Woda na Księżycu rozczarowuje. Nowe dane psują plany stałej bazy

Naukowcy potwierdzają: woda na Księżycu jest, ale znacznie trudniej ją wykorzystać, niż sugerowały wcześniejsze, optymistyczne zapowiedzi.

Nowa analiza zdjęć z bardzo czułej kamery orbitalnej pokazuje, że w najbardziej obiecujących, wiecznie zacienionych rejonach Księżyca nie widać niemal żadnej lodowej pokrywy, z której dałoby się realnie korzystać podczas przyszłych misji załogowych.

Dlaczego woda na Księżycu jest tak ważna dla ludzi

W planach powrotu człowieka na Księżyc woda pełni rolę surowca strategicznego. Bez niej każda baza musiałaby polegać wyłącznie na dostawach z Ziemi, co dramatycznie podbija koszty i ogranicza ambicje agencji kosmicznych. Zasoby lodu w księżycowym gruncie mogłyby zmienić zasady gry.

Z jednego składnika da się bowiem uzyskać kilka rzeczy naraz: wodę pitną, tlen do oddychania i składniki paliwa rakietowego. Właśnie dlatego program Artemis, który ma doprowadzić do długotrwałej obecności ludzi na Srebrnym Globie, w dużej mierze opiera się na założeniu, że lód faktycznie tam czeka, tylko trzeba go znaleźć i wydobyć.

Przeczytaj również: Fizycy z CERN namierzyli niezwykłą cząstkę cztery razy cięższą od protonu

Zmniejszenie spodziewanych zasobów lodu oznacza większe koszty misji, więcej sprzętu z Ziemi i ostrożniejsze plany budowy stałych baz na Księżycu.

Wieczna ciemność jako lodówka dla lodu

Księżyc nie ma gęstej atmosfery ani warstwy ozonowej, więc jego powierzchnia w pełnym słońcu nagrzewa się bardzo mocno. Woda w takim środowisku bardzo szybko wyparowuje w przestrzeń kosmiczną. Jedyny ratunek dla lodu to miejsca, gdzie promienie słoneczne po prostu nie docierają.

Tu kluczowe jest ustawienie osi obrotu Księżyca. Jest ona niemal prosta względem jego orbity – odchylona tylko o około 1,5 stopnia. Sprawia to, że dna niektórych kraterów w pobliżu bieguna południowego przez miliardy lat toną w całkowitej ciemności. To tzw. obszary wiecznego cienia, w literaturze oznaczane skrótem PSR (Permanently Shadowed Regions).

Przeczytaj również: Dlaczego marchewka jest pomarańczowa? Ma to związek z jednym krajem

Te naturalne „pułapki zimna” od dawna uważa się za najlepsze schowki na lód. Starsze misje, takie jak Lunar Prospector NASA czy indyjski Chandrayaan-1, wykrywały w takich rejonach sygnały sugerujące obecność zamarzniętej wody. Nie były to jednak obrazy w wysokiej rozdzielczości, lecz pośrednie wskazówki z pomiarów neutronów czy odbitego promieniowania.

ShadowCam zagląda tam, gdzie nie dochodzi słońce

Aby uzyskać bardziej jednoznaczny obraz sytuacji, zespół z uniwersytetu w Hawajach sięgnął po nowe narzędzie – kamerę ShadowCam. To niezwykle czuła konstrukcja opracowana w NASA, zamontowana na koreańskim orbiterze Korea Pathfinder Lunar Orbiter, który dotarł w okolice Księżyca w 2022 roku.

Przeczytaj również: Amerykanie chcą zbudować reaktor jądrowy na Księżycu przed 2030 rokiem

ShadowCam potrafi rejestrować bardzo słabe światło rozproszone, co pozwala „zajrzeć” w rejony, które nigdy nie są bezpośrednio oświetlane przez Słońce. Naukowcy szukali na tych zdjęciach dwóch charakterystycznych cech świadczących o lodzie:

• wysokiej jasności – lód odbija więcej światła niż ciemny księżycowy pył,
• specyficznego sposobu rozpraszania światła – część materiałów, w tym lód, kieruje odbite fotony głównie w stronę źródła światła.

Łącząc te dwie właściwości, można z dużą dozą pewności odróżnić zamarzniętą wodę od „zwykłego” regolitu, czyli rozdrobnionego materiału skalnego, który tworzy księżycową powierzchnię.

Rozczarowujące obrazy: lodu prawie nie widać

Rezultat analizy mocno studzi nastroje. ShadowCam nie pokazała wyraźnych połaci lodu w badanych, wiecznie zacienionych rejonach. Aby kamera mogła bez wątpliwości zarejestrować lód, musiałby on stanowić co najmniej 20–30 procent mieszaniny powierzchniowej. Poniżej takiej zawartości sygnał ginie w tle.

Innymi słowy, jeśli na danym obszarze istnieje lód, to nie zajmuje on dużych, jednolitych płatów, tylko jest rozproszony i zmieszany z pyłem. Dla inżynierów planujących przyszłe misje to bardzo zła wiadomość. Łatwo dostępny lód, który dałoby się po prostu „wykopać”, okazuje się raczej wyjątkiem niż regułą.

Badane rejony nie przypominają wielkich lodowych magazynów. To raczej księżycowy pył z nieznaczną domieszką lodu, ukrytego zbyt głęboko w danych, żeby go wyraźnie zobaczyć.

Czy Księżyc jest całkiem suchy?

Wyniki ShadowCam nie oznaczają pustyni absolutnej. Naukowcy zarejestrowali kilka niewielkich obszarów, których właściwości optyczne da się pogodzić z zawartością lodu na poziomie powyżej 10 procent. To wciąż dużo mniej, niż zakładano w najbardziej optymistycznych scenariuszach, ale wystarczy, by mówić o obecności zamarzniętej wody w formie śladowej.

Problem polega na tym, że tak niska koncentracja czyni eksploatację bardzo skomplikowaną. Trzeba byłoby przerobić i podgrzać ogromne ilości regolitu, żeby uzyskać niewielkie ilości wody. Już teraz widać, że bez bardziej czułych instrumentów i precyzyjnych odwiertów nie da się rozstrzygnąć, czy w głębszych warstwach nie kryją się bogatsze złoża.

Jak nowe dane mogą zmienić plany misji Artemis

Te ustalenia pojawiają się w newralgicznym momencie. Program Artemis, prowadzony przez NASA we współpracy międzynarodowej, ma w kolejnych latach wysłać ludzi na powierzchnię Księżyca i zbudować tam infrastrukturę na dłużej niż tylko kilka dni. Założeniem było stopniowe przechodzenie na wykorzystanie lokalnych zasobów – w tym lodu – aby zmniejszyć zależność od dostaw z Ziemi.

Jeśli lód występuje głównie w niskich stężeniach, rachunek ekonomiczny mocno się komplikuje. Baza będzie potrzebowała:

• większych zapasów wody przywożonych rakietami,
• cięższego, energochłonnego sprzętu do wydobycia i przetwarzania regolitu,
• bardziej rozbudowanej infrastruktury energetycznej, by w ogóle opłacało się uruchamiać taki proces.

Dodatkowo rośnie ryzyko, że pierwsze załogowe wyprawy będą raczej misjami rozpoznawczymi niż początkiem „księżycowej gospodarki”. Zanim inżynierowie postawią koparki, trzeba bardzo dokładnie sprawdzić, gdzie dokładnie leży lód, na jakiej głębokości i w jakim stanie fizycznym.

Co dalej z poszukiwaniem księżycowej wody

Naukowcy wyraźnie podkreślają, że obecne dane to tylko fragment układanki. ShadowCam ma swoje ograniczenia: nie widzi dobrze lodu, jeśli jego udział w gruncie spada poniżej kilkunastu procent. Zespół szacuje, że do pełniejszej diagnozy potrzebne będą instrumenty, które wykryją zawartość rzędu jednego procenta lub nawet mniejszą.

Stąd rosnące zainteresowanie robotycznymi lądownikami i łazikami, które mają dotrzeć prosto do wiecznie zacienionych kraterów. Tylko pobrane na miejscu próbki i pomiary wiertnicze pokażą, czy cienka warstwa suchego pyłu nie przykrywa bogatszych, zamarzniętych pokładów kilka czy kilkanaście centymetrów niżej.

Co to oznacza dla przyszłości kosmicznej gospodarki

Woda na Księżycu to nie tylko kwestia przetrwania astronautów. W dłuższej perspektywie wizja zakłada coś w rodzaju kosmicznej infrastruktury paliwowej. Gdyby udało się w dużej skali rozbić lód na wodór i tlen, można by tankować rakiety już poza Ziemią. To obniża koszt lotów na Marsa, asteroidy czy dalsze rejony Układu Słonecznego.

Jeżeli jednak lód okaże się mocno rozproszony, taki scenariusz stanie się mniej atrakcyjny ekonomicznie. Być może pierwsze „rafinerie” paliwa kosmicznego powstaną nie na Księżycu, a np. na bogatych w lód asteroidach lub księżycach zewnętrznych planet. Księżyc wciąż pozostanie ważnym poligonem doświadczalnym, ale niekoniecznie głównym magazynem surowców.

Warto też pamiętać, że samo istnienie lodu nie gwarantuje, że da się go łatwo wydobyć. Może być związany chemicznie w minerałach, tworzyć twardą, zmrożoną mieszankę z pyłem albo występować w bardzo nieregularnych skupiskach. Każdy z tych wariantów wymaga innej technologii, innego sprzętu i innej ilości energii.

Dla czytelników na Ziemi ta historia jest o czymś więcej niż o odległych kraterach. Pokazuje, że kosmiczne projekty, które w prezentacjach wyglądają jak oczywisty kolejny krok, w praktyce rozbijają się o twarde, liczbowe szczegóły. Jedno zdjęcie z czułej kamery potrafi przewrócić do góry nogami wieloletnie założenia i zmusić inżynierów do przerysowania całych planów. I właśnie w tym sensie księżycowa woda staje się dzisiaj jednym z najgorętszych tematów w planowaniu przyszłych misji.