Планетологи из Института Центральной Флориды (UCF) предложили геологическую вероятностную модель распределения льда в полярных областях Луны. Она учитывает процессы формирования и передвижения льда с его вероятным скоплением на деньке глубочайших кратеров поблизости полюсов, а также размещение залежей льда поблизости поверхности либо на глубине под слоем лунного грунта. Сводная карта «индекса благоприятности» обнаружения льда дозволяет найти многообещающие места для будущих лунных станций, которые, может быть, будут заниматься исследованием и добычей льда на Луне как полезного ископаемого.
В журнальчике Icarus вышла статья группы астрофизиков института Центральной Флориды (UCF) из цикла исследовательских работ гипотетичной добычи нужных ископаемых на Луне. Главным полезным ископаемым, которым предположительно займутся будущие лунные станции, выступает водяной лёд, залежи которого сохраняются в кратерах полярных областей. В отдалённом будущем лёд на Луне и остальных галлактических телах может употребляться не лишь как источник воды, да и для производства кислорода и водорода как компонента горючего для галлактических аппаратов. Пока что астрофизики прилагают усилия к исследованию его распределения на поверхности Луны и созданию соответственных геологических карт, на которые можно бы было опереться в будущем. Центр исследования Луны и астероидов при институте (CLASS, Center for Lunar and Asteroid Surface Science) также занимается иными проектами в области планетологии, к примеру, делает высказывания лунного и марсианского грунта, применяемые для тестов NASA. К слову, желающие даже могут приобрести его в лаборатории по стоимости 20 баксов за килограмм.
Места обнаружения водяного льда у поверхности поблизости южного полюса Луны по данным Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO).
Волатильные соединения, такие, как вода, лёд, углекислота CO2, оксиды серы и т. д., неустойчивы на поверхности большинства тел Галлактики. Капля воды либо лёд на Луне либо Марсе при соответственных температурах и давлениях стремительно испаряется. Но с начала галлактических исследовательских работ Луны в начале 1960-х предполагалось, что в лунных кратерах, защищённых от попадания солнечного света, в особенности в полярных районах, могут откладываться залежи льда, и они могут быть устойчивы на промежутках времени в несколько млрд лет. Для планирования будущих исследовательских работ на Луне имеют значение не лишь залежи льда на поверхности, да и на глубине до нескольких метров под слоем реголита (рассыпчатого лунного грунта). К примеру, водяной лёд на Марсе неустойчив на большей части поверхности, но может существовать на маленькой глубине (см. статью на веб-сайте). 1-ые прямые свидетельства наличия воды в лунной породе были получены опосля того, как в середине 1970-х станция «Луна-24» доставила на Землю эталоны лунного грунта с глубин 1—2 м. В 2009 году присутствие воды на Луне было доказано «прямым тестом»: галлактический аппарат врезался в грунт неподалеку от южного кратера Кабео, и поднятый при взрыве материал на лету проанализировал зонд LCROSS.
Рассматриваются три вероятных источника воды на Луне: падение содержащих воду метеоров, дегазация вулканов в ранешний период геологической истории Луны (2—3 млрд годов назад) и солнечный ветер. В крайнем механизме предполагается, что высокоэнергетичные частички (электроны, протоны и др.) от Солнца могут создавать молекулы OH либо H2O, которые будут мигрировать по поверхности и скапливаться в «прохладных ловушках».
Ось вращения Луны вокруг оси фактически перпендикулярна к плоскости вращения вокруг Солнца, в отличие от Земли, потому на Луне нет смены сезонов. Для полярных областей не существует полярного денька, когда соответственное полушарие (То есть, вообще говоря, половина шара. Часто правая или левая половина большого мозга) обращено к Солнцу. Не считая того, на поверхности Луны есть огромное количество кратеров в основном метеоритного происхождения. Дно довольно глубочайших кратеров поблизости полюса таковым образом никогда не попадает под прямые солнечные лучи. Температура в нижней части таковых кратеров составляет около 40 K и лежит ниже «порога» сублимации льда при нулевом атмосферном давлении (~100 K), потому тут лёд на теоретическом уровне может сохраняться. Такие точки получили заглавие «прохладные ловушки» (cold traps) и рассматриваются как потенциальные залежи льда близко к поверхности, либо на некой глубине под слоем реголита. Таковой же наклон оси вращения у Меркурия и астероида Церера, и планетологи также изучат лёд в районе их полюсов. Залежи водяного льда на Марсе тоже тяготеют к умеренным и полярным областям.
Географическое распределение воды в лунных породах. S. Li, R. E. Milliken, Science Advances, 3(9), e1701471 (2017).
Георазведка с лунных орбитальных аппаратов употребляет съёмку в различных длинах волн, включая ультрафиолетовый, видимый и инфракрасный диапазон, радарную съёмку, нейтронную спектроскопию и др. Любой из этих способов владеет своими ограничениями. Так, видимый спектр не дозволяет рассмотреть с орбиты ничего даже под узким слоем грунта. Радарная съёмка в сантиметровом спектре «просвечивает» грунт на расстояние порядка метров, и способна в принципе отыскивать залежи льда на глубине. Интерпретация её результатов пока встречает трудности, и она также владеет ограничениями по пространственному разрешению. Наиболее тщательно о этом см. заметку про картирование Луны в рамках индийского проекта «Чандраян», а также статью про не так давно составленную первую общую геологическую карту Луны. Итак, на сейчас сводной геологической карты «нужных ископаемых» Луны, другими словами распределения её залежей льда с учётом глубины не существует. Недочет данных потому восполняется статистическими моделями, которые экстраполируют имеющуюся информацию и пробуют оценить возможность аккумуляции льда на различных участках поверхности. Такие модели создаются по аналогии с «земными» вероятностными моделями распределения нужных ископаемых исходя из неполной инфы — к примеру, данным по разведочным скважинам.
Геологической основой для модели распределения льда стала схема районирования лунной поверхности с точки зрения способностей удержания льда на поверхности и на некой глубине. В глубине кратеров около полюсов, на которые не попадает солнечный свет, лёд быть может устойчив и сохраняться на поверхности без сублимации. В умеренных широтах либо не на деньке кратеров лёд может сохранять устойчивость, если его защищает слой реголита, так, как на Марсе. Потому первичное районирование условно выделяет три типа «террейнов» — TT1, TT2 и TT3. TT1 («прохладные макроловушки») — необъятные участки, на которых лёд устойчив на поверхности либо поблизости неё (обычно, это дно глубочайших кратеров поблизости полюса, в которые не попадает солнечный свет); TT2 и TT3 («прохладные микроловушки») — лёд устойчив под слоем реголита до 1 метра и поглубже 1 метра. Это могут быть неглубокие кратеры либо снижения рельефа, либо области, наиболее удалённые от полюсов, и освещаемые Солнцем. Глубина 1 метр — условная граница для районирования в согласовании с инструментальными способностями обнаружения и чертами диаграммы стойкости льда с глубиной.
Районирование по композициям трёх типов террейнов TT1,2,3 (южный полюс). Cannon K. et al., Icarus, 113178 (2020).
Дальше модель усложняется: оказывается, ось вращения Луны несколько млрд годов назад могла поменять своё положение. Это предположение основывается на особенностях распределения водорода в лунных породах по данным нейтронной спектроскопии. Предполагается, что сдвиг оси составил 5,5°: на участках, которые были когда-то палеополюсами, наблюдаются симметричные «полярные шапки» завышенной концентрации водорода. Из-за этого смещения некие кратеры в областях поблизости полюса, в которые на данный момент не попадает свет, ранее могли размещаться в наиболее умеренных широтах, и их залежи льда могли пострадать: участок TT1 мог быть ранее TT2/TT3 и напротив. Потому в итоговой модели учитываются композиции этих трёх типов областей до и опосля смещения полюса, к примеру, TT1→2, TT3→1 и т. д. — всего девять вероятных сочетаний. Эти девять комбинированных террейнов дают наиболее сложную «мозаику» поверхности. Итоговый «индекс благоприятности» залежей льда в каждой точке, либо IFI, Ice Favorability Index — это нормализованное значение от -1 до +1, которое рассчитывается исходя из типа террейна (способностей сохранения льда «в тени»), вероятности формирования льда и его «сохранения» при содействии с реголитом, другими словами передвижения от солнечных лучей на глубину. В качестве основного механизма для 2-ух крайних характеристик рассматривается насыщенная метеоритная бомбардировка в далёком геологическом прошедшем — доставка воды «ледяными» метеорами и сразу «метеоритная вспашка» поверхности Луны, либо meteorite gardening, которая перемешивает лёд с реголитом. Получившаяся карта ожидаемо даёт более подходящие значения индекса в более глубочайших кратерах поближе к полюсу. Так, одним из самых многообещающих мест для поиска воды остаётся этот же старый кратер Кабео неподалеку от южного полюса Луны, который оставался в «подходящей» зоне невзирая на сдвиг полюса (террейн TT1→1).
Вероятностная модель распределения залежей льда («Индекс благоприятности» IFI, Ice Favorability Index) в лунных полярных областях. K.M.Cannon, D.T.Britt, A geologic model for lunar ice deposits at mining scales. Icarus, 113778 (2020).
Теоретическая модель, которую предложили астрофизики из UCF, имеет огромное количество натяжек. Практически, тут мы имеем традиционную «экстраполяцию по одной точке», либо сферического жеребца в вакууме: конфигурации неких предпосылок модели, к примеру, предполагаемой интенсивности метеоритной бомбардировки способно значительно перекроить карту. Навряд ли её можно на данный момент употреблять для геологоразведочных работ на Луне. Быстрее пока речь идёт о разумных ограничениях при выбирании места для будущих посадочных модулей, чтоб отбор проб в районе их расположения был наиболее информативен.
На сей день добыча нужных ископаемых на Луне, а тем наиболее «переработка лунного льда в горючее для ракет» видится лишь в весьма удалённой перспективе. Тем не наименее почти все исследовательские коллективы планетологов занимаются проблематикой, нередко в рамках совместных проектов с NASA и иными галлактическими агентствами. Таковыми разработками и сопутствующими теоретическими исследовательскими работами занимаются и некие личные конторы. Не считая воды, Луна рассматривается в таковых проектах ещё как источник редкоземельных частей и неких остальных ископаемых.
О неких дилеммах, которые необходимо решать перед разворачиванием «горнодобывающей индустрии» на галлактических телах, рассказывается в этом видеоролике научно-популярного youtube-канала SciOne.