Księżycowy lód pod znakiem zapytania. Nowe dane studzą entuzjazm NASA

Przez lata naukowcy liczyli, że w mrocznych kraterach Księżyca kryją się ogromne zapasy lodu.

Najnowsze badania mocno chłodzą ten optymizm.

Nowe, bardzo dokładne zdjęcia z sondy krążącej wokół Księżyca nie potwierdzają wcześniejszych szacunków o dużych złożach wody w formie lodu. Zamiast upragnionego „księżycowego magazynu paliwa” widać na razie głównie nagą skałę i pył, a naukowcy muszą na nowo przeliczyć plany powrotu ludzi na Srebrny Glob.

Księżyc miał być lodową spiżarnią dla astronautów

Pomysł był kuszący i prosty: w ciemnych, stale zacienionych kraterach przy biegunach Księżyca panuje lodówkowa temperatura, i to od miliardów lat. To idealne miejsce, by zgromadził się tam lód wodny – dostarczany przez komety, meteoroidy i procesy chemiczne wywołane promieniowaniem kosmicznym.

Taki lód mógłby zmienić zasady gry dla misji załogowych:

• woda do picia dla astronautów,
• tlen do oddychania po rozbiciu cząsteczek H2O,
• wodór i tlen jako składniki paliwa rakietowego na dalsze wyprawy, np. na Marsa.

Do tej pory kilka misji sugerowało obecność wody w tych rejonach, ale dane były pośrednie: chodziło o pomiary neutronów, sygnały z radarów czy ślady cząsteczek OH w widmie światła. Zabrakło jednego – bardzo wyraźnego obrazu lodu w świetle widzialnym, który dałby jednoznaczną odpowiedź.

ShadowCam – kamera, która „widzi” w ciemnych kraterach

Tu wchodzi na scenę ShadowCam – superczuła kamera umieszczona na koreańskiej sondzie Korea Pathfinder Lunar Orbiter. Jej zadanie: zaglądać tam, gdzie Słońce nie dociera nigdy, czyli w tak zwane permanentnie zacienione rejony przy biegunach.

Sensor rejestruje bardzo słabe światło rozproszone, co pozwala z dużą rozdzielczością oglądać fragmenty Księżyca, które do tej pory były praktycznie niewidoczne. Naukowcy z zespołu Shuai Li z University of Hawaii liczyli, że na takich zdjęciach zobaczą charakterystyczny sygnał lodu – bardziej jasny i specyficznie rozpraszający światło w porównaniu z otaczającym regolitem.

ShadowCam miał dać pierwsze naprawdę ostre „zdjęcie rentgenowskie” księżycowych lodów. Zamiast dużych białych plam system widzi głównie skały, rumowiska i świeże kratery.

Badacze zakładali, że jeśli w górnych warstwach gruntu znajduje się mieszanka pyłu i co najmniej 20–30 procent lodu, kamera bez problemu to wychwyci. Taki poziom zawartości wody byłby już bardzo atrakcyjny dla misji nastawionych na wykorzystanie lokalnych zasobów.

Kłopotliwy wynik: duże złoża lodu raczej nie istnieją

Analiza zdjęć z ShadowCam przyniosła rezultat zupełnie inny, niż wielu się spodziewało. W zbadanych obszarach przy biegunach nie pojawił się sygnał odpowiadający dużej domieszce lodu w powierzchniowej warstwie gruntu. Nawet tam, gdzie spodziewano się „łatwych” znalezisk, obraz przypominał bardziej strome zbocza, gołe skały i osuwiska, niż zamarznięte pola lodowe.

Zespół widzi wprawdzie subtelne anomalie w rozpraszaniu światła, które mogą zgadzać się z obecnością bardzo małych ilości lodu – mowa o zawartości poniżej 10 procent w mieszance z regolitem. To jednak zdecydowanie za mało, by mówić o dużych, górniczo opłacalnych złożach.

Nowe dane mocno ograniczają szacowaną ilość lodu dostępnego tuż pod powierzchnią. Zamiast „lodowej kopalni” Księżyc coraz bardziej przypomina suchą, kamienistą pustynię z tylko śladowymi plamami wilgoci.

Trzeba dodać, że ShadowCam bada jedynie wierzchnią warstwę gruntu. Nie można więc wykluczyć, że głębiej znajdują się większe ilości lodu, do których jednak trudniej będzie się dobrać i których obecnie nie widać w danych optycznych.

Konsekwencje dla programów Artemis i innych misji

Agencje kosmiczne, na czele z NASA, budowały dotąd plany powrotu człowieka na Księżyc w oparciu o założenie, że lokalne zasoby lodu pomogą ograniczyć konieczność zabierania wszystkiego z Ziemi. Mniej ładunku oznacza tańsze starty i większą swobodę działania na powierzchni.

Jeśli lód znajduje się w ilościach poniżej oczekiwań, kilka rzeczy wymaga korekty:

Dla programu Artemis oznacza to bardziej skomplikowaną logistykę. Bazy księżycowe, przynajmniej przez pierwsze lata, mogą wymagać transportu większej ilości wody i paliwa z Ziemi, co podniesie koszty i ograniczy tempo rozwoju stałej obecności ludzi na Srebrnym Globie.

Czy gdzieś na Księżycu jednak kryje się więcej lodu?

Brak wyraźnego sygnału nie znaczy całkowitej pustki. Lód może być:

• rozproszony w bardzo drobnych ilościach w regolicie,
• schowany głębiej niż sięgają obecne metody obserwacyjne,
• skupiony w niewielkich, trudnych do wytropienia „kieszeniach” pod powierzchnią.

Zespół Shuai Li zapowiada dalsze analizy i próby obniżenia progu wykrywalności do poziomu około 1 procenta zawartości lodu. To wymaga bardzo precyzyjnego modelowania sposobu, w jaki pył i skały księżycowe rozpraszają światło pod różnymi kątami.

Dlaczego wcześniejsze interpretacje były zbyt optymistyczne

Wcześniejsze misje nie widziały lodu bezpośrednio – wskazywały na jego obecność na podstawie pośrednich sygnałów. Na przykład instrumenty mierzące neutrony rejestrowały obszary bogatsze w wodór, a to sugerowało lód pod powierzchnią. Radar z kolei wychwytywał odbicia światła mikrofalowego typowe dla lodu, ale podobne odpowiedzi może dawać też skała o specyficznej strukturze.

Nowe zdjęcia z ShadowCam pokazują, jak łatwo pomylić sygnał „wilgotnego” gruntu z sygnałem zwykłej, ale bardzo nierównej i świeżej geologicznie powierzchni.

Badacze wskazują, że w wielu miejscach za „obiecujące” ślady można było uznać jasne bloki skalne, osuwiska czy młode kratery, które mają zupełnie inne właściwości optyczne niż otoczenie, mimo że nie są związane z lodem. Dopiero wysoka rozdzielczość ShadowCam i możliwość porównywania obrazów pod różnymi kątami padania światła pozwoliły to od siebie odróżnić.

Co dalej z księżycowymi planami – kierunki na najbliższe lata

Wyniki z ShadowCam nie zatrzymają wyścigu na Księżyc, ale zmuszają do jego korekty. W praktyce można spodziewać się kilku ruchów:

• większy nacisk na misje robotyczne, które fizycznie pobiorą próbki z zacienionych rejonów,
• rozwój technologii przerobu bardzo ubogich w wodę gruntów,
• szukanie alternatywnych źródeł – choćby lodu głębiej pod powierzchnią lub w innych typach form geologicznych.

Można też założyć, że rosnąć będzie rola prywatnych firm kosmicznych wyspecjalizowanych w transporcie towarów na orbitę i dalej, skoro część zasobów, na które liczono lokalnie, może nie być dostępna w tak wygodnej formie, jak oczekiwano.

Księżyc wciąż uczy pokory – co to znaczy dla nauki

Księżyc od dawna uchodził za ciało niebieskie „dobrze poznane”, bo odwiedzili go już astronauci, a setki misji krążyły w jego pobliżu. Nowe wyniki pokazują, że obraz wciąż jest niepełny. Warunki w permanentnie zacienionych kraterach okazały się trudniejsze do odczytania, niż sugerowały wcześniejsze modele.

Dla naukowców to okazja, by lepiej zrozumieć procesy odpowiedzialne za krążenie wody i lodu w całym Układzie Słonecznym. Nawet niewielkie ilości lodu na Księżycu mówią wiele o historii uderzeń kometarnych, o tym, jak promieniowanie zmienia powierzchnię ciał skalistych i jak długo woda może przetrwać w ekstremalnych warunkach próżni.

Z perspektywy zwykłego czytelnika najprościej patrzeć na to tak: zamiast prostego scenariusza z księżycowymi „złożami paliwa” mamy bardziej skomplikowaną układankę. Przyszłe bazy księżycowe powstaną zapewne i tak, ale będą musiały polegać na miksie kilku źródeł – technologii recyklingu, dostaw z Ziemi i lokalnych zasobów, które jak na razie wyglądają na skromniejsze, niż wychodziło z pierwszych, bardzo optymistycznych prognoz.