Voda na luni, njen izvor in dinamika
Oznaka in naziv projekta
N1-0383 Voda na luni, njen izvor in dinamika
N1-0383 Lunar water, its origin and kinetics
Logotipi ARIS in drugih sofinancerjev
Projektna skupina
Vodja projekta: dr. Jurij Simčič
Sodelujoče raziskovalne organizacije: Povezava na SICRIS
Sestava projektne skupine: Povezava na SICRIS
Vsebinski opis projekta
Nastanek in transport vode na Luni sta bila predmet številnih študij v zadnjih nekaj desetletjih. Kljub temu ostaja veliko vprašanj neodgovorjenih, zlasti odsotnost rezervoarja podpovršinske vode, ki jo napovedujejo mnogi modeli, ki bi omogočil zaznavo vodnih molekul v lunini eksosferi.
Nedavne analize steklenih kroglic, nastalih ob udarcih meteoritov v lunino površje, ki jih je na Zemljo pripeljala kitajska sonda Chang'e 5, nakazujejo, da je ta material, ki je raztresen po vsej površini Lune, ob interakciji s sončnim vetrom, sposoben proizvesti in shraniti velike količine vode. Vodne molekule iz njega lahko pobegnejo, ko se med luninim dnevom temperature dvignejo do 150oC, kar pritrjuje zamisli, da bi steklene kroglice lahko, namesto neodkritega rezervoarja, oskrbovale eksosfero na Luni z vodnimi molekulami.
V okviru projekta izvjamo laboratorijske poskuse, s katerimi poskušamo izmeriti sposobnost steklenih kroglic za proizvodnjo in akumulacijo vode ter difuzijske in ekstrakcijske hitrosti za vodne molekule v temperaturnem okolju, ki ga določa lunin diurni cikel.
Uporabljamo tektit, olivin in steklo izdelano v vakuumu, ki po sestavi ustreza tistemu na Luni. Vzorce izpostavimo obsevanju z devterijem, nato pa analiziramo z metodami Nuclear Reaction Analysis (NRA), Elastic Recoil Detection Analysis (ERDA) in Secondary Ion Mass Spectrometry (SIMS). Tako določimo, globinski profil in koncentracijo vode. Študiramo kako na to vplivajo zunanje temperature in sestava vzorcev.
V nadaljevanju bomo vzorce izpostavili laserskim pulzom, kot nadomestilom za udarce mikrometeoritov in preučevali, koliko vode kroglico zapusti ob takem dogodku. Rezultati teh meritev nam bodo omogočili dopolnitev teoretičnih modelov, ki opisujejo dinamiko vodnih molekul od njihovega nastanka v luninem regolitu do pobega v eksosfero.
Osnovni podatki sofinanciranja so dostopni na spletni strani SICRIS.
Faze projekta in opis njihove realizacije
1. Faza: Preliminarne raziskave, priprava vzorcev in protokolov
Od NASA Johnson Space Centra v Houstonu in Kitajske akademije znanosti bomo skušali dobiti na posodo vzorce regolita, luninega stekla in steklenih kroglic, ki nastanejo po trku z meteoriti. Pripravili bomo ustrezne nosilce vzorcev, ki bodo omogočali dober termični stik z vzorci, da jih bomo lahko obsevali in analizirali pri različnih temperaturah od -150 do +150oC. N anavadnem steklu in zemeljskih mineralih, kot npr. olivin, bomo vadili rezanje in brušenje vzorcev. Zaradi velikega števila vzorcev, ki so občutljivi na kontaminacijo, bomo razvili protokole rokovanja in katalogiranja. V vakuumski peči, s kokilo hlajeno s tekočim dušikom, bomo izdelali najboljši možni približek steklenih kroglic.
2. Faza: Nadgradnja eksperimentalne postaje
Nadgradili bomo vakuumski nosilec v eksperimentalni celici, da bo omogočal temperaturno kontrolo vzorcev v razponu od -150oC do +150oC. Celico bomo opremili s sistemom za natančno merjenje ionskega toka in detektorji za Nuclear Reaction Analysis (NRA) ter Elastic Recoil Detection Analysis (ERDA). Že obstoječi visokoenergijski masni spektrometer sekundarnih ionov (MeV-SIMS), bomo prilagodili za analizo naših vzorcev, kjer nas zanimajo koncentracije lahkih molekul vodnih skupin: D, D2, OD in D2O. Vgradili bomo komercialni masni spektrometer (Residual Gas Analyzer - RGA) in ionsko puško za obsevanje vzorcev z devterijem. Ionsko puško bomo prilagodili, da bo pri meritvah MeV-SIMS na območju velikosti 1mm2 po vsaki opravljeni MeV-SIMS meritvi odstranila ~1nm debelo plast vzorca, kar bo omogočilo merjenje globinskih profilov zgoraj omenjenih molekul. Opravili bomo testna obsevanja in prve NRA,ERDA in MeV-SIMS meritve globinskih profilov implantiranega devterija ter analize izmerjenega.
3. Faza: Obsevanja vzorcev in merjenje globinskih profilov
Uporaba analitičnih tehnik, ki smo jih osvojili v drugi fazi projekta, na množici vzorcev, predvsem vauumskem steklu, ki mu bomo spreminjali sestavo, da ugotovimo, kateri elementi vplivajo na produkcijo vode. Obsevane vzorce bomo temperaturno ciklirali med obema ekstremnima temperaturama in skušali izmeriti, kako devterij in vodne skupine difundirajo v notranjost kroglic. Z RGA meritvami bomo beležili, kakšen delež vodnih skupin pri tem pobegne iz stekla in kakšna so razmerja med njimi. Zadnji podatek je pomemben za preverjanje trenutno veljavnega modela za tvorbo vode, kjer velja, da se morata na površini minerala srečati dve OH skupini in se nato združiti v H2O. Z laserskimi pulzi bomo simulirali udarce meteoritov v površino Lune in z RGA merili pridelke vodnih skupin in njihova razmerja. Rezultate naših meritev bomo posredovali kolegom iz Tehnične Univerze v Munchnu, ki se ukvarjajo z modeliranjem dinamike vodnih molekul v lunini eksosferi in njihovo interakcijo z luninim regolitom.