Есть ли ядро у луны: GISMETEO: На Луне тепло или холодно?

Содержание

На поверхности Луны обнаружен материал ее мантии • Кирилл Власов • Новости науки на «Элементах» • Астрономия, Геология

Средняя мощность лунной коры — около 50 километров. Поскольку значимой атмосферы у Луны нет, предполагается, что крупные метеориты могут пробивать ее кору насквозь, достигая мантии. Однако доказать или опровергнуть эту гипотезу до последнего времени было нельзя. Спектрометры, установленные на лунных орбитальных станциях, показывали наличие в некоторых кратерах предположительно мантийных минералов, содержащих магний и железо, но точно определить состав или хотя бы соотношения основных элементов в них не удавалось. Команда китайских ученых, обработав материалы, собранные луноходом «Юйту-2» в кратере Фон-Карман, установила, что в реголите кратера есть значительные количества низкокальциевого пироксена и оливина — минералов, типичных для мантии. Это подтверждает гипотезу о том, что некоторые из кратеров Луны являются «окнами» в лунную мантию.

Согласно существующим моделям эволюции планет, на ранних стадиях своего формирования Луна была очень горячей. Она была покрыта сплошным магматическим океаном, в котором постепенно произошла гравитационная дифференциация вещества: более легкие соединения поднялись к поверхности, а более тяжелые опустились к центру. По мере остывания этого океана образовались кора, мантия и ядро Луны. Эти геологические оболочки сильно отличаются по составу и свойствам друг от друга. Например, лунное ядро отчетливо видно при анализе распространения сейсмических волн через толщу Луны (см. R. C. Weber et al., 2011. Seismic Detection of the Lunar Core; «лунотрясения» происходят регулярно из-за приливного воздействия со стороны Земли и падения метеоритов).

Несмотря на определенное сходство строения Земли и Луны, а также на то, что, по самой популярной версии, Луна образовалась примерно 4,6 млрд лет назад после столкновения Земли с другим довольно крупным космическим телом (подробнее об этом см. в новости Луна могла сформироваться из выплеснувшейся на орбиту земной магмы, «Элементы», 16.05.2019), лунная кора сильно отличается от земной.

Есть два типа земной коры: океаническая и континентальная. Океаническая кора постоянно обновляется: появляется в зонах срединно-океанических хребтов, а исчезает в зонах субдукции; самые древние образцы коры этого типа имеют возраст 340 млн лет. Для океанической коры характерно слоистое строение: сверху расположен осадочный слой, под ним — слой базальтов (это основной тип пород, слагающих океаническую кору), а снизу — слой плутонических пород. В составе континентальной коры тоже выделяют слои, но их, в первом приближении, два: под осадочными породами залегают в основном граниты и гнейсы, образующиеся в процессе метаморфизма и гранитного магматизма, также связанного с субдукцией. Древнейшему блоку континентальной коры примерно 4,1 млрд лет.

Как видно, большую роль в формировании обоих типов земной коры играют вода, участвующая в преобразовании минералов в земных недрах и ответственная за формирование осадочных пород, и субдукция. Но, по современным представлениям, субдукция началась лишь в архее — примерно через 500 млн лет после затвердевания поверхности Земли, которая тоже в начале своей истории была покрыта океаном магмы (см. Сульфидные включения в алмазах свидетельствуют о том, что субдукция началась еще в архее, «Элементы», 06.05.2019). Скорее всего, «первичная» земная кора — по сути, застывшая поверхность магматического океана — была по составу ближе к лунной коре, но от нее, увы, ничего не осталось.

Лунная кора сформировалась около 4,5 млрд лет назад в последнюю фазу кристаллизации магматического океана и состоит преимущественно из плагиоклазов, слагающих породы, называемые анортозитами. Плагиоклазы имеют сравнительно низкую плотность (~2,5 г/см³) и всплывают к поверхности магматического океана, тогда как пироксены (~3,3 г/см³) и оливины (3,2–4,5 г/см³) тонут. Поэтому лунная кора состоит из плагиоклазовых пород, а мантия — из содержащих оливин и пироксен. Там, где эта первичная кора выступает на поверхность, находятся светлые части — лунные материки, а в районе лунных морей ее перекрывают излившиеся позже базальты. Механизм формирования базальтовых магм универсален и работает на Луне точно так же, как на Земле: они образуются при частичном плавлении пород, состоящих из оливинов и пироксенов (типичных пород земной мантии), и обнаружение их на Луне было прямым свидетельством в пользу наличия у нее мантии, состоящей именно из этих минералов. В целом, по существующим гипотезам и моделям (M. Wieczorek et al., 2006. The constitution and structure of the lunar interior, C. Shearer et al., 2006. Thermal and magmatic evolution of the Moon), в лунной мантии должно быть много оливина, однако искать его оказалось сложно.

О породах, слагающих лунную кору, мы достаточно хорошо знаем благодаря материалам миссий «Аполлонов», «Лун» и ряда орбитальных станций, а вот точные данные о составе и строении лунной мантии практический отсутствуют. «Аполлоны» не доставили на Землю ни одного образца, похожего на мантийный, да и среди лунных метеоритов кандидаты также отсутствуют: ни оливинов, ни пироксенов найдено не было. Некоторую информацию о строении мантии удалось получить за счет обработки сейсмических данных, собранных астронавтами во время высадок, а также благодаря изучению геохимии лунных базальтов, однако они не позволяют ответить на главный вопрос: каков химический состав и пропорции слагающих лунную мантию минералов, хотя бы в верхней ее части?

Как уже было сказано выше, если опираться на данные лунных миссий, проводить аналогии со строением Земли и исходить из известных нам геологических закономерностей (таких как, например, ряд Боуэна — последовательность кристаллизации минералов из магмы), то можно уверенно утверждать, что в лунной мантии есть оливины и пироксены. Но каково их соотношение в разных зонах мантии, как меняется содержание магния и железа и какую роль играют другие минералы — еще только предстоит выяснить. Без этой информации, к сожалению, невозможно точно восстановить скорость формирования Луны, состав исходного материала и особенности происходивших на ней геологических процессов.

Для Земли ответы на эти вопросы были найдены двумя способами. Первый способ (и более простой со всех точек зрения) — изучение фрагментов мантии, ксенолитов, вынесенных на поверхность за счет вулканизма. Особенно хорошо подходят кимберлитовые трубки — подводящие каналы древних вулканов, корни которых уходят к основанию коры и иногда захватывают алмазы даже из нижней мантии (см. Голубые алмазы сформировались в нижней мантии Земли, «Элементы», 07.09.2018). Второй способ — бурение. Как известно, ни Кольская сверхглубокая скважина (глубиной 12 262 м), ни немецкий проект KTB (9101 м) не достигли даже нижней части коры. Потенциально успешные проекты бурения более тонкой океанической коры или некоторых зон в Альпах (где мантийное вещество, предположительно, близко к поверхности) пока что находятся на стадии разработки.

Как ни странно, для Луны порядок сложности обратный. Полноценная геологическая кампания по поиску ксенолитов потребовала бы поистине астрономических усилий. А вот с прямым изучением мантии дела могут обстоять куда лучше. Предполагается, что крупные метеориты в прошлом могли пробивать тонкую лунную кору, достигая верхов мантии, благодаря чему вещество мантии может быть найдено на дне гигантских кратеров. Самой большой из них — бассейн Южный полюс — Эйткен. Его диаметр примерно равен 2500 км, а глубина достигает 8 км. Возраст кратера оценивается в 4,2–4,3 млрд лет. Он расположен на обратной стороне Луны и был детально изучен с помощью инструмента Moon Mineralogy Mapper (M³), установленного на индийской станции Чандраян-1 (D. Moriarty III, C. Pieters, 2018. The Character of South Pole?Aitken Basin: Patterns of Surface and Subsurface Composition). Инструмент М³ показал, что в районе этого кратера есть значительное количество минералов железа (рис. 2), однако их происхождение и геологическое положение были не ясны. Преимущественно это были пироксены, а оливин был точно обнаружен лишь в двух местах (S. Yamamoto et al., 2012. Olivine-rich exposures in the South Pole-Aitken basin). На фоне того, что бассейн не был целиком покрыт излившимися базальтами, в которых много железа, а измеренное содержание этого элемента все же было значительно выше, чем на обычных лунных материках (T. H. Prettyman et al., 2006. Elemental composition of the lunar surface: Analysis of gamma ray spectroscopy data from Lunar Prospector), наблюдаемая картина была озадачивающей и требующей дополнительных исследований.

Результаты современных математических моделей столкновений крупных космических тел с поверхностью Луны показывают, что событие, приведшее к формированию бассейна, совершенно точно пробило бы лунную кору и привело к экскавации мантийного материала (R. W. K. Potter et al., 2012. Constraining the size of the South Pole-Aitken basin impact, H. J. Melosh et al., 2017. South Pole-Aitken basin ejecta reveal the Moon’s upper mantle). Однако тот факт, что оливина почти не нашли, свидетельствует либо против этих гипотез, либо против предположения о том, что в кратере наблюдается именно мантийный материал.

3 января 2019 года китайская станция «Чанъэ-4» совершила мягкую посадку в кратере Фон-Карман, лежащем внутри бассейна Южный полюс — Эйткен (см. картинку дня Обратная сторона Луны). Через 12 часов после посадки луноход «Юйту-2» отделился от станции и приступил к исследованию кратера. На ровере установлены 4 основных инструмента: панорамная камера, георадар, спектрометр VNIS (работающий в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах) и анализатор нейтральных атомов (energetic neutral atom).

При выборе места посадки основными критериями были удобство района для прилунения и научные цели, основная из которых — изучение потенциального вещества лунной мантии. Относительно гладкая поверхность кратера Фон-Карман (его диаметр около 186 км) подходит для этого как нельзя лучше. Рядом расположены кратеры Фон-Карман М (диаметром 225 км), кратер Лейбниц (диаметром 245 км) и наиболее молодой из перечисленных 72-километровый кратер Финсен. Все эти кратеры перекрывают бассейн Южный полюс — Эйткен и, значит, образовались позже него. Центральные пики кратера Финсен (рис. 3) характеризуются самым высоким содержанием ортопироксена во всём бассейне, и точно установлено, что материал от столкновения, приведшего к образованию кратера, был выброшен в район посадки станции «Чанъэ-4». Близость кратера с пиками и выбросов повышала шансы обнаружить лунный мантийный материал в месте будущей работы лунного ровера.

Главный прибор для диагностики минерального состава лунного грунта на борту «Чанъэ-4» — это спектрометр VNIS (visible and near-infrared imaging spectrometer). Принцип его работы следующий. Фотоны взаимодействуют с веществом на поверхности Луны и либо поглощаются им, либо отражаются от него — это зависит от длины волны фотона и от энергии химических связей в веществе в месте попадания. Итоговый спектр регистрируется детектором, и по положению пиков поглощения определяется конкретный минерал (разным минералам соответствуют разные «библиотечные» спектры), а по их интенсивности — относительные пропорции присутствующих минералов.

Обработав данные, полученные с помощью этого прибора, команда китайских ученых опубликовала в журнале Nature статью, в которой дала детальную характеристику минерального состава лунного грунта в месте высадки.

Спектры CE4_0015 и CE4_0016 были получены в первый лунный день (рис. 4, а) в путевых точках 15 и 16 соответственно. После удаления фона и аппроксимации пиков параболами, были получены центры полос поглощения обоих спектров — для дальнейшего выяснения минерального состава поверхности. Эти спектры отличаются от спектров, полученных станцией «Чанъэ-3» в Море Дождей (рис. 4): пики поглощения в них имеют меньшую интенсивность, а графики возрастают при увеличении длины волны, что указывает на большую степень космического выветривания (С. Pieters et al., 2000. Space weathering on airless bodies: resolving a mystery with lunar samples). Центры полос поглощения на длине волны 1 и 2 мкм смещены в сторону меньших длин волн, что указывает на присутствие низкокальциевого пироксена и оливина. В целом, можно заключить, что лунные почвы в районе исследования станции «Чанъэ-4» обогащены материалом, содержащим магний и железо и отличным от того, который встречается в лунных базальтах.

Пироксены — группа минералов, для которых характерно образование твердых растворов, в которых одно и то же место в структуре минерала (в зависимости от условий образования) могут занимать разные атомы. Так, возможен непрерывный ряд составов минералов от чистого Mg₂Si₂O₆ до CaFeSi₂O₆, при этом положение полос поглощения будет разным для каждого из возможных составов. Для уточнения типа пироксена положение полос поглощения на 2 мкм и 1 мкм, характерных для этого минерала, было нанесено на график, на котором наиболее магнезиальные разновидности попадают в нижний левый угол, а наиболее кальциево-железистые — в верхний правый (рис. 5). Спектр CE4_0015 лежит немного выше зоны, характерной для высокомагнезиальных пироксенов, а спектр CE4_0016 — сильно выше. Подобные отклонения интерпретируются как высокий вклад оливиновой составляющей (пик поглощения оливина находится примерно на 1,05 мкм), причем в точке 16 его содержание выше, чем в точке 15.

После математической обработки спектров и сопоставления их с конкретными минералами выяснилось, что лучше всего они описываются смесью низко/высококальциевого пироксена и оливина в следующих пропорциях: в точке CE4_0015 отношение LCP:HCP:Ol равно 42:10:48, в точке CE4_0016 — 38:7:55.

Несмотря на то, что после образования кратер Фон-Карман заполнился лавами базальтового состава (J. Huang et al., 2018. Geological characteristics of Von Karman crater, northwestern South Pole Aitken basin: Chang’E 4 landing site region), спектры, полученные «Чанъэ-4», отличаются от спектров типичных лунных базальтов (см. рис. 5). Этому есть объяснение. На самом деле анализируемый материал был иного происхождения: он был выброшен из соседнего кратера Финсен. Это хорошо заметно, если посмотреть на фотографию, сделанную станцией «Чанъэ-1», и на данные, полученные инструментом М³ (рис. 6): видно, что места анализа находятся на одной из двух линейных структур, сходящихся к кратеру Финсен, которые и являются полосами пород, выброшенных из него при образовании.

Известно, что дно кратера Финсен преимущественно сложено породами, насыщенными низкокальциевым пироксеном (рис. 6), составляющим 42% и 38% от общего количества минералов в точках анализа «Юйту-2». На основе этого, а также данных распределения минералов, полученных инструментом M³, можно заключить, что китайский луноход проанализировал не базальты, заполнившие кратер, а материал верхней мантии Луны, пусть и перемещенный. Более того, частично снимается загадка «ускользающего» оливина. Вероятнее всего, корректной является гипотеза, высказанная ранее (S. Yamamoto et al., 2012. Olivine-rich exposures in the South Pole-Aitken basin): лунное выветривание ухудшает возможность обнаружения оливина с помощью орбитальных спектрометров, тогда как находящиеся на поверхности аппараты сообщают о более чем 50% этого минерала в грунте.

Полученные данные не только подтверждают гипотезу о глубоком проникновении древних гиперимпактов, но и дают возможность спланировать новые лунные миссии, в которых вещество лунной мантии будет изучено напрямую в местах обнажения, например в самом кратере Финсен. Более того, относительный минеральный состав (пусть и весьма предварительный) дает возможность выдвинуть новые гипотезы относительно строения и механизмов образования мантии Луны.

Источник: Chunlai Li et al. Chang’E-4 initial spectroscopic identification of lunar far-side mantle-derived materials // Nature. 2019. DOI: 10.1038/s41586-019-1189-0.

Кирилл Власов

Луна имеет расплавленное ядро | Технологии на Рынке ИТ

Главная
Рынок
org/ListItem»>
Технологии

26.08.2014Автор

Николай Блинков

Группа ученых из Китая, Японии и США пришла к выводу, что ядро Луны пребывает в расплавленном состоянии. Причина высокой температуры в ядре Луны кроется в некой дополнительной энергии со стороны…

Луна продолжает преподносить астрономам сюрпризы. Вслед за сенсационным обнаружением 200 «лунных колодцев» – отверстий, ведущих вглубь небесного тела и, вероятно, оканчивающихся пещерами, группа ученых из Китая, Японии и США пришла к выводу, что ядро Луны пребывает в расплавленном состоянии.

Ранее считалось, что Луна, вследствие небольших размеров и отсутствия крупных запасов металлов, не содержит в себе расплавленного слоя. В отличие от Земли, основным источником энергии внутри которой являются радиоактивные элементы, такие как торий-232, уран-238 и уран-235, а также радиоактивный изотоп калия (калий-40). Меньшая часть тепла – это результат сжатия вещества, имевшего места на стадии формирования планеты. В результате внутри Земли поддерживается температура порядка 6000 °C при давлении примерно 360 ГПа.

На Луне отсутствуют все вышеперечисленные условия, поэтому по логике она должна быть холодной. И хотя Луна содержит небольшое железное ядро, его диаметр всего 360 километров. Кроме того, из-за небольшой массы давление в центре Луны ниже земного (порядка 4 ГПа).

Предполагалось, что температура в центре Луны также невысока – не превышает 1000 °C, что ниже температуры плавления железа. Однако в ходе обработки результатов миссии SELENE (SELenological and ENgeneering Explorer) удалось выяснить, что внутри Луны температура значительно выше, а внешняя оболочка ядра имеет вязкое, полурасплавленное состояние (внутрие ядро, вероятно, все-таки твердое за счет давления). Слой, вплотную примыкающий к ядру, также частично расплавлен. Установить факт высокой температуры в сердцевине Луны удалось, зафиксировав изменения формы спутника нашей планеты в зависимости от силы земного притяжения (приливных сил Земли).

По словам ведущего исследователя группы ученых Юджи Харада (Yuji Harada) из Китайского университета геологических наук (China University of Geosciences), причина высокой температуры в ядре Луны кроется в некой дополнительной энергии со стороны. Он полагает, что источником этой энергии служат приливные силы со стороны Земли, которые деформируют внутренний слой в Луне, за счет чего и возникает дополнительная энергия. Что касается температуры в центре спутника, то в силу того, что мантия Луны состоит из ряда горных пород, точный показатель определить сложно. Впрочем, есть некий ориентир: диоксид кремния, один из основных элементов лунных горных пород, плавится при 1600 °C. Полностью мантия Луны перешла бы в жидкое состояние при температуре выше 2000 °C, но таких условий внутри нее, скорее всего, нет. Тем не менее ученые рассчитали, что расплавленный слой Луны составляет 480 км.

Журнал IT News

Предыдущая
Трансгуманоидная перчатка от MIT

Следующая
Движение воздушных масс на карте в Интернете

Хотите узнавать о новых материалах первыми?

Подписывайтесь на рассылку

Новостная лента

Главное за неделю

Нажимая на кнопку, я принимаю условия соглашения.

Сюрприз! Земля и Луна состоят из разных материалов.

Это составное изображение Луны было построено с использованием данных, собранных миссией НАСА «Клементина» в 1994 году.
(Изображение предоставлено НАСА)

Луна и Земля могут отличаться больше, чем считалось ранее, что бросает вызов существующим моделям формирования Луны , говорится в новом исследовании.

Земля возникла около 4,5 миллиардов лет назад, и предыдущие исследования показали, что Луна возникла вскоре после этого. В течение последних трех десятилетий преобладающим объяснением происхождения Луны было то, что она возникла в результате столкновения двух протопланет или зародышевых миров. Одной из них была новорожденная Земля, а другой — скала размером с Марс по прозвищу Тейя, в честь матери Луны в греческом мифе. «После того, как пыль осела, осталось два тела — Земля и Луна», — сказал Space.com соавтор нового исследования Закари Шарп, планетолог из Университета Нью-Мексико в Альбукерке.

Эта «гипотеза гигантского удара», по-видимому, объясняла многие детали Земли и Луны, такие как большие размеры Луны по сравнению с Землей и скорости вращения двух тел. Тем не менее, за последние 20 или около того лет появились данные, опровергающие эту гипотезу и предлагающие множество альтернатив.

Связанный: Как образовалась Луна: 5 диких лунных теорий

Компьютерные модели сценария гигантского столкновения часто говорят, что 70% к 90% луны должны быть сделаны из материала с Тейи. Проблема в том, что большинство тел в Солнечной системе имеют уникальный химический состав, поэтому Земля, Тейя — и, следовательно, Луна — тоже должны. Однако образцы горных пород, возвращенные с Луны миссиями «Аполлон» , показывают, что состав естественного спутника сверхъестественно похож на состав Земли, гораздо больше, чем предсказывают такие модели для версий элементов, называемых изотопами. (Каждый изотоп элемента имеет разное количество нейтронов в атомном ядре. )

Это крайнее сходство изотопов таких элементов, как кислород, создало большие проблемы для сценария гигантского столкновения. Одна из возможностей заключается в том, что протоземля и Тейя с самого начала были почти идентичны, когда дело дошло до изотопов кислорода, что кажется маловероятным. Другая состоит в том, что изотопы кислорода протоземли и Тейи были полностью смешаны после столкновения, возможно, из-за удара настолько сильного, что испарила большую часть ранней Земли , а Луна вышла из образовавшегося пончика. масса в форме синестия . Но этот и другие сценарии могут потребовать маловероятных условий столкновения, заявили ученые.

В новом исследовании исследователи провели новые высокоточные измерения уровней изотопов кислорода в ряде лунных образцов. Исследователи расширили предыдущую работу, сосредоточившись на самых разных типах лунного камня.

Ученые обнаружили тонкие, но регулярные различия в изотопном составе кислорода в зависимости от типа тестируемой лунной породы, сказал Шарп. Это говорит о том, что предыдущая работа, которая усредняла лунные изотопные данные, игнорируя различия в типах горных пород, могла не дать точной картины различий между Землей и Луной.

«Приступая к этому проекту, ожидалось, что наши результаты, вероятно, будут отражать результаты предыдущих исследований», — сказал Space.com ведущий автор исследования Эрик Кано, геохимик по стабильным изотопам из Университета Нью-Мексико. «Самая удивительная часть наших результатов заключалась в том, что мы обнаружили количество вариаций между отдельными лунными образцами».

Связанный: Как была создана Луна: объяснение эволюции Луны (инфографика)

Чтобы объяснить эти выводы, исследователи предположили, что гигантское столкновение между прото-Землей и Тейей действительно привело к смешению тел. . Тем не менее, получившиеся Луна и Земля имели разные составы, хотя и очень похожие, сказал Шарп.

Позже, в первые 1000 или около того лет после удара, испарившаяся порода из диска обломков, оставшихся после удара, вероятно, привела к тому, что «лава падала на Луну в течение сотен лет», сказал Шарп. Сложные физические и химические взаимодействия между этим лавовым дождем и океаном магмы, покрывавшим новорожденную луну, могли затем привести к тому, что изотопный состав кислорода в самых верхних лунных породах был более похож на земной. Напротив, образцы, взятые из глубокой лунной мантии, имели самый различный изотопный состав кислорода из протестированных лунных пород по сравнению с Землей.

Наиболее важным выводом из этих открытий является то, что модели гигантского столкновения больше не должны учитывать практически неразличимый изотопный состав кислорода между Землей и Луной, сказал Кано. «Я думаю, что это откроет двери для совершенно нового диапазона сценариев воздействия», — добавил он.

Будущие исследования могут расширить это новое исследование путем анализа других лунных образцов, сказал Кано. «Препятствием для этого будущего исследования может быть ограниченное количество материала, полученного от миссий «Аполлон», — сказал он. «Некоторые из этих типов лунных пород были возвращены в очень небольших количествах, и их очень трудно получить для изучения».

Кано, Шарп и соавтор исследования Чип Ширер, ученый-луновед, также работающий в Университете Нью-Мексико, подробно рассказали о своих открытиях онлайн в понедельник (9 марта) в журнале Nature Geoscience.

Из чего сделана луна?
Как образовалась Луна?
Луна на Земле: где сейчас находятся лунные камни НАСА «Аполлон»?

Следите за Чарльзом К. Чоем в Твиттере @cqchoi . Следите за нами в Twitter @Spacedotcom и в Facebook .

(откроется в новой вкладке)

ПРЕДЛОЖЕНИЕ: Сэкономьте не менее 56% с нашим последним предложением журнала! (открывается в новой вкладке)

Журнал «Все о космосе» (открывается в новой вкладке) отправляет вас в захватывающее дух путешествие по Солнечной системе и за ее пределы, от удивительных технологий и космических кораблей, которые позволяют человечеству отправиться на орбиту, до сложности космонавтики.

Присоединяйтесь к нашим космическим форумам, чтобы продолжать обсуждать последние миссии, ночное небо и многое другое! А если у вас есть новость, исправление или комментарий, сообщите нам об этом по адресу: [email protected].

Чарльз К. Чой — автор статей для Space.com и Live Science. Он охватывает все, что связано с человеческим происхождением и астрономией, а также физику, животных и общие научные темы. Чарльз имеет степень магистра гуманитарных наук Университета Миссури-Колумбия, Школу журналистики и степень бакалавра гуманитарных наук Университета Южной Флориды. Чарльз побывал на всех континентах Земли, пил прогорклый чай с маслом яка в Лхасе, плавал с морскими львами на Галапагосских островах и даже взбирался на айсберг в Антарктиде. Посетите его на http://www.sciwriter.us

Mining the Moon — Curious

Космическая добыча. Пока это из области научной фантастики, но очень скоро это может стать реальной возможностью, и наша собственная Луна может стать главной целью.

Что же такого есть на Луне, что делает ее столь заманчивой для космических шахтеров? Есть ли в нем много крупных скрытых месторождений золота, алмазов или редких металлов? Хотя Луна содержит залежи многих материалов, представляющих большую ценность для нас здесь, на Земле, есть еще две вещи, которые вызвали большой интерес: вода и гелий.

Использование воды в качестве ракетного топлива

Если вы думали, что ваша последняя зарубежная поездка была немного дорогой, подумайте о тех, кто занимается исследованием космоса. Космические путешествия невероятно дороги и ресурсоемки. Ракета, запущенная с Земли, должна нести с собой все топливо, необходимое ей, чтобы избежать сильного гравитационного притяжения Земли, а затем добраться до места назначения, а иногда и после этого снова вернуться на Землю. Чем больше топлива вам нужно нести с собой, тем больший вес вы добавляете к своей ракете, а это значит, что вам потребуется еще больше топлива, чтобы толкнуть ее в космос.

Чтобы отправить что-либо в космос, требуется много топлива. Изображение адаптировано из: SpaceX; CC0

Если бы где-нибудь по пути были места для дозаправки ракет… например, станция техобслуживания на орбите Луны.

Ученые недавно нашли «окончательные доказательства» существования водяного льда на Луне. Это было захватывающее открытие по нескольким причинам, особенно в контексте будущего, когда люди потенциально могли бы жить на Луне. Такая местная вода могла бы использоваться людьми для питья, купания и выращивания растений.

Возможно, более непосредственное применение этой воде — изготовление ракетного топлива. Молекулы воды состоят из водорода и кислорода, которые очень полезны для ракетного топлива. Молекулы можно разделить, пропуская электрический ток через воду (электролиз), получая водород и кислород, которые затем можно хранить в виде жидкостей, готовых к запуску ракеты.

Если бы где-нибудь по пути были места для дозаправки ракет… ну, например, станция техобслуживания на орбите Луны.

Это может позволить ракетам покидать Землю с достаточным запасом топлива, чтобы добраться до Луны, где они смогут дозаправиться, прежде чем двигаться к следующему пункту назначения. В качестве альтернативы топливо с Луны может быть доставлено на топливный склад на низкой околоземной орбите, что позволит ракетам состыковаться для дозаправки ближе к дому. В любом случае это означает более эффективное использование топлива и энергии, что потенциально может позволить космическим кораблям путешествовать намного глубже в космос и снизить затраты на исследования космоса.

Использование гелия-3 для получения энергии

Одно дело думать о ресурсах, которые нам нужны для освоения космоса, но нам также нужно найти новые решения для обеспечения энергией нашей жизни прямо здесь, на Земле. Нам необходимо найти новые экономичные способы производства энергии, которые не зависят от ограниченных ресурсов (таких как ископаемое топливо) и наносят меньший ущерб окружающей среде.

Может ли быть решение на Луне? Потенциально — и это связано с гелием, элементом с целой кучей применений, которые гораздо более впечатляющие, чем наполнение воздушных шаров для вечеринок или скрипучий голос. Например, гелий теоретически можно использовать для получения огромного количества энергии в результате ядерных реакций синтеза.

Тот же элемент, что и воздушные шары для вечеринок, можно использовать для термоядерной энергии. Изображение адаптировано из: Сагар Патил; CC0

Чтобы использовать гелий для термоядерного синтеза, вам нужен изотоп (форма) гелия под названием гелий-3, в ядре которого на один нейтрон меньше, чем в «обычном» гелии. Слияние двух таких атомов вместе (или слияние атома гелия-3 с атомом дейтерия, изотопа водорода) при очень высокой температуре и давлении дает огромное количество энергии. На самом деле, ядерный синтез — это то, что питает Солнце и другие звезды — это производство энергии в гораздо большем масштабе по сравнению с любыми современными технологиями здесь, на Земле!

Столкновение двух атомов гелия-3 дает огромное количество энергии. Изображение адаптировано из: Borb; CC BY SA 3.0

Энергия ядерного синтеза все еще является теоретической технологией, а не практической реальностью. Несмотря на множество текущих исследований и разработок, маловероятно, что мы увидим работающую технологию производства энергии на основе синтеза еще как минимум десять лет. Есть еще несколько серьезных препятствий, которые необходимо преодолеть, например, найти способ локализовать задействованные высокотемпературные материалы и справиться с нейтронами, которые высвобождаются в большинстве термоядерных реакций, которые могут повредить стенки реактора.

С гелием-3 выброс нейтронов не проблема. С другими радиоактивными побочными продуктами также не приходится иметь дело. Это огромное преимущество по сравнению с некоторыми другими экспериментальными реакциями синтеза, такими как синтез дейтерия и трития (еще одного изотопа водорода), или с существующими процессами ядерного деления.

Гелий-3 путешествует в космосе с помощью потоков заряженных частиц, исходящих от Солнца, называемых солнечным ветром, но магнитное поле Земли не позволяет этим частицам достичь нас. На Луне практически нет магнитного поля, поэтому ее поверхность бомбардируется всеми этими заряженными частицами (включая гелий-3). Это делает слой камня и пыли на поверхности Луны хорошим кандидатом на получение нескольких материалов, которых на Земле гораздо меньше.

Теоретически гелий можно использовать для получения огромного количества энергии в реакциях ядерного синтеза. ядерного синтеза, мы могли бы генерировать огромное количество энергии без радиоактивных побочных продуктов и без выбросов парниковых газов. Хотя до этого еще очень далеко.

Кто должен добывать Луну?

Несмотря на трудности, освоения ресурсов Луны достаточно, чтобы вдохновить частные компании и космические агентства из разных стран серьезно отнестись к добыче полезных ископаемых на Луне. В связи с этим возникают два очень важных вопроса: кому принадлежит Луна и какое влияние окажет добыча на Луне на Землю?

Не беспокойтесь: добыча гелия не приведет к тому, что Луна сдуется и упадет с неба. Добыча полезных ископаемых также не окажет достаточного воздействия, чтобы каким-либо существенным образом повлиять на массу Луны — даже если Луна потеряет всего 1 процент своей общей массы, это все равно не окажет значительного влияния на ее орбиту или на гравитационное притяжение Земли.