Woda na srebrnym globie

Chińscy naukowcy… – kiedyś musiał nastać ten dzień – więc, chińscy naukowcy odkryli na Księżycu pokaźne złoża wody. Nie są to zbiorniki otwarte, jak na błękitnej planecie – Ziemi, ani podziemne oceany, jak na księżycach Jowisza, Saturna i Neptuna. Znaleźli w księżycowej glebie małe, szklane kuleczki, które prawdopodobnie skrywają wodę. Mówimy jednak o dość pokaźnych złożach, w których zasoby mogą sięgać 297,6 mld ton. Ostatnie dekady badań pozwoliły na wykrycie na Księżycu sporych jej zasobów. Naukowcy doszli do wniosku, że na pewnej głębokości w księżycowych skałach istnieje nawodniona warstwa, jednakże do tej pory pozostaje ona niezidentyfikowana.

W poszukiwaniu wody

W 1961 r. fizyk teoretyczny Kenneth Watson opisał możliwość występowania lodu wodnego w księżycowych kraterach. Jako pierwsi odkrycie cząstek wody na powierzchni Księżyca ogłosili jednak uczeni radzieccy, jeszcze w roku 1978. Uczynili to na podstawie analizy próbek, które sowiecka sonda Luna 24 pobrała 2 lata wcześniej z Mare Crisium i przywiozła na Ziemię. Ponieważ nie znaleziono ani śladu wody w próbkach dostarczonych w 1979 r. przez misję Apollo 11, a ponowne analizy materiału z Luny 24 nie potwierdziły odkrycia, wszelka dyskusja na ten temat na jakiś czas ucichła. Było tak aż do czasu misji Clementine, wysłanej w kosmos wspólnie przez NASA i SDI (Strategic Defense Initiative) – organizację powołaną przez Ronalda Regana do realizacji słynnego programu gwiezdnych wojen.

Sonda Clementine, której głównym celem było przetestowanie nowych technologii, wykryła w 1994 r. potencjalne złoża wody w okolicach księżycowych biegunów, w tym szczególnie obiecujące w kraterze Schackleton na południu. Misja ta była jednym z przełomowych przedsięwzięć w dziejach NASA. Niedawno obchodziliśmy 30-lecie 297 okrążeń, jakie wykonała wokół Srebrnego Globu, mapując jego powierzchnię w pasmach od podczerwieni do ultrafioletu. Spektrometr na pokładzie wystrzelonego w 1998 r. orbitera NASA Lunar Prospector, który krążył wokół Srebrnego Globu prawie 19 miesięcy, zbierając dane do topograficznej mapy, by następnie rozbić się o jego powierzchnię w kraterze Shoemaker, pomógł potwierdzić istnienie lodu wodnego na obydwu biegunach. Oszacowano wtedy, że około 300 mln ton wody może zalegać tam w księżycowym regolicie.

Wyścig

Dzięki znaczącemu postępowi technologicznemu w 2008 r. ponownie przebadano próbki Apollo. Wewnątrz małych granulek szkła wulkanicznego znaleziono wodór. Ponieważ obecnie na Księżycu nie ma aktywnych wulkanów, wytłumaczono to występowaniem wody podczas erupcji wulkanów w jego zamierzchłej przeszłości. Odkrycie sugerowało, że woda była częścią Księżyca na początku jego istnienia, być może od momentu jego uformowania.

Do wyścigu po wodę na Księżycu przyłączyli się inni. W 2007 r. szukała jej bezskutecznie w paśmie promieni gamma japońska sonda Kaguya. W tym samym roku na orbitę okołoksiężycową udała się również pierwsza chińska sonda Change-1. We wrześniu 2009 r. podano do publicznej wiadomości, że M³ (Moon Mineralogy Mapper) – spektrometr na pokładzie indyjskiej sondy kosmicznej Chandrayaan-1, należącej do ISRO (Indian Space Research Organization) – wykrył na powierzchni Księżyca pasma absorpcyjne hydroksylu lub wody. Zrzucony z tej sondy próbnik MIP (Moon Impact Probe) doniósł o obecności wody w rzadkiej atmosferze, nim rozbił się o Księżyc w kraterze Schackletona.

NASA LCROSS (Lunar Crater Observation and Sensing Satellite) dostarczył bezpośrednich dowodów na obecność dużej ilości lodu wodnego w zacienionym kraterze Cabeus na południowym biegunie. W dniu 9 października 2009 r. Centaur – moduł rakiety Atlas V, która wyniosła LCROSS i LRO (Lunar Reconnaissance Orbiter) – uderzył w powierzchnię Księżyca, wyrzucając w górę burzę materiału, który mógł nie oglądać słonecznego światła od miliardów lat. Już 4 minuty później LCROSS przeleciał przez tę chmurę, wysyłając dane na Ziemię. Następnie również roztrzaskał się na powierzchni.

Oprócz wody wykryto magnez, wapń, rtęć, sód i srebro. LRO, który w tym samym czasie krążył dookoła Księżyca, wykonując m.in. jego mapę 3D, obserwował upadek Centaura i LCROSS za pomocą radaru o syntetycznej aperturze, potwierdzając obecność lodu w regolicie. LRO szukał następnie wody na Księżycu za pomocą pomiaru strumieni neutronów przez swój detektor neutronów LEND (Lunar Exploration Neutron Detector). Nadal krąży po księżycowej orbicie.

W 2011 r. molekuły wody wykryto w kolejnych próbkach pochodzących z programu Apollo – tym razem z lądownika Apollo 17 z 1972 r. Skały te jednak pochodzą ze zbyt dużej głębokości, by mogły mieć znaczenie dla przyszłych kolonistów Księżyca.

W styczniu 2014 r. neutralny spektrometr masowy na należącym do NASA LADEE (Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer) wykrył cząsteczki wody uwalnianej w wyniku uderzeń meteoroidów o powierzchnię Księżyca w jego atmosferze (bardziej poprawnie: egzosferze). Potwierdził tym samym rewelacje dostarczone przez próbnik MIP sondy Chandrayaan kilka lat wcześniej. Laddie obserwował jeszcze trzy strumienie meteorów w kwietniu tego samego roku, po czym uderzył w Księżyc. Obserwacje dowiodły, że księżycowa woda nie może pochodzić w całości z meteorów. W egzosferze Księżyca wykryto również neon.

Molekularną wodę na powierzchni Księżyca wykrywają obecnie z Ziemi obserwacje teleskopowe, zaś w paśmie podczerwieni niemiecko-amerykańskie laboratorium SOPHIE (Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy), latające na pokładzie jumbo jeta 747, wykryło wodę w kraterze Claviusa na powierzchni oświetlanej przez Słońce.

Nowe źródło wody

W grudniu 2020 r. chiński lądownik Chang’e 5 kilka tygodni zbierał próbki na powierzchni Srebrnego Globu. Materiał pobrany z Oceanu Burz (Oceanus Procellarum) pozwolił na wyciagnięcie sensacyjnych wniosków. Chińczycy odkryli, że szklane granulki impaktowe, znalezione w przywiezionych próbkach, zawierają wodę pochodzącą ze słonecznych wiatrów. Dzieje się tak w wyniku łączenia jonów wodoru ze strumieni słonecznych cząstek z obecnym w szkliwie tlenem.

Szklane granulki impaktowe powstają przez zderzenia skał i odparowywanie minerałów, które po schłodzeniu tworzą małe kulki o średnicy zaledwie kilku do kilkuset mikrometrów. Na Ziemi znajdujemy podobne twory – np. tektyty w kraterze uderzeniowym Chicxulub. Na Księżycu po raz pierwszy odkryte zostały w próbkach księżycowych z misji Apollo, jednakże nie od razu zauważono w nich cząstki wody czy grupy wodorotlenowe. Każda szklana kulka może zawierać do 0,002 grama wody na gram swojej masy.

Po ciemnej stronie globu…

Ponieważ Księżyc wpadł w rezonans, kręcąc się po orbicie Ziemi, zwrócony jest w naszą stronę zawsze tą samą półsferą (z poprawką na librację, która wynika z zaburzeń tego ruchu przez Wenus, Słońce i Jowisza i pozwala nam tak naprawdę obserwować w różnym czasie aż 59 proc. jego powierzchni). Zwyczajowo dzielimy zatem jego selenografię na dwie półsfery: ciemną i jasną. Jasna to ta, którą widać z Ziemi. Ciemna jest ciemna nie dlatego, że nigdy nie dociera tam światło Słońca, lecz dlatego, że nie docierają tam sygnały radiowe z Ziemi.

Ten ważny szczegół umyka denialistom, którzy twierdzą, że ani człowiek, ani żadna skonstruowana przez niego maszyna nie dotarła do tej pory na Srebrny Glob, ale o tym później. Ponieważ sygnały radiowe nie będą się odbijały również od ultrarzadkiej atmosfery Księżyca, eksploracja ciemnej strony będzie dla przyszłych kolonistów Księżyca pewnym wyzwaniem, przynajmniej na początku…

Dnia 2 czerwca 2024 r. chińską flagę rozwinięto po niewidocznej, ciemnej stronie Księżyca. Sonda Chang’e-6 rozpoczęła podróż 3 maja. Niemal idealnie miesiąc później wylądowała w basenie Aitken na biegunie południowym, po niewidocznej z Ziemi stronie. Po 2 dniach ruszyła w drogę powrotną z próbkami księżycowego gruntu. Czy po ciemnej stronie Księżyca również znajduje się woda?

Przyszłość Księżyca i księżycowych złóż wody

Wyścig o wodę na Księżycu trwa – nie ma wątpliwości, że jej złoża będą jednym z kluczowych czynników przy próbach zakładania stałych baz (drugą będą złoża helu-3, o które już zaczęły walczyć USA i Chiny). Jeszcze w tym roku NASA wyśle na Księżyc lądownik PRIME-1 (Polar Resources Ice Mining Experiment-1). Wyposażony w wiertło i spektrometr masowy ma podjąć się wydobycia lodu i innych substancji lotnych w kraterze Schackletona. Bardzo dobrą wiadomością dla przyszłej eksploracji Układu Słonecznego jest to, że na Księżycu czeka już na nas woda, choć jeszcze nie umiemy po nią sięgnąć.

Druga to to, że szklane kulki powstające w wyniku zderzeń na powierzchniach pozbawionych atmosfery ciał w Układzie Słonecznym są zdolne do magazynowania wody powstającej przy smaganiu ich przez słoneczne wiatry. Jak zauważył Martin Elvis w swej książce Asteroidy: Jak miłość, strach i chciwość zadecydują o naszej przyszłości w kosmosie, woda będzie głównym problemem dla rozwinięcia przyszłego górnictwa w Pasie Asteroid.

W artykule korzystałem m.in. z:

Asif A. Siddiqi (2018) Beyond Earth: A Chronicle of Deep Space Exploration, 1958-2016. NASA

Arlin Crotts (2014) The New Moon Water, Exploration, and Future Habitation. Cambridge University Press.

Martin Elvis (2022) Asteroidy: Jak miłość, strach i chciwość zadecydują o naszej przyszłości w kosmosie, Copernicus Center Press.

Huicun He et alia (2023) A solar wind-derived water reservoir on the Moon hosted by impact glass beads. „Nature Geoscience” 16:294-300.

Stewart Nozett et alia (1994) The Clementine Mission to the Moon: Scientific Overview, „Science” 266(5192):1835-1839.

Paul D. Spudis (2016) The Value of the Moon: How to Explore, Live, and Prosper in Space Using the Moon Resources. Smithonian Books, Washington.

Elizabeth Zubritsky, William Steigerwald, Nancy Jones (2019) Meteoroid Strikes Eject Precious Water From Moon, Goddard, NASA.

John Uri (2024) 30 Years Ago: Clementine Changes Our View of the Moon, NASA.