Et lille korn af månestøv, et kæmpe spring for månestudier

Tilbage i 1972, NASA sendte deres sidste hold af astronauter til Månen i Apollo 17-missionen. Disse astronauter bragte noget af Månen tilbage til Jorden, så forskerne kunne fortsætte med at studere månens jord i deres laboratorier. Da vi ikke er vendt tilbage til Månen i næsten 50 år, hver måneprøve er dyrebar. Vi skal få dem til at tælle for forskere nu og i fremtiden. I en ny undersøgelse i Meteoritik og planetarisk videnskab , videnskabsmænd fandt en ny måde at analysere kemien i Månens jord ved hjælp af et enkelt støvkorn. Deres teknik kan hjælpe os med at lære mere om forholdene på Månens overflade og dannelsen af ​​dyrebare ressourcer som vand og helium der.

"Vi analyserer sten fra rummet, atom for atom, " siger Jennika Greer, avisens første forfatter og en ph.d. studerende ved Field Museum og University of Chicago. "Det er første gang, en måneprøve er blevet undersøgt som denne. Vi bruger en teknik, som mange geologer ikke engang har hørt om.

"Vi kan anvende denne teknik på prøver, som ingen har studeret, "Philipp Heck, en kurator på Markmuseet, lektor ved University of Chicago, og medforfatter til avisen, tilføjer. "Du er næsten garanteret at finde noget nyt eller uventet. Denne teknik har så høj følsomhed og opløsning, du finder ting, du ellers ikke ville finde, og bruger kun en lille smule af prøven."

Teknikken kaldes atom probe tomography (APT), og det bruges normalt af materialeforskere, der arbejder på at forbedre industrielle processer som fremstilling af stål og nanotråde. Men dens evne til at analysere små mængder af materialer gør den til en god kandidat til at studere måneprøver. Apollo 17-prøven indeholder 111 kg (245 pund) månens sten og jord – det store sammensætning, ikke en hel masse, så forskerne skal bruge det fornuftigt. Greers analyse krævede kun et enkelt jordkorn, omtrent lige så bredt som et menneskehår. I det lille korn, hun identificerede produkter fra rumforvitring, rent jern, vand og helium, der dannes gennem månejordens interaktioner med rummiljøet. Udvinding af disse dyrebare ressourcer fra månens jord kan hjælpe fremtidige astronauter med at opretholde deres aktiviteter på Månen.

For at studere det lille korn, Greer brugte en fokuseret stråle af ladede atomer til at skære en lillebitte, superskarp spids ind i dens overflade. Denne spids var kun et par hundrede atomer bred - til sammenligning, et ark papir er hundredtusindvis af atomer tykt. "Vi kan bruge udtrykket nanosnedkeri, " siger Philipp Heck. "Som en tømrer former træ, vi gør det på nanoskala til mineraler."

Da prøven var inde i atomsonden på Northwestern University, Greer zappede den med en laser for at slå atomer af én efter én. Da atomerne fløj af prøven, de ramte en detektorplade. tungere elementer, som jern, tage længere tid at nå detektoren end lettere elementer, ligesom brint. Ved at måle tiden mellem laseren affyring og atomet rammer detektoren, instrumentet er i stand til at bestemme typen af ​​atom i den position og dets ladning. Endelig, Greer rekonstruerede dataene i tre dimensioner, ved at bruge et farvekodet punkt for hvert atom og molekyle til at lave et nanoskala 3D-kort over månestøvet.

Det er første gang, videnskabsmænd kan se både typen af ​​atomer og deres nøjagtige placering i en plet af månejord. Mens APT er en velkendt teknik inden for materialevidenskab, ingen havde nogensinde prøvet at bruge det til måneprøver før. Greer og Heck opfordrer andre kosmokemikere til at prøve det. "Det er fantastisk til omfattende karakterisering af små mængder af dyrebare prøver, " siger Greer. "Vi har disse virkelig spændende missioner som Hayabusa2 og OSIRIS-REx, der snart vender tilbage til Jorden – ubemandede rumfartøjer, der samler små stykker asteroider. Dette er en teknik, der bestemt bør anvendes på det, de bringer tilbage, fordi den bruger så lidt materiale, men giver så meget information."

At studere jord fra månens overflade giver forskerne indsigt i en vigtig kraft i vores solsystem:rumforvitring. Rummet er et barskt miljø, med små meteoritter, strømme af partikler, der kommer fra solen, og stråling i form af sol- og kosmiske stråler. Mens Jordens atmosfære beskytter os mod rumforvitring, andre kroppe som Månen og asteroider har ikke atmosfære. Som resultat, jorden på Månens overflade har undergået ændringer forårsaget af rumforvitring, hvilket gør den fundamentalt forskellig fra den klippe, som resten af ​​Månen er sammensat af. Det er lidt ligesom en chokolade-dyppet iskugle:den ydre overflade passer ikke til det, der er indeni. med APT, videnskabsmænd kan se efter forskelle mellem rumforvitrede overflader og ueksponeret månesnuds på en måde, som ingen anden metode kan. Ved at forstå den slags processer, der får disse forskelle til at ske, de kan mere præcist forudsige, hvad der er lige under overfladen af ​​måner og asteroider, der er for langt væk til at bringe til Jorden.

Fordi Greers undersøgelse brugte en spids i nanostørrelse, hendes originale korn af månestøv er stadig tilgængelig for fremtidige eksperimenter. Det betyder, at nye generationer af forskere kan gøre nye opdagelser og forudsigelser fra den samme dyrebare prøve. "For halvtreds år siden, ingen havde forventet, at nogen nogensinde ville analysere en prøve med denne teknik, og kun bruge en lille smule af et korn, "Heck stater. "Tusinder af sådanne korn kunne være på handsken af ​​en astronaut, og det ville være tilstrækkeligt materiale til en stor undersøgelse."

Greer og Heck understreger behovet for missioner, hvor astronauter bringer fysiske prøver tilbage på grund af de mange forskellige terræner i det ydre rum. "Hvis du kun analyserer rumforvitring fra det ene sted på Månen, det er som kun at analysere forvitring på Jorden i en bjergkæde, "Siger Greer. Vi er nødt til at tage til andre steder og genstande for at forstå rumforvitring på samme måde, som vi skal tjekke forskellige steder på Jorden som sandet i ørkener og udspring i bjergkæder på Jorden."

Vi ved endnu ikke, hvilke overraskelser vi kan finde fra rumforvitring. "Det er vigtigt at forstå disse materialer i laboratoriet, så vi forstår, hvad vi ser, når vi ser gennem et teleskop, " siger Greer. "På grund af sådan noget, vi forstår, hvordan miljøet er på Månen. Det går langt ud over, hvad astronauter er i stand til at fortælle os, når de går på Månen. Dette lille korn bevarer millioner af års historie.

Resultaterne fra denne undersøgelse overbeviste NASA om at finansiere Field Museum og Northwestern-teamet og kolleger fra Purdue i de næste tre år for at studere forskellige typer månestøv med APT for at kvantificere dets vandindhold og for at studere andre aspekter af rumforvitring.