La fase di ascesa del modulo lunare con gli astronauti che camminano sulla luna Neil Armstrong e Edwin Aldrin Jr. si avvicina per un rendez-vous con il modulo di comando dell'Apollo gestito dall'astronauta Michael Collins. Credito:NASA
Gli umani non hanno avuto molte opportunità di lavorare sulla luna. I 12 astronauti dell'Apollo che hanno esplorato la sua superficie hanno totalizzato 80 ore in totale di tempo di scoperta. Dai loro brevi incontri, e da approfondite analisi di campioni Apollo e meteoriti lunari che sono stati trovati sulla Terra, gli scienziati hanno imparato quasi quanto è possibile conoscere sull'ambiente lunare senza molto contatto con la superficie. Ora, per la prima volta in mezzo secolo, Le missioni Artemis della NASA consentiranno a scienziati e ingegneri di esaminare la superficie da vicino. Questo ci insegnerà come muoverci in sicurezza sul suolo lunare, noto come regolite; come costruire infrastrutture su di esso; e come mantenere gli esseri umani al sicuro nello spazio. Le tecniche che gli scienziati svilupperanno sulla luna consentiranno agli esseri umani di esplorare in modo sicuro e sostenibile destinazioni più lontane, come Marte.
Ecco alcune cose che impareremo trascorrendo del tempo sulla superficie lunare:
Quanto contaminiamo la superficie quando atterriamo su di essa?
Mentre un'astronave scende sulla superficie lunare, lo spruzza con acqua e altri gas che vengono rilasciati mentre il veicolo spinge i suoi motori per rallentare se stesso per un atterraggio morbido. Per gli astronauti che catalogheranno le riserve idriche locali, questi contaminanti terrestri renderanno difficile distinguere tra l'acqua della luna autentica e l'acqua dallo scarico del loro veicolo. Potrebbe anche confondere le analisi chimiche della superficie lunare e della sua atmosfera super sottile, che si chiama esosfera.
Per proteggere l'accuratezza della scienza in superficie, molti scienziati stanno costruendo modelli al computer ed esperimenti di laboratorio che possono aiutare a prevedere in che modo lo scarico dei nostri veicoli spaziali influenzerà l'ambiente lunare. Ad esempio, Parvathy Prem, uno scienziato planetario presso il Laboratorio di Fisica Applicata della Johns Hopkins University di Laurel, Md., progetta un software che simula ciò che accade quando un veicolo scarica gas estranei sulla luna.
Un'idea artistica del 1969 raffigurante il modulo lunare dell'Apollo 11 che scende sulla superficie della luna. Senza atmosfera, lo scarico del veicolo si espande notevolmente. Credito:NASA/JSC
Le sue simulazioni mostrano che lo scarico di un piccolo veicolo spaziale - delle dimensioni del lander lunare cinese Chang'e-3 senza equipaggio - spruzzerebbe circa 300 chilogrammi di acqua e altri gas a diversi chilometri dal sito di atterraggio. Per un più pesante, veicolo di atterraggio a misura d'uomo, quest'area sarebbe probabilmente molto più ampia e potrebbe richiedere agli astronauti di avventurarsi a molti chilometri di distanza dalla loro base per campioni freschi di suolo lunare. (Gli astronauti dell'Apollo si sono avventurati da poche centinaia di metri a decine di chilometri di distanza dal modulo di comando proprio per questo motivo.)
Ora, Prem sta sviluppando nuove simulazioni per capire cosa succede all'acqua dopo che è stata rilasciata nell'ambiente lunare. Indugia nell'esosfera e poi soffia nello spazio? Si deposita nella regolite, o le sue molecole saltellano sulla superficie? "Stiamo cercando di costruire una serie di soluzioni in cui assumiamo cose diverse sulle interazioni tra le molecole d'acqua e la superficie della luna, "dice Prem, "così la prossima volta potremo osservare un atterraggio e prendere le misure, avremo questa serie di soluzioni che abbiamo creato e saremo in grado di vedere quale corrisponde meglio per determinare rapidamente cosa sta succedendo".
Prem fa parte di un team del Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, Maryland, che invierà uno strumento nei prossimi anni su uno dei lander Commercial Lunar Payload Services della NASA per indagare su queste domande. Il team raccoglierà informazioni che informeranno non solo l'esplorazione della luna, ma anche il modo in cui gli scienziati raccoglieranno campioni futuri dagli asteroidi, Marte e altri corpi. "Non saremo in grado di evitare la contaminazione, "dice Prem, "ma abbiamo bisogno di sapere quanto succede in modo da poterne spiegare".
Un'animazione di una delle simulazioni di Prem che mostra dove il vapore acqueo rilasciato da un'astronave passa nel corso di 65 secondi durante la discesa. Si presume che l'atterraggio sia a 70 gradi di latitudine sud, 7:00 ora locale lunare, quando la temperatura superficiale è di circa 200 kelvin (meno 99,67 F, meno 73,15 C). L'astronave è troppo piccola per essere vista su questa scala, ma si trova nella parte blu più scura della nuvola di vapore. La larghezza della scena è di circa 19 miglia (30 chilometri). Il blu rappresenta l'acqua che si trova sopra la superficie (nell'esosfera); il grigio è l'acqua che si deposita in superficie. Attualmente, Prem modella solo il vapore acqueo (circa 220 libbre, o 100 chilogrammi) che viene rilasciato da un veicolo delle dimensioni del lander lunare cinese Chang'e-3 senza equipaggio. L'acqua è circa un terzo della massa totale dei gas rilasciati durante la discesa. Attestazione:Parvathy Prem
Come lavorare un terreno che si comporta come la farina da forno
Immagina di infilare un misurino nella farina da forno. Regolith sente qualcosa del genere. La regolite è più paragonabile alla sabbia terrestre, che è fatto di rocce frantumate dal vento, pioggia e altri elementi. Ma ogni granello di sabbia è avvolto da molecole d'aria che aggiungono spazio tra loro. Poiché non c'è aria sulla luna, la regolite è più coesa, il che significa che i suoi grani si attaccano vicini come quelli della farina da forno.
Conoscere le proprietà della regolite è importante nella progettazione di missioni sulla luna. Se i veicoli devono percorrere lunghe distanze sulla superficie, e se gli astronauti devono scavare la regolite per costruire infrastrutture, scienziati e ingegneri devono sapere come attrezzarli al meglio, dice Christine Hartzell, un professore di ingegneria aerospaziale presso l'Università del Maryland a College Park che studia la regolite sulla luna e sugli asteroidi, compreso Bennu, dove è attualmente in orbita la navicella spaziale OSIRIS-REx.
"Se stai progettando qualcosa da guidare sulla spiaggia, progetti pneumatici molto spessi perché hanno a che fare con la sabbia che è comprimibile e si sposta sotto la ruota. Ma progetteresti pneumatici stretti per una bici da strada perché guida su una superficie davvero dura e uniforme, " nota. "Sulla luna, dobbiamo sapere se guideremo su una superficie ghiaiosa o su una duna di sabbia".
Una vista ravvicinata di un footpad e un campionatore di superficie con paletta (braccio, fuori cornice) sulla sonda Surveyor 3, che è stato fotografato dagli astronauti dell'Apollo 12 durante la loro seconda attività extraveicolare (EVA) sulla luna. Il modulo lunare dell'Apollo 12, con gli astronauti Charles Conrad Jr. e Alan L. Bean a bordo, è atterrato nell'Oceano delle Tempeste a soli 600 piedi dal Surveyor 3. La navicella spaziale senza equipaggio è atterrata sulla luna il 19 aprile, 1967. Nota l'impronta nel suolo lunare che è stata causata quando il Surveyor 3 è rimbalzato all'atterraggio. Credito:NASA
La regolite è fatta di rocce sciolte, sassi e polvere, e copre tutta la luna. Si distingue dalla sabbia in diversi modi, oltre alla coesione:a differenza della sabbia, che viene arrotondato per eoni dal vento e dall'acqua, due fenomeni che non esistono sulla luna senz'aria e secca, i grani del suolo lunare sono taglienti, appuntito e potenzialmente abrasivo per le tute spaziali e le attrezzature.
il suolo lunare viene anche caricato elettrostaticamente dalle particelle solari che si schiantano sulla superficie lunare. Questo lo fa aderire all'attrezzatura, simile a come i vestiti possono aderire quando li togli dall'asciugatrice. Infatti, c'è ancora qualche regolite attaccata alle tute spaziali delle missioni Apollo.
Gli astronauti che si muovono sulla superficie possono anche amplificare le forze elettrostatiche, simile a qualcuno che accumula elettricità statica dopo essersi trascinato su un pavimento in moquette. La loro attività potrebbe far levitare particelle di polvere dalla superficie fino a 10 metri (33 piedi), Stime di Hartzell.
Se gli astronauti dovessero incontrare nuvole di polvere appiccicosa, scienziati e ingegneri devono essere preparati ad affrontarlo, dice:"Vogliamo sapere cosa succede alla polvere una volta che smette di levitare. Se si deposita, rovina la meccanica di un veicolo lunare? Si deposita sugli strumenti ottici e poi fa sembrare tutto torbido?" L'esplorazione robotica della superficie nei prossimi anni aiuterà gli scienziati a rispondere ad alcune di queste domande in preparazione all'invio degli astronauti.
Questa è una foto delle particelle di regolite raccolte dalla superficie della Luna durante l'era Apollo. Sono frammenti di roccia vulcanica, e contengono molto un minerale chiamato plagioclasio, che è ricco di calcio e alluminio. Credito:Natalie Curran/NASA
Quanta acqua c'è e dove
Nell'ultima decade, gli strumenti sul Lunar Reconnaissance Orbiter della NASA e su altri veicoli spaziali hanno restituito prove di acqua sulla luna. L'acqua liquida non è stabile sulla superficie della luna, ma ci sono prove di molecole d'acqua che rimbalzano sulla superficie e nell'atmosfera; ghiaccio d'acqua ai poli; e piccolissime quantità di acqua intrappolate all'interno della struttura di alcune rocce e minerali lunari.
Qualunque sia la sua forma, l'acqua è fondamentale. Gli astronauti di Artemis ne avranno bisogno per bere e per i suoi componenti, ossigeno e idrogeno, che verrà utilizzato per respirare e per produrre carburante per razzi per viaggi nello spazio profondo.
Le riserve idriche lunari più promettenti sembrano essere nei crateri permanentemente in ombra ai poli, che sono tra i luoghi più freddi del sistema solare e, così, bravo a conservare cose come l'acqua, gli scienziati si aspettano. Questo, oltre all'abbondante luce solare, Ecco perché il Polo Sud della luna è la regione bersaglio di una missione umana di Artemide.
La sfida è che, per la maggior parte, gli strumenti di telerilevamento possono rilevare l'acqua, o dei suoi componenti chimici, in uno strato relativamente superficiale della superficie. Ciò solleva la questione se questa sia tutta l'acqua disponibile per gli esseri umani o se sia solo la punta dell'iceberg. Gli astronauti di Artemis dovranno scavare sotto la superficie per scoprirlo.
