Лунный грунт - Lunar soil
Лунный грунт является мелкой фракцией из реголита , найденного на поверхность на Луне . Его свойства могут существенно отличаться от земной грязи. Физические свойства лунного грунта в первую очередь являются результатом механического разрушения базальтовых и анортозитовых пород, вызванного непрерывными ударами метеоров и бомбардировкой солнечными и межзвездными заряженными атомными частицами в течение многих лет. Этот процесс в основном представляет собой механическое выветривание, при котором частицы измельчаются до все более мелкого размера с течением времени. Эта ситуация принципиально контрастирует с образованием земной грязи, опосредованным присутствием молекулярного кислорода (O 2 ), влажности, атмосферного ветра и множества способствующих биологических процессов.
Лунный грунт обычно относится только к более мелкой фракции лунного реголита , который состоит из зерен диаметром 1 см или меньше, но часто используется взаимозаменяемо. Лунная пыль обычно означает даже более мелкие материалы, чем лунная почва . Официального определения фракции, составляющей «пыль», не существует; одни устанавливают отсечку менее 50 мкм в диаметре, а другие - менее 10 мкм.
Формирование процессов
Основными процессами, участвующими в формировании лунного грунта, являются:
- Измельчение : механическое разрушение горных пород и минералов на более мелкие частицы при ударах метеоритов и микрометеоритов ;
- Агглютинация : сварка фрагментов минералов и горных пород стеклом, полученным в результате удара микрометеоритов;
- Солнечный ветер распыление и космические лучи скалывание , вызванное воздействиями ионов и частиц высоких энергий.
Эти процессы со временем продолжают изменять физические и оптические свойства грязи, и это известно как космическое выветривание .
Кроме того, фонтан огня, при котором вулканическая лава поднимается и охлаждается, превращаясь в маленькие стеклянные бусинки, прежде чем упасть обратно на поверхность, может создавать небольшие, но важные отложения в некоторых местах, таких как оранжевая грязь, обнаруженная в кратере Шорти в долине Таурус-Литтроу . Apollo 17 , и зеленое стекло найдены в Hadley-Апеннинского от Apollo 15 . Отложения вулканических бусинок также считаются источником отложений Темной мантии (DMD) в других местах вокруг Луны.
Минералогия и состав
Лунный грунт состоит из различных типов частиц, включая обломки горных пород, мономинеральные фрагменты и различные виды стекол, включая частицы агглютината, вулканические и ударные сферулы. Агглютинаты образуются на поверхности Луны в результате ударов микрометеоритов, которые вызывают мелкомасштабное плавление, которое сплавляет соседние материалы вместе с крошечными частичками элементарного железа, встроенными в стеклянную оболочку каждой частицы пыли. Со временем материал перемешивается как по вертикали, так и по горизонтали (процесс, известный как «садоводство») с помощью ударных процессов. Вклад материала из внешних источников относительно невелик, так что состав грязи в любом данном месте в значительной степени отражает состав местной коренной породы.
Есть два существенных отличия в химическом составе лунного реголита и грязи от земных материалов. Во-первых, Луна очень сухая. В результате минералы, в состав которых входит вода ( гидратация минералов ), такие как глина , слюда и амфиболы , отсутствуют на поверхности Луны. Второе отличие состоит в том, что лунный реголит и кора химически восстановлены , а не значительно окислены, как земная кора. В случае реголита это частично связано с постоянной бомбардировкой лунной поверхности протонами солнечного ветра. Одним из следствий этого является то, что железо на Луне находится в элементарной (0) и катионной (+2) степенях окисления, тогда как на Земле железо находится в основном в степенях окисления +2 и +3.
Относительная концентрация различных элементов на лунной поверхности
Относительная концентрация (в% по массе) различных элементов на лунных возвышенностях, лунных низинах и на Земле.
Бета-ткань, загрязненная лунным грунтом (Аполлон-16)
Характеристики
Большое значение имеет получение соответствующих знаний о свойствах лунного грунта. Возможности для строительства сооружений, наземных транспортных сетей и систем утилизации отходов, если назвать несколько примеров, будут зависеть от реальных экспериментальных данных, полученных при испытании образцов лунного грунта. Несущая способность грунта - важный параметр при проектировании таких сооружений на Земле.
Из-за несметного числа ударов метеоритов (со скоростью порядка 20 км / с) поверхность Луны покрывается тонким слоем пыли. Пыль электрически заряжена и прилипает к любой поверхности, с которой соприкасается.
Плотность лунного реголита около 1,5 г / см 3 . Под верхним слоем реголита грязь становится очень плотной.
Другие факторы , которые могут влиять на свойства лунного грунта включают большие температурные перепады , наличие жесткого вакуума , а также отсутствие значительного лунного магнитного поля , тем самым позволяя заряженные солнечные ветра частицы непрерывно ударяются о поверхность Луны.
Фонтаны из лунной пыли и электростатическая левитация
Есть некоторые свидетельства того, что на Луне есть тонкий слой движущихся частиц пыли, которые постоянно подпрыгивают и падают на поверхность Луны, создавая «пылевую атмосферу», которая выглядит статичной, но состоит из частиц пыли, находящихся в постоянном движении. Термин «Лунный фонтан» был использован для описания этого эффекта по аналогии с потоком молекул воды в фонтане, движущимся по баллистической траектории, но статичным из-за постоянства потока. Согласно модели , предложенной в 2005 году в лаборатории внеземной физики в НАСА «s Goddard Space Flight Center , это вызвано электростатическим левитации . На дневной стороне Луны солнечное жесткое ультрафиолетовое и рентгеновское излучение достаточно энергично, чтобы выбивать электроны из атомов и молекул в лунном грунте. Положительные заряды накапливаются до тех пор, пока мельчайшие частицы лунной пыли (размером 1 микрометр и меньше) отталкиваются от поверхности и поднимаются на высоту от нескольких метров до километров, при этом мельчайшие частицы достигают самых высоких высот. В конце концов они падают обратно к поверхности, где процесс повторяется. С ночной стороны пыль заряжается отрицательно электронами солнечного ветра . Действительно, модель фонтана предполагает, что на ночной стороне будет большая разница в электрическом напряжении, чем на дневной стороне, что может привести к выбросу частиц пыли на еще большие высоты. Этот эффект может быть дополнительно усилен на той части орбиты Луны, где она проходит через хвост магнитосферы Земли , часть магнитного поля Луны . На терминаторе могут образовываться значительные горизонтальные электрические поля между дневной и ночной областями, что приводит к горизонтальному переносу пыли - форме «Лунной бури».
Этот эффект был предсказан в 1956 году писателем-фантастом Хэлом Клементом в его рассказе «Пыльная тряпка», опубликованном в Astounding Science Fiction .
Есть некоторые свидетельства этого эффекта. В начале 1960-х годов Surveyor 7 и несколько предыдущих космических кораблей Surveyor , совершивших мягкую посадку на Луну, вернули фотографии, показывающие безошибочное сумеречное свечение над лунным горизонтом, сохраняющееся после захода Солнца. Более того, вопреки ожиданиям безвоздушных условий без атмосферной дымки, далекий горизонт между землей и небом не выглядел острым. Астронавты Аполлона-17, вращавшиеся вокруг Луны в 1972 году, неоднократно видели и зарисовывали то, что они по-разному называли «полосами», «стримерами» или «сумеречными лучами», примерно за 10 секунд до лунного восхода или лунного заката. О таких лучах также сообщали астронавты на борту Аполлона 8, 10 и 15. Они могли быть похожи на сумеречные лучи на Земле.
Аполлон-17 также провел эксперимент на поверхности Луны под названием LEAM , сокращенно от Lunar Ejecta и Meteorites. Он был разработан для поиска пыли, поднимаемой небольшими метеороидами, ударяющими по поверхности Луны. У него было три датчика, которые могли регистрировать скорость, энергию и направление крошечных частиц: по одному, направленным вверх, на восток и запад. LEAM каждое утро видел большое количество частиц, в основном приходящих с востока или запада, а не сверху или снизу, и в основном медленнее, чем ожидалось для лунных выбросов. Кроме того, температура в эксперименте повышалась почти до 100 градусов Цельсия через несколько часов после каждого восхода Луны, поэтому устройство пришлось временно выключить из-за его перегрева. Предполагается, что это могло быть результатом прилипания электрически заряженной лунной пыли к LEAM, затемняя его поверхность, так что экспериментальный пакет поглощал, а не отражал солнечный свет. Однако ученые не смогли точно определить источник проблемы, так как LEAM работал недолго до завершения программы Apollo.
Возможно, что эти штормы были замечены с Земли: на протяжении столетий были сообщения о странных светящихся огнях на Луне, известных как « временные лунные явления » или TLP. Некоторые TLP наблюдались как кратковременные вспышки, которые сейчас считаются видимым свидетельством столкновения метеороидов с лунной поверхностью. Но другие выглядели как аморфное красноватое или беловатое свечение или даже как темные туманные области, которые меняют форму или исчезают за секунды или минуты. Это могло быть результатом отражения солнечного света от взвешенной лунной пыли.
Вредное воздействие лунной пыли
В исследовании НАСА 2005 года перечислено 20 рисков, требующих дальнейшего изучения, прежде чем люди решат отправиться в экспедицию на Марс, и «пыль» названа проблемой номер один. В отчете содержится призыв изучить его механические свойства, коррозионную активность, твердость и влияние на электрические системы. Большинство ученых думают, что единственный способ окончательно ответить на вопросы - это вернуть на Землю образцы марсианской грязи и горных пород задолго до запуска каких-либо астронавтов.
Хотя в этом отчете речь шла о марсианской пыли, беспокойство в равной степени справедливо и в отношении лунной пыли. Пыль, обнаруженная на лунной поверхности, может оказать вредное воздействие на любую технику аванпоста человека и членов экипажа:
- Потемнение поверхностей, приводящее к значительному увеличению лучистой теплоотдачи ;
- Абразивный характер частиц пыли может истирать и истирать поверхности за счет трения;
- Негативное влияние на покрытия, используемые на прокладках для герметизации оборудования из космоса, оптических линз, солнечных панелей и окон, а также проводки;
- Возможное повреждение легких, нервной и сердечно-сосудистой систем космонавта;
- Возможный повышенный риск искрения скафандра из-за воздействия мелких пылинок на космическую среду.
Принципы космонавтической гигиены следует использовать для оценки рисков воздействия лунной пыли во время исследования поверхности Луны и, таким образом, определения наиболее подходящих мер по контролю воздействия. Они могут включать снятие скафандра в трехступенчатом воздушном шлюзе, «пропылесосить» скафандр с помощью магнита перед удалением и использовать местную вытяжную вентиляцию с высокоэффективным фильтром твердых частиц для удаления пыли из атмосферы космического корабля.
Вредные свойства лунной пыли малоизвестны. Основываясь на исследованиях пыли, обнаруженной на Земле, ожидается, что воздействие лунной пыли приведет к большему риску для здоровья как от острого, так и от хронического воздействия. Это связано с тем, что лунная пыль более химически активна и имеет большую площадь поверхности, состоящую из более острых зазубренных краев, чем земная пыль. Если химически активные частицы откладываются в легких, они могут вызвать респираторное заболевание. Длительное воздействие пыли может вызвать более серьезное респираторное заболевание, подобное силикозу . Во время исследования Луны скафандры космонавтов загрязнятся лунной пылью. При снятии костюмов пыль будет выброшена в атмосферу. Методы, используемые для уменьшения воздействия, будут включать обеспечение высокой скорости рециркуляции воздуха в воздушном шлюзе, использование "двойного скафандра", использование пылезащитных экранов, использование магнитной сепарации высокой степени и использование солнечного потока для спекания. и расплавить реголит.
Текущая доступность
Астронавты "Аполлона" вернули около 360 кг лунных камней с шести посадочных площадок. Хотя этот материал был изолирован в бутылках с вакуумной упаковкой, в настоящее время он непригоден для подробного химического или механического анализа - частицы песка повредили индиевые уплотнения острой кромки вакуумных бутылок; воздух медленно просачивался внутрь. Каждый образец, привезенный с Луны, был загрязнен земным воздухом и влажностью. Пыль приобрела налет ржавчины, и в результате соединения с земными молекулами воды и кислорода ее химическая активность давно исчезла. Химические и электростатические свойства грязи больше не соответствуют тому, что будущие астронавты встретят на Луне.
Загрязненные лунной пылью предметы наконец стали доступны общественности в 2014 году, когда правительство США одобрило продажу частных материалов, принадлежащих и собранных астронавтами. С тех пор на продажу был выпущен только один предмет из настоящей лунной пыли, собранной после того, как предмет провел на Луне более 32 часов. Ремень для багажа, подвергшийся воздействию элементов Луны в течение 32 часов, часть скафандра Чарльза «Пита» Конрада во время миссии «Аполлон-12», был продан его имением частному покупателю на аукционе. В 2017 году на аукцион был выставлен лунный грунт, собранный Нилом Армстронгом в 1969 году. Хотя многие производители ювелирных изделий и часов заявляют, что их продукция содержит «лунную пыль», они содержат только частицы или пыль от метеоритов, которые, как считается, произошли с Луны. 11 сентября 2020 года НАСА объявило о своем желании создать рынок лунного грунта, запросив предложения о его покупке у коммерческих поставщиков.
Проект Чанъэ-5
16 декабря 2020 года китайская миссия Chang'e 5 вернулась на Землю с грузом около 2 килограммов камней и грязи, который она подняла с Луны. Это первый образец лунного реголита, вернувшийся на Землю с 1976 года. Китай - третья страна в мире, вернувшая такой материал на Землю.
Chang'e-5 является частью первой фазы Китайской программы исследования Луны . На этом этапе программы еще осталось 3 проекта (Чанъэ-6 в 2024 году, Чанъэ-7 в 2023 году и Чанъэ-8 в 2027 году). Второй этап программы - высадка китайских астронавтов на Луну в период с 2030 по 2039 год.