1609, que puede observar la luna con mayor claridad que el ojo humano, los astrónomos han descubierto que existen principalmente dos áreas distintas en la superficie de la luna, blanca y negra. creen que las áreas negras de la luna pueden estar cubiertas por agua líquida, por lo que usan palabras como "mar", "océano", "arroyo" y "bahía" para describir la forma del sistema de agua para nombrar las áreas negras. en la luna (wei yong et al., 2024, actas de la academia de ciencias de china). a mediados del siglo xx, los científicos utilizaron simulaciones numéricas para demostrar que el vapor de agua podía quedar atrapado en sombras permanentes en escalas de tiempo geológico. las misiones estadounidense "apolo" y soviética "luna" de 1969 a 1976 recogieron una gran cantidad de muestras de la luna y las devolvieron a la tierra, dando finalmente a la gente la oportunidad de medir directamente el contenido de agua en las muestras lunares. desafortunadamente, los resultados del análisis muestran que el suelo lunar es muy seco y las trazas de agua medidas no pueden descartar la contaminación de la atmósfera terrestre. al mismo tiempo, los instrumentos que los astronautas dejaron en la superficie lunar para detectar la atmósfera no pudieron detectar agua, lo que parecía hacer que "la luna está seca" era un hecho. esto también dio origen a la formación de la teoría de la colisión lunar.

¡los resultados de la detección por radar de la nave espacial "clementine" sin duda emitieron una señal positiva! sin embargo, las observaciones del radiotelescopio terrestre de arecibo han demostrado además que incluso en áreas sin sombras permanentes (que el hielo de agua no puede preservar), existen firmas de radar similares, posiblemente debido a otros factores como la rugosidad de la superficie (stacy, et al. al., 1997, ciencia). la cuestión de si hay hielo de agua en las regiones polares de la luna vuelve a ser un misterio.

el agua está compuesta de hidrógeno y oxígeno. medir el contenido de hidrógeno de la luna puede ser una forma de detectar agua. por lo tanto, en 1998 el lunar prospector llevaba un espectrómetro de neutrones para medir la distribución del hidrógeno lunar y vio grandes enriquecimientos de hidrógeno en los polos (feldman et al., 1998, science). ¿ha vuelto a haber agua en la luna? el debate sobre si la luna tenía agua continuó hasta 2008.

2008 fue un año extremadamente inusual para la búsqueda de agua en la luna. este año se produjeron dos acontecimientos importantes. lo primero es que la nave espacial india "chandrayaan-1" llevó a la órbita lunar el "lunar mineralogy mapper" estadounidense, que es el primer espectrómetro que puede medir directamente las moléculas de hidroxilo/agua lunares.

pronto, el equipo del profesor carle pieters de la universidad de brown, que estaba a cargo de este espectrómetro, descubrió señales obvias de moléculas de hidroxilo/agua en los datos, especialmente en las latitudes medias y altas de la luna. esto entusiasmó mucho al equipo del profesor carle pieters, pero también lo sorprendió: ¿cómo puede haber una señal de agua tan fuerte? ¿hay algún problema con la calibración del instrumento? pasaron varios meses examinando los datos y concluyeron que las señales eran válidas (pieters et al., 2009, science).

para garantizar aún más que se detectó agua, el equipo pidió a la sonda deep impact, que estaba en camino hacia el cometa, que regresara y realizara mediciones espectrales en la luna (sunshine et al., 2009, science), y desenterró la misión cassie a saturno. se volvieron a analizar los datos de observación espectral de la nave espacial ni durante su sobrevuelo de la luna en 1999 (clark, 2009, science), lo que confirmó que la señal del agua lunar es real.

al mismo tiempo, se ha producido un nuevo avance importante sobre el terreno, y esto es lo segundo.

el equipo del profesor alberto saal, también de la universidad de brown, pasó tres años utilizando la tecnología de sonda de iones (sims) para volver a analizar el vidrio volcánico (producto de las erupciones volcánicas) en el suelo lunar del apolo y encontró hasta 50 ppm de agua (. saal et al., 2008, nature), desafiando la visión tradicional de que "la luna no tiene agua" con evidencia concluyente. la tecnología de sonda de iones apareció desde la década de 1950. utiliza haces de iones de alta energía para bombardear la superficie de la muestra para liberar iones de hidrógeno y luego realizar mediciones.

esta tecnología también se ha utilizado en el análisis del suelo lunar temprano, pero la resolución espacial y la sensibilidad son relativamente bajas. con mejoras en la tecnología de detectores y fuentes de iones, la tecnología sims moderna es capaz de detectar contenidos de agua tan bajos como 5 ppm (cinco partes por millón). los avances tecnológicos han hecho posible medir con precisión el agua en el suelo lunar.alberto saal estudia principalmente la composición interna de la tierra. después de llegar a la universidad de brown, comenzó a ampliar sus investigaciones sobre la luna y los planetas cuando propuso estudiar el tema de "si hay agua dentro de la luna", advirtieron sus colegas. él que de la luna existente es poco probable que se descubra nueva información en la muestra. pero no se dio por vencido, con el apoyo de la tecnología avanzada moderna, finalmente logró un gran éxito. atribuyó este éxito a su falta de experiencia en el campo de la ciencia planetaria y a que no le afectaba el pensamiento fijo.

en 2009, la misión del satélite de detección y observación de cráteres lunares de los estados unidos (lcross) llevó a cabo un experimento de impacto en las regiones polares lunares, y la observación y el análisis de las salpicaduras del impacto confirmaron la existencia de agua (colaprete et al., 2010, science ).desde entonces, se ha convertido en un consenso general que la luna contiene agua.

los análisis de muestras de laboratorio y las observaciones de teledetección han proporcionado evidencia de que la luna tiene agua, pero falta un eslabón en la cadena de evidencia: las mediciones de campo de la superficie lunar.la sonda chang'e 5 de china aterrizó con éxito en las latitudes medias de la luna el 1 de diciembre de 2020. esta es la segunda misión de retorno de muestreo para humanos después de 1976, y llevaba un analizador de espectro de minerales lunares para obtener datos durante el proceso de muestreo. el espectro de la superficie lunar es exactamente como cuando salimos al "campo" de la luna. por primera vez hemos detectado la señal de agua en la superficie lunar a una distancia tan cercana y con alta resolución (lin, li). , xu et al., 2022, science advances; liu et al., 2022, nature communications), proporcionando otra evidencia irrefutable de que el agua está ampliamente distribuida en la luna.

después de que las muestras de chang'e-5 regresaron a la tierra, despertaron un gran entusiasmo entre los investigadores científicos, especialmente el estudio del agua en el suelo lunar. porque en comparación con misiones de muestreo lunares anteriores (es decir, el "apolo" estadounidense y la "luna" de la unión soviética), el suelo lunar de chang'e 5 proviene de una latitud más alta y es completamente diferente de las muestras de suelo lunar existentes. la humanidad. muy preciosa. hasta ahora, la administración nacional del espacio ha distribuido 7 lotes de 85,48 gramos de muestras de investigación científica a 131 equipos de investigación nacionales. en promedio, cada equipo sólo ha recibido unos pocos cientos de miligramos de muestras. utilizando una cantidad tan pequeña de muestras, los investigadores utilizaron tecnología de sonda de nanoiones y tecnología de espectroscopia infrarroja para encontrar un mayor contenido de agua en el suelo lunar (xu, tian et al., 2022, pnas; zhou et al., 2022, nature comunicaciones).

¿dónde se almacena principalmente el agua? después de descartar muchas posibilidades, los investigadores centraron su atención en las cuentas de vidrio que impactaron en el suelo lunar de chang'e-5.este es un tipo de muestra que ha recibido poca atención antes, porque este tipo de muestra tiene un "origen ordinario" y es producto del suelo lunar derretido por meteoritos. este proceso va acompañado de una transformación mixta de la roca original, lo que la hace incapaz de reflejar la información dentro de la luna como un "vidrio volcánico", por lo que pocas personas se interesaron por él en los primeros días.pero el vidrio de impacto es bastante abundante en el suelo lunar. gracias a la resolución espacial ultraalta de la tecnología de análisis de sondas de nanoiones, los investigadores han obtenido el contenido de agua exacto de la perla de vidrio de impacto del suelo lunar chang'e-5, lo que confirma que la perla de vidrio de impacto es un importante depósito de agua lunar y tiene la capacidad de mantener el agua lunar capacidad y potencial de circulación del agua superficial (he et al., 2023, nature geoscience). a medida que se profundiza en la comprensión del agua lunar, el estudio del ciclo del agua lunar se ha convertido gradualmente en un foco de atención.

¿qué es esta agua lunar de la que estamos hablando?

cuando se trata de agua, lo primero que piensa la gente es: ¿se puede beber? cuando decimos que hay agua en la luna, no nos referimos a océanos y lagos, sino a las moléculas de agua y los grupos hidroxilo (oh) que existen en la estructura de partículas del suelo lunar, o al hielo de agua que existe en las zonas de sombra permanente. de las regiones polares. entre ellos, el hielo de agua se refiere a un material sólido compuesto por muchas moléculas de agua, generalmente en forma de cristal hexagonal, mientras que las moléculas de hidroxilo/agua generalmente se combinan con minerales en la luna y están presentes en la estructura mineral.

la tecnología de sonda de iones de laboratorio mide el contenido de hidrógeno y luego lo convierte en contenido de agua, independientemente de si el agua existe en forma de grupos hidroxilo, moléculas de agua o hidrógeno. los espectrómetros de "chandrayaan-1" y "chang'e-5" tampoco pueden distinguir entre moléculas de hidroxilo y de agua debido a su estrecho rango de longitud de onda.

en 2011, los investigadores combinaron la sonda de iones y la tecnología de espectroscopía infrarroja por transformada de fourier para medir directamente el agua con hidroxilos en el suelo lunar del apolo (liu et al., 2011, nature geoscience). en 2020, el observatorio estratosférico de astronomía infrarroja (sofia) de estados unidos utilizó un espectrómetro de espectro más amplio para detectar agua molecular que puede existir de forma relativamente estable fuera de la zona de sombra permanente, confirmando por primera vez la existencia de agua molecular en la superficie lunar. (honniball et al., 2021, nature astronomy), esta exitosa noticia ha encendido las esperanzas de la gente sobre la utilización de los recursos hídricos lunares, porque el agua molecular es más fácil de utilizar que los grupos hidroxilo. sin embargo, no se ha encontrado evidencia clara de la presencia de agua molecular en muestras de suelo lunar. la investigación sobre muestras de chang'e-5 encontró que el vidrio de impacto contenía un mayor contenido de agua (he et al., 2023, nature geoscience). entonces, ¿será mayor la probabilidad de que exista agua molecular en el vidrio de impacto? con esta pregunta en mente, los investigadores realizaron mediciones detalladas en 12 perlas de vidrio de impacto de la muestra de chang'e-5 y detectaron la señal de agua molecular. descubrieron que entre el 20% y el 35% del agua en el vidrio de impacto era agua molecular. (zhou, mo et al., 2024, science advances).

¿de dónde viene el agua de la luna? esta pregunta se responde principalmente apoyándose en los isótopos de hidrógeno.el hidrógeno incluye principalmente isótopos estables de protio (h) y deuterio (d), y su masa aumenta en orden. al medir la relación deuterio/protio (d/h) en una muestra y compararla con posibles fuentes objetivo, es posible determinar de dónde proviene el agua.si el valor d/h es bajo, similar al del sol, significa que el agua fue llevada a la luna por el viento solar; si el valor d/h es alto, similar al de un cometa, significa que el valor d/h es bajo, similar al del sol, significa que el agua fue llevada a la luna por el viento solar; el agua puede haber sido llevada a la luna por el impacto de un cometa si d el valor /h está cerca de la tierra. si se excluye la influencia de la tierra, es el agua de la luna misma si el d/h. su valor está entre la tierra y los cometas, es posible que un asteroide que contenga agua lo lleve a la luna.por supuesto, a veces la relación d/h medida es el resultado de una mezcla de múltiples fuentes. en este caso, es necesario combinar otros isótopos, como carbono, nitrógeno, etc., para determinar mejor la fuente del agua. a través de mediciones de isótopos de hidrógeno de partículas del suelo lunar, se ha encontrado evidencia de que el agua proviene de múltiples fuentes, como el interior lunar, la inyección de viento solar y los impactos de asteroides/cometas (saal et al., 2008, nature; greenwood et al., 2011). , nature geoscience ; liu et al., 2011, nature geoscience; barnes et al., 2016, nature communications), estas fuentes incluso se encontraron simultáneamente en el vidrio de impacto de la muestra de chang'e-5 (he et al., 2023). , nature geoscience; zhou, mo et al., 2024, science advances), aumentando así la complejidad del problema de la fuente de agua lunar.

para determinar la principal fuente de agua con mayor significancia estadística, los investigadores realizaron análisis espectrales granulares en una gran cantidad de muestras de chang'e-5, proporcionando evidencia de que el viento solar es la principal fuente de agua del suelo lunar (lin et al. , boletín científico, 2024). los patrones cambiantes del contenido de agua en la superficie lunar obtenidos a partir de espectros de teledetección también indican diferentes fuentes de agua. el contenido de agua en la superficie lunar tiene variaciones diurnas, siendo mayor en la mañana y en la tarde y menor al mediodía, lo que indica la fuente de agua del viento solar, porque sólo el viento solar puede reponer rápidamente el agua perdida debido a las altas temperaturas al mediodía (li & milliken, 2017, science advances; wöhler et al., 2017 , science advances); hay algunas áreas donde el contenido de agua es anormalmente alto y, combinado con la topografía y las características del relieve, se ha determinado la existencia de agua dentro de la luna ( klima et al., 2013, nature geoscience; milliken & li, 2017, nature geoscience). el hielo de agua polar también puede ser causado por la difusión y migración de agua provocada por el viento solar, y finalmente se condensa y se forma en el área de sombra permanente de las regiones polares de la luna (pieters et al., 2009, science analysis of). los datos elementales de lcross indican que el impacto del cometa también es una fuente razonable (mandt et al., 2022, nature communications).

por supuesto, dado que la luna pasa casi un tercio de cada mes en la magnetosfera terrestre, no se puede descartar la contribución del viento terrestre al agua lunar (wei et al., 2020, geophysical research letters; wang et al., 2021 , astrophysical journal letters; li et al., 2023, nature astronomy).la cuestión de la fuente de agua lunar es extremadamente compleja y requiere muestras de más áreas, más observaciones y análisis más profundos para lograr una mayor comprensión.vale la pena señalar que el viento solar y el viento terrestre no solo son la fuente de agua lunar, sino también el entorno de radiación espacial al que debemos enfrentarnos directamente al realizar misiones de exploración tripuladas y no tripuladas a la luna para estudiar su radiación. las características y los mecanismos de cambio son la clave para las misiones lunares. una de las garantías importantes, también merece una atención especial.

la cantidad de agua disponible y si se puede utilizar son cuestiones que más preocupan a los humanos a la hora de establecer una base lunar y permanecer allí durante mucho tiempo en el futuro. esta cuestión se puede considerar desde dos aspectos partiendo de la existencia de agua en la luna. la primera es la región polar, que teóricamente almacena un mayor contenido de agua que otras regiones debido a su baja temperatura, en forma de hielo sucio (mezclado con suelo lunar) en la región permanentemente sombreada. la misión lcross analizó la pluma producida por el impacto al impactar la zona de sombra permanente del polo sur lunar y detectó que el lugar del impacto contenía aproximadamente un 5,6% en peso de hielo de agua (colaprete et al., 2010, science). la detección del espectro infrarrojo también obtuvo resultados similares y encontró que en algunas áreas donde la señal del hielo de agua es relativamente pura, el contenido de hielo de agua puede incluso alcanzar el 30% en peso (li et al., 2018, pnas). el hielo de agua en las regiones polares es actualmente el recurso lunar con mayor potencial y actualmente es el foco de exploración en todo el mundo. los investigadores han propuesto minería con calentamiento, perforación con calentamiento y otras ideas para extraer hielo de agua.sin embargo, debido a la complejidad de los entornos, como la baja temperatura, la baja gravedad y la falta de luz, todavía queda un largo camino por recorrer para lograr este objetivo. después de la extracción, también se deben considerar cuestiones como la separación, la purificación y el almacenamiento.

por otro lado, hay agua en el suelo lunar. esta agua existe en la estructura mineral. el contenido de agua es sólo de decenas a cientos de ppm (hay de decenas a cientos de gramos de agua en una tonelada de suelo lunar). es peor que eso en el desierto. tomando como ejemplo el área de muestreo de chang'e-5, una tonelada de suelo lunar contiene hasta 120 gramos de agua (lin, li, xu et al., 2022, science advances), pero esto también está relacionado con la latitud, y incluso puede alcanzar niveles más altos en latitudes más altas, entre 500 y 750 gramos (li & milliken, 2017, science advances). el agua del suelo lunar proviene principalmente de la inyección del viento solar. dado que la superficie específica del suelo lunar de grano fino es mayor, el contenido de agua será mayor que el de las partículas gruesas.el cribado granular puede ser una forma de explotar el agua del suelo lunar en latitudes medias y bajas.de 1.000 metros cúbicos de suelo lunar de grano fino (menos de 45 micras) se pueden extraer 108 kilogramos de agua. si se puede tamizar aún más fino, de 1.000 metros cúbicos de suelo lunar de menos de 10 micras se pueden extraer 840 kilogramos de agua. (lin et al., science bulletin, 2024). además, las zonas piroclásticas de la luna conservan una gran cantidad de agua, que puede alcanzar las 500 ppm (milliken & li, 2017, nature geoscience). sin embargo, extraer esta agua del suelo lunar requiere temperaturas de calentamiento más altas, y cómo obtener de manera eficiente la máxima relación entrada-salida es un desafío.

aunque existen muchas dificultades para utilizar el agua lunar, ya se han comenzado a desarrollar prototipos de principios relevantes. con el avance de la tecnología, se cree que los astronautas podrán beber agua lunar en un futuro próximo e incluso se podrá fabricar combustible para cohetes. de agua lunar.

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el agua es fuente de vida y su importancia es evidente. el agua también jugó un papel muy clave en la evolución de la luna. la nueva ronda de exploración lunar ha pasado de la exploración puramente científica a prestar igual atención a la investigación y aplicación científica, y ha propuesto planes futuros como "aldeas lunares" y "estaciones de investigación científica lunares". recibió más atención. el agua lunar desempeñará un papel importante en la futura exploración espacial y sentará una base importante para que la civilización humana vaya al espacio.todavía existe controversia sobre la distribución espaciotemporal del agua lunar. la obtención de contenido y distribución de agua de alta precisión y alta resolución en la luna es el objetivo de futuras exploraciones.

tanto el "chang'e-7" como el "chang'e-8" de mi país llevarán a cabo una exploración detallada en el polo sur lunar, especialmente la detección de recursos hídricos en las regiones polares. alrededor de 2030, el marco básico de una investigación científica lunar internacional. se construirá una estación de investigación. también se ha incluido en el orden del día la exploración lunar tripulada. el "proyecto artemis" de los estados unidos logrará una vez más un aterrizaje tripulado en la luna después de la misión "apolo", realizará estudios, experimentos y recogerá muestras en el polo sur lunar, y construirá una base para apoyar las actividades humanas a largo plazo en el superficie lunar. estados unidos también planea lanzar una pequeña misión de exploración "lunar pioneer" para estudiar específicamente la distribución del agua en la luna mediante detección orbital. además, europa, japón, india, corea del sur y otros países también consideran un contenido importante la detección de agua lunar. para utilizar el agua lunar, primero debemos comprenderla más claramente, lo que requiere datos de observación más precisos. la luna tiene la ventaja de no tener atmósfera y una órbita que es conveniente para un acercamiento cercano y un funcionamiento continuo.los investigadores han propuesto un plan de "constelación de órbita casi lunar" para lograr mediciones continuas de alta resolución de las órbitas cercanas a la luna (por debajo de los 30 kilómetros), lo que nos ayudará a obtener información precisa sin precedentes sobre el agua lunar (wei yong et al., 2024, actas de la academia china de ciencias).