О том, что на Луне присутствует кислород астрономам известно достаточно давно. Однако, лишь недавно космический аппарат из Японии смог подтвердить догадки ученых, обнаружив этот элемент, но это не главное. Оказалось, что лунный кислород имеет схожую природу с земным. Данное открытие удалось совершить благодаря зонду SELENE, а его автором стал руководитель исследовательской группы Кентаро Тедара, представляющий университет Осаки. Подробная информация о проделанной работе и ее результатах не так давно уже публиковалась в журнале Nature Astronomy.
Откуда же на Луне земной кислород?
Ученые говорят о том, что новая информация позволит более детально исследовать вопрос формирования Земли многие миллиарды лет назад. Кроме того, исследователи рассчитывают получить больше данных о том, в каком состоянии находилась атмосфера нашей планеты в столь древние времена.
Ежемесячно на протяжении почти пяти дней лунную поверхность от солнечных ветров надежно закрывает магнитосфера Земли. По мнению некоторых астрономов, ионы кислорода могли попасть на спутник нашей планеты в один из таких временных отрезков. После чего они и остались в верхнем слое лунного грунта и его породе. Тысячелетия геологическая активность Земли уничтожала хоть какие-то свидетельства касательно атмосферы планеты в древние времена. Обнаруженные в лунном грунте ионы кислорода могут оказаться нетронутыми на протяжении миллиардов лет частицами древней атмосферы нашей планеты. Собрав образцы этого элемента, ученые постараются ответить на вопросы, касающиеся изменений земной атмосферы с течением времени, а также о том, как эти процессы могли влиять на изменение и развитие разных живых форм.
Исследование ионов лунного кислорода может не только рассказать об истории Земли. Не исключено, что частицы могут сыграть важную роль в процессе подготовки человечества к освоению других планет. Ни о какой колонизации космоса не может быть речи без необходимого для жизни человека кислорода. А то, что его нашли именно на Луне, которая находится к нам ближе всего, может оказаться решающим фактором при организации колониальных миссий уже в ближайшем будущем.
Луна может стать новым домом для землян
Что касается планов Японии, то в стране уже было объявлено о планах по отправке своего астронавта на Луну. Это событие должно состояться ближе к 2030 году. Ранее некоторые специалисты и бизнесмены высказывались о том, что человечеству по силам осуществить строительство постоянной колонии на лунной поверхности. Кроме Японии власти ОАЭ также высказывались о планах по строительству колонии на спутнике. Так или иначе, многие современные ученые сходятся в том, что следующим шагом в освоении космических просторов людьми должна стать колонизация Луны. Очень может быть, что уже в обозримом будущем нам удастся узнать станет ли Луна для человека первым внеземным домом.
Доставлять кислород на Луну — занятие слишком хлопотное и дорогостоящее
Источником кислорода для будущей постоянной обитаемой базы может послужить местный грунт, реголит
Какими бы ни были наши планы по освоению Луны — использовать ее для добычи полезных ресурсов, как научную базу, как промежуточную площадку для стартов к более далеким объектам — будущие обитатели лунной базы нуждаются в воздухе для дыхания.
Однако доставлять туда необходимые количества кислорода (который, к тому же, может понадобиться и как компонент ракетного топлива) слишком хлопотно и дорого. По оценке специалистов, отправить килограмм на Луну стоит 100 тыс. долларов. Немудрено, что ученые изыскивают все возможные пути для того, чтобы база могла вырабатывать максимум необходимого прямо на месте — об этих проектах и планах мы писали в заметке «Лунная архитектура ».
Поиски технологий для выделения кислорода из лунной породы (реголита) ведутся уже не первый год. В 2005 г. NASA объявило о 250-тысячном вознаграждении для команды, которая найдет способ извлечь хотя бы 5 кг кислорода из симулированного лунного грунта за 8 часов. Победителей не нашлось, и несколько лет спустя сумма приза увеличилась до 1 млн долларов — но и тогда никто не сумел решить задачу.
Лишь недавно кембриджский химик Дерек Фрей (Derek Fray) и его коллеги рапортовали о том, что у них есть потенциальное решение, созданное на основе электрохимического процесса, созданного той же группой в 2000 г. и предназначенного для получения чистого металла и сплавов из оксидов. Металлические оксиды, которые в изобилии встречаются в реголите, используются при этом в качестве катода, а роль анода выполняет углерод. Оба электрода погружаются в расплав электролита (хлорида кальция, который становится жидким примерно при 800°C).
Ток, текущий через систему, отрывает атомы кислорода от молекул оксида и переводит их в раствор. Обладая отрицательным зарядом, здесь они двигаются к положительному аноду и отдают лишние электроны, реагируя с углеродом и выделяя диоксид углерода (углекислый газ). Разумеется, что при этом анод постепенно деградирует — зато на катоде остается чистый металл.
Задача Фрея и его группы состояла в том, чтобы научиться получать на аноде не углекислый газ, а чистый кислород. Для этого они решили использовать электрод не из углерода, а из куда более инертного вещества — титаната кальция. Сам по себе он является довольно плохим проводником электричества, но если добавить в него немного рутената кальция, эта проблема снимается. Такая смесь позволила ученым получить материал для анода, который хорошо проводит ток и, в общем-то, не подвержен эрозии при использовании в процессе электролиза. После эксперимента, в котором реакция на нем проходила непрерывно 150 часов, они подсчитали, что анод будет даже при непрерывной работе «худеть» на считанные сантиметры в год.
В своих экспериментах ученые использовали симулированный реголит JSC-1 , который создан и производится по заказу NASA. И они оценили, что три таких электрохимических «реактора» (каждый примерно метр в высоту) смогут вырабатывать из него тонну кислорода в год. При этом на получение этого количества газа будет уходить 3 тонны реголита — почти 100% содержащегося в нем кислорода переходит в газ.
Не стоит думать, что для нагрева раствора и работы аппарата потребуются огромные запасы энергии. Если использовать эффективную термоизоляцию, тройка реакторов потребует всего 4,5 КВт, что им вполне могут обеспечить установленные тут же солнечные батареи, не говоря уж о ядерном мини-реакторе, который, по некоторым планам, тоже будет установлен на Луне.
Дерек Фрей заявляет, что при необходимом финансировании (ученый называет цифру в 16,5 млн долларов) он готов собрать полноценный прототип устройства с дистанционным управлением.
Во вторник, 31 января, стало известно, что японские ученые обнаружили на Луне предполагаемые следы земного кислорода. Открытие позволил сделать японский зонд, находившийся на лунной орбите. По-видимому, кислород был занесен с Земли солнечным ветром, который унес из нашей атмосферы большое количество ионов, осевших потом на лунной поверхности. Мы поговорили с главой отдела исследований Луны и планет ГАИШ МГУ по Луне о том, что это значит и какие еще перспективы открывает для нас естественный спутник.
А был ли кислород?
Астрономы анализировали данные, полученные зондом «Кагуя», который находился на лунной орбите с 2007 по 2009 год, после чего врезался в поверхность Луны. Однако авария не помешала зонду собирать данные - в результате ученые сошлись на том, что на поверхности спутника Земли имеется тонкий слой земного кислорода, занесенный на Луну солнечным ветром.
Владислав Шевченко - известный исследователь в области изучения Луны, доктор физико-математических наук, президент Международной ассоциации планетных наук и заслуженный научный сотрудник Московского университета. Он положительно оценивает новое открытие, но считает, что не все так однозначно и требуются более точные исследования, исключающие деформацию образцов при транспортировке на Землю.
«Луна принадлежит к телам Солнечной системы, не имеющим защитного слоя. Такие тела постоянно подвергаются падению метеоритов разных масс, поэтому поверхностный слой - регалит - дробится и имеет пескообразный вид. Пока что я не встречал научных данных о том, что какие-либо связанные с Землей ионы были обнаружены в химическом составе этого слоя. По-видимому требуются более тонкие эксперименты, чтобы их обнаружить. Те образцы, которые были доставлены на землю, не всегда находятся в первозданном состоянии. Любое слабое механическое воздействие может навредить результату - особенно, когда речь идет об ионах, и исследование ведется на молекулярном уровне. Исследования в земных лабораториях могут дать, конечно, более точный результат, однако из-за перемещения нельзя гарантировать 100-процентный результат», - сообщил он.
Луна неизвестная
Несмотря на буквальную обозреваемость Луны, знаем мы о ней далеко не все, убежден Владислав Шевченко. Современные исследования «холодного спутника» могут стать ключом к разгадке истории не только нашей планеты, но и всей Солнечной системы.
«Исследования эволюционных процессов, которые происходят в системе „Земля-Луна“, важны для понимания происхождения Солнечной системы, поскольку их можно в какой-то мере проецировать на прошлое. Однако они могут ответить и на вопросы о современной эволюции космических тел», - утверждает исследователь
На данный момент в распоряжении астрономов имеется несколько гипотез по этим вопросам. Некоторое время назад популярностью пользовалась теория о том, что Луна образовалась вследствие столкновения некоего космического тела с Землей. Произошел выброс, перешедший на околоземную орбиту, который и привел к образованию спутника. Затем появились сведения о том, что возраст некоторых образцов на лунной поверхности превышает 4,5 миллиарда лет - это совпадает с приблизительным возрастом Солнечной системы. На первый план вышла гипотеза Эрика Михайловича Галимова, директора Института геохимических исследований РАН. В ней предполагается, что Земля и Луна образовались одновременно из газополевого облака.
Зачем нам Луна?
В Федеральной космической программе 2016−2025 впервые в списке поставленных перед учеными задач упоминается «освоение Луны». Это предполагает использование новых технологий и проведение принципиально новых экспериментов, считает Владислав Шевченко. К каким это приведет результатам, рассуждать пока не приходится: в любой момент может открыться ранее неизвестное явление, которое вновь поставит перед наукой ряд не самых очевидных вопросов.
Отвечая на вопрос о том, как Луна и научные сведения о ней могут пригодиться вне научных областей, как правило, говорят о прикладных задачах - таких, например, как добывание редких материалов. Владислав Шевченко на протяжении многих лет в своих выступлениях объясняет, как именно спутник Земли может послужить пополнению земных резервов.
«Наша цивилизация подошла к такому уровню развития, когда высокие технологии приобретают все большее значение. Скажем, в мобильном телефоне многие детали изготовлены отчасти из редкоземельных материалов. На Земле, по оценкам экспертов, залежей руды при современных темпах производства хватит где-то на 20−30 лет. Такие металлы в избытке содержатся в астероидах, которые падают на Луну и становятся доступны на ее поверхности», - рассуждает Шевченко.
Эта стратегия находит себе подтверждение и в экономических расчетах. Один килограмм редкого материала иридия имеет рыночную стоимость порядка 32 тысяч долларов. Доставка иридия с Луны, таким образом, не только окупила бы транспортировку, но и покрыла бы первоначальные расходы на подготовку, открывая промышленной области перспективу хорошей прибыли.
Совсем недавно NASA впервые дало разрешение частной фирме Moon Express заниматься самостоятельными полетами на Луну с целью разработки ее ресурсов. Правительственные органы даже объявил, что с этой корпорации будут на определенный срок сняты налоговые обязательства. Таким образом, «лунная гонка» только стартовала, и, быть может, скоро мы сможем наблюдать ее первых фаворитов. А пока нам остается с надеждой смотреть на небо и ждать, когда Луна будет окончательно освоена землянами.
Продюсер: Максим Барабанов
Ионы кислорода из атмосферы Земли время от времени достигают лунной поверхности.
Как известно, на Луне отсутствует атмосфера, вернее, она настолько разрежённая, что можно уверенно считать, что её там нет. А раз нет атмосферы, то не может быть и никаких атмосферных осадков, если, конечно, не считать за осадки падения астероидов, следы от которых богато усеивают лунную поверхность. Однако исследователи из Японии выяснили, что при определённых условиях на Луне может идти настоящий «дождик», только не простой, а из ионизированных атомов кислорода. Ну и где же кислородные лужи, спросите вы?
Полная луна, как ее видят в южном полушарии (Фото: PsJeremy / Flickr.com.)
Японский исследовательский аппарат Кагуя, выведенный в 2007 году на орбиту Луны. (Фото: JAXA.)
Земной кислород попадает на Луну в те моменты, когда она находится в определённой зоне магнитосферы Земли. (Фото: Osaka Univ. / NASA.)
Они есть, правда, искать их нужно совсем не в Море Дождей и даже не в Море Влажности, а прямо в лунном грунте, или реголите, на глубине порядка десятка нанометров. Хотя стоит сказать, что зарегистрировать кислородный «дождь» удалось вовсе не на поверхности, а с исследовательского аппарата «Кагуя» (SELENE), который почти два года провёл на орбите Луны. И хотя сам аппарат уже почти восемь лет как упал на лунную твердь, исследователи продолжают изучать полученные им данные и делать интересные открытия.
Среди прочего оборудования на борту «Кагуи» были анализаторы заряженных частиц, которые позволяли детектировать ионы химических элементов в окололунном пространстве - если мимо аппарата полетал какой-нибудь заряженный атом, то можно было определить, что это за атом и какая у него энергия. Работы у прибора было немало, поскольку космос хоть и кажется на первый взгляд пустым, на самом деле насыщен различными частицами.
Больше всего частиц дает Солнце – это так называемый солнечный ветер, состоящий из электронов, протонов, ядер атома гелия (альфа-частиц) и других элементов. Опасность солнечного ветра не только в том, что он несет вредные для живых существ частицы, но и в том, что он способен попросту сдуть с планеты её атмосферу. Тут Земле определённо повезло – её от потери атмосферы защищает собственное магнитное поле, отклоняющее солнечный ветер, не давая превратить нашу планету в безжизненную пустыню, как, например, случилось с Марсом.
Однако вернёмся к Луне и к японскому аппарату, вращавшемуся по её орбите. Анализаторы «Кагуи» смогли определить состав заряженных частиц, и среди них оказались ионизированные атомы кислорода. Однако аппарат не мог установить, откуда они прилетели: от Солнца, с Земли или с самой Луны. И именно эту задачу недавно решили исследователи из Японии. Они сопоставили сигнал, полученный от приборов, с пространственным положением Солнца, Луны, Земли и собственно самого исследовательского аппарата. В результате выяснилось, что в те моменты, когда Земля закрывала собой Луну от солнечного ветра, «Кагуя» фиксировал сигнал от ионов кислорода; кроме того, их изотопный состав указывал на их земное, а не солнечное происхождение – так удалось разобраться в аномалиях изотопного состава кислорода из образцов исследованного ранее лунного грунта. Полностью результаты исследований опубликованы в журнале Nature Astronomy .
Таким образом, исследователи сделали вывод, что атомы кислорода из атмосферы Земли способны достигать поверхности Луны, если та попадает в определённую зону земной магнитосферы. Стоит ли нам бояться, что Луна когда-нибудь отберёт весь наш земной кислород? Очевидный ответ – нет, раз уж за всё время нашей с Луной «совместной жизни» атмосфера с Земли никуда не делась.
Но интересно оценить сам масштаб «утечки». Условия, которые благоприятствуют «путешествию» кислорода с Земли на Луну, держаться всего лишь несколько дней в месяц. За это время каждую секунду на квадратный сантиметр поверхности Луны попадает 26 000 атомов кислорода. Если перевести на вес, то получится, что Луна каждый год «крадёт» у Земли порядка 400 кг кислорода, что вполне сопоставимо с тем, сколько кислорода за тот же период потребляет один человек.
