Księżyc Zatoką Perską przyszłości (2)? Chang’e-6 wylądował 

Jak informuje Chińska Narodowa Administracja Przestrzeni Kosmicznej (CNSA) bezzałogowy pojazd misji Chang’e-6 wylądował pomyślnie na „ciemnej” stronie Księżyca. Nie byłoby w tym nic sensacyjnego gdyby nie fakt, że misja ma za zadanie pobranie i dostarczenie na Ziemię próbek skał księżycowych z jego „ciemnej” strony. To ważne, bo niewidoczna strona Księżyca znacznie różni się od tej, którą widzimy. Różnice w wyglądzie przekładają się na różnice geologiczne, a te z kolei wynikają z historii tego globu. O Księżycu i jego tajemnicach pisałem w tekstach Janusowe oblicze Księżyca i Księżyc Zatoką Perską przyszłości? Chiny konsekwentnie i, jak na razie, bez wpadek realizują ambitny program „kolonizacji” Księżyca. 

Ryc. 1. Start rakiety z misją Chang’e-6. Źródło: Getty Images via https://www.bbc.com/news/articles/cxeejp0y2pjo

Powodzenie misji (informacja na razie niepotwierdzona przez inne źródła niż chińskie) Chang’e-6 to ważny etap, dlatego piszę o tym w dedykowanym tekście. Tajemnica odmienności ciemnej strony Księżyca kryje się w jego historii, a tę możemy poznać tylko poprzez badanie skał księżycowych. Jeśli chińska misja powiedzie się do końca, będziemy mieli (a właściwie Chińczycy, może się podzielą) najstarsze księżycowe skały z Basenu Bieguna Południowego – Aitken, krateru uderzeniowego, jednego z największych znanych w Układzie Słonecznym. I najstarszych. 

Ryc. 2. Lądownik księżycowy Chang’e-6 po wylądowaniu 2 czerwca 2024 r.(Zdjęcie: CCTV)

Badania mogą odpowiedzieć nie tylko na pytania związane z Księżycem. Z uwagi na wiek i położenie pobranych skał będzie można wyciągać wnioski i weryfikować hipotezy dotyczące historii całego Układu Słonecznego, zwłaszcza planet. Wybór miejsca lądowania nie był przypadkowy. Krater Aitken może dostarczyć próbki skał z płaszcza księżycowego, co oznacza, że będzie można określić, czy i ile wody (oczywiście zestalonej) na Księżycu się znajduje. To podstawowa kwestia w planowaniu przyszłych stałych baz księżycowych.

Innym, równie ekscytującym tematem badań jest poszukiwanie helu-3, świętego Graala przyszłej energetyki jądrowej. Mocarstwa kosmiczne od dawna ostrzą sobie zęby na pozyskiwanie tego „mitycznego” izotopu. Po raz pierwszy misje kosmiczne mają szansę być nie tylko eksploracyjne i kosztowne, ale mogą stać się opłacalne. 

Ryc. 3. Plan misji. Żródło: https://x.com/CNSAWatcher/status/1785556675895697602

Data i czas lądowania: niedziela 2 czerwca 2024, godzina 6:23 czasu pekińskiego (22:23 GMT, sobota).

Miejsce lądowania:  basen Bieguna Południowego-Aitken 

Miejsce startu: Wenchang Space Launch Center

Czas lotu: 4 dni

Ciekawostka: Podczas opadania zastosowano autonomiczny system wizualnego omijania przeszkód, który automatycznie wykrywał przeszkody, a kamera w świetle widzialnym wybierała stosunkowo bezpieczne miejsce do lądowania.

Plan misji: Lądownik spędzi kilka następnych dni badając otoczenie i zbierając materiał skalny (2 kg). Część próbek zostanie pobrana z powierzchni, część z odwiertów o głębokości do 2 metrów.

Z dużą większą przyjemnością napisałbym o tak ważnym etapie badań Księżyca w wykonaniu NASA lub ESA. Niestety, misje amerykańskie zawodzą. Zaplanowana na wczoraj misja Starliner (Boeing) została po raz kolejny przerwana. Misję Artemis 2 przełożono z listopada 2024 na wrzesień 2025. Załogowa wyprawa Artemis 3 planowana na końcówkę 2025 roku została (konsekwentnie) przełożona na wrzesień 2026. 

Księżyc Zatoką Perską przyszłości? 

We wpisie Janusowe oblicze Księżyca poruszyłem temat „ciemnej” strony Księżyca, jakże innej od tej „jasnej”. Nasza fascynacja Księżycem nie mija. Po zakończeniu cyklu misji Apollo i dziesięcioleciach posuchy w eksploracji tego globu, widzimy powrót zainteresowania Księżycem. Przyczyn jest kilka. Oprócz naturalnej, naukowej ciekawości i poszukiwania odpowiedzi na pytania dotyczące genezy Księżyca, zainteresowano się też aspektem praktycznym, czyli możliwością eksploatacji zasobów helu-3 (3He), stabilnego izotopu helu, mogącego być paliwem w reakcji kontrolowanej syntezy jądrowej. Wprawdzie izotop ten występuje na Ziemi, ale w bardzo niewielkich ilościach, w większości w płaszczu Ziemi (0,1-1 miliona ton). Szacuje się, że źródła gazu ziemnego w Stanach Zjednoczonych mogą łącznie zawierać jedynie pół tony 3He. Dodatkowo kolejne 1200 ton może być zawarte w cząstkach pyłu międzyplanetarnego osadzonego na dnie oceanów. Jednak ekstrakcja helu-3 z tych źródeł zużyłaby więcej energii niż może wyzwolić synteza termojądrowa przeprowadzona z jego wykorzystaniem. 

Hel-3 jest nuklidem pierwotnym, pierwotną materią kosmiczną, z której powstawała Ziemia. Jest produktem reakcji termojądrowych zachodzących w gwiazdach, wyrzucanym w przestrzeń kosmiczną i wchodzącym w skład ośrodków międzygwiazdowych (ISM – Interstellar Medium), o których pisze Mirosław Dworniczak w tekście Organiczne odpadki z fabryki gwiazd – część 2. Jest też wyrzucany ze Słońca w trakcie jego „normalnej pracy”, osiadając na planetach i księżycach Układu Słonecznego. I ten właśnie, zawarty w skałach księżycowych hel-3, budzi tak wielkie zainteresowanie, zwłaszcza ten z ciemnej jego strony, gdzie jest go po prostu więcej. 

Aż chciałoby się powiedzieć z syntezy termojądrowej powstałeś, do syntezy termojądrowej powrócisz. Hel-3 powstaje w wyniku burzliwych przemian we wnętrzach gwiazd i może kończyć swój żywot w podobnej reakcji. Nie bez kozery napisałem „kończyć”, bo w wyniku połączenia jądra deuteru z jądrem helu-3 powstaje coś zupełnie innego: zwykły hel-4 i jeden swobodny proton. I niebagatelna ilość energii, bo 18,3 MeV (z jednego aktu syntezy). Reakcja alternatywna, czyli połączenie dwóch jąder helu-3 daje w efekcie jedno jądro helu-4, dwa protony i 12,86 MeV energii. Dużo? Dużo, bo wyzwolona energia termiczna (foton) jest równoważnikiem różnicy mas nukleonów po obu stronach tego równania. Na Ryc.1 przedstawiona jest schematycznie pierwsza z wymienionych reakcji. 

Dlaczego synteza z wykorzystaniem helu-3 jest tak atrakcyjna? Powód jest prosty – reakcja tego typu jest ekologicznie „czysta”. W odróżnieniu od klasycznej reakcji syntezy deuteru i trytu nie powstają w jej wyniku wysokoenergetyczne neutrony. Neutronów, obojętnych elektrycznie, nie można tak łatwo powstrzymać, a dodatnie protony są podatne na pole elektryczne i magnetyczne. Synteza helowa jest czysta ekologicznie, zarówno jeśli chodzi o substraty jak i produkty reakcji. Warto dodać, że teoretycznie możliwe jest także wykorzystanie energii pędu wyzwolonego protonu poruszającego się w silnym polu magnetycznym. Warto dodać, że ekologiczność tej syntezy to na razie tylko teoretyczne spekulacje ponieważ reakcja D+3He wymaga dużo wyższych temperatur niż reakcja DT (deuter+tryt), a w związku z tym mogą zajść inne reakcje indukujące radioaktywność w otoczeniu reaktora.

Ryc. 1. Reakcja syntezy jądrowej z wykorzystaniem helu-3 i deuteru. Źródło: https://science.howstuffworks.com

Wyścig na Księżyc na dobre rozpoczął się w 2018 roku, kiedy chiński łazik księżycowy Yutu-2 (Jadeitowy Królik) w ramach misji Chang’e-4 rozpoczął badania skał księżycowych po jego „ciemnej” stronie. Następna misja Chang’e-5 wróciła z Księżyca z próbkami regolitu pobranymi z powierzchni Księżyca i 2,5-metrowych odwiertów, między innymi z minerałem Changesite-(Y), zawierającym hel-3. Planowane są już następne misje, coraz bardziej ambitne, o numerach 6, 7 i 8, a zwieńczeniem programu ma być budowa bazy księżycowej. Najbliższa wyprawa Chang’e-6 ma przywieźć na Ziemię skały z niewidocznej strony Księżyca, co ma także duże znaczenie stricte naukowe, gdyż umożliwi wyjaśnienie prawdopodobnych różnic geologicznych (a może selenologicznych?) między jasną i ciemną stroną Księżyca.

Ryc. 2. Lądownik sondy Chang’e-5. Źródło: https://www.national-geographic.pl/artykul/chiny-sonda-change-5-jest-w-drodze-zeby-zebrac-najmlodsze-fragmenty-ksiezyca

Amerykanie też mają plany podboju Księżyca. Program Artemis, którego częścią ma być misja Artemis II, to misja załogowa mająca na celu okrążenie Księżyca i powrót na Ziemię. Jest (będzie) to wydarzenie symboliczne, powrót na Księżyc po kilkudziesięciu latach nieobecności. O misji Artemis II pisała w 2022 roku Tatiana Pandora Saternus we wpisie Powrót na Księżyc: załoga Artemis II. W międzyczasie (styczeń 2024) NASA przesunęła datę startu z listopada 2024 na bliżej nie określony termin, nie wcześniej niż we wrześniu 2025. 

Pierwsza indyjska sonda księżycowa Chandrayaan-1, należąca do Indyjskiej Organizacji Badań Kosmicznych, wystrzelona w październiku 2008 r., miała za zadanie stworzenie pełnej mapy składu chemicznego powierzchni i trójwymiarowej topografii Księżyca. Nieoficjalnie mówi się o mapie powierzchni Księżyca pod kątem minerałów zawierających hel-3. Z powodu problemów technicznych misja (planowana na dwa lata) została przerwana po niecałym roku działalności.

Jak widać Księżyc z roku na rok stał się bardzo interesującym obiektem badań, po raz pierwszy w historii motywowanych bardziej względami gospodarczymi niż czystą naukową ciekawością. 

Hel-3 został po raz pierwszy wyizolowany w 1939 roku przez Luisa Alvareza i Roberta Cornoga. Z początku uważano, że jest radioaktywny, do czasu aż odkryto go w próbkach naturalnego helu pochodzących z atmosfery i głębokich odwiertów. Ciekawostką jest różna klasyfikacja 3He i 4He z punktu widzenia mechaniki kwantowej. Hel-4 mając dwa protony, dwa neutrony i dwa elektrony ma ogólny spin równy zero, czyli jest bozonem, hel-3 mając o jeden neutron mniej, ma ogólny spin wynoszący 1/2, czyli jest fermionem. Niby ciekawostka, a ma wpływ na temperaturę przejścia w stan nadciekłości, co jest wykorzystywane do uzyskiwania ekstremalnie niskich temperatur. Izotop helu 4He przechodzi w stan nadciekły w temperaturze 2,17 K (około -271oC), 3He staje się nadciekły w temperaturze 2,6 mK, czyli prawie w temperaturze absolutnego zera.

Zastosowanie helu-3 to nie tylko hipotetyczne źródło czystej energii pochodzącej z kontrolowanej reakcji termojądrowej. Izotop ten znajduje już obecnie wiele ciekawych zastosowań. Skąd bierzemy hel-3? Niewielkie jego ilości otrzymuje się z gazu ziemnego, ale większość produkcji (w sumie kilkaset kilogramów) to produkt uboczny przechowywania głowic termojądrowych. Tryt, izotop wodoru o masie atomowej 3, używany w tych głowicach jako paliwo, rozpada się na hel-3 spontanicznie w trakcie przechowywania, a jego obecność zmniejsza moc wybuchową ładunku. Z tego powodu jest wydobywany z głowicy i trafia na rynek. 

Obecne zastosowania helu-3 to:

  • detekcja neutronów,
  • kriogenika, mieszanina helu-4 i helu-3 pozwala uzyskać temperatury rzędu kilku tysięcznych kelwina,
  • poprawienie rozdzielczości obrazowania medycznego MRI, szczególnie w badaniu płuc, gdzie tylko wysoka jakość i rozdzielczość obrazu pozwalają na dokładną diagnostykę,

Renesans zainteresowania Księżycem jest faktem, a misje rozpoznawcze na pewno będą kontynuowane. Badanie skał regolitowych, oprócz korzyści naukowych, przyniesie odpowiedź na wiele pytań ze sfery gospodarczej, dotyczących przede wszystkim zawartości helu-3 i wody w materii księżycowej. Oprócz zagadnień natury naukowej powstaje na naszych oczach nowy obszar działalności człowieka, nieuregulowany prawnie. Nie ma ram prawnych dla prac wydobywczych i eksploatacyjnych, a także dla kwestii własności obiektów kosmicznych. Być może Księżyc uzyska status podobny do statusu Antarktydy. Albo Berlina Zachodniego, podzielonego na strefy wpływów. Podobny, bo co począć z regulacjami dla działalności gospodarczej i nieuchronnymi zniszczeniami natury tego globu? Co powie nauka na zanieczyszczenie i zniszczenia powierzchni Księżyca? Księżyc nie ma atmosfery i każdy ślad przysłowiowej ciężarówki pozostanie tam na wieki wieków. Jest o czym myśleć.

Czy może istnieć życie na Enceladusie?

Enceladus, satelita Saturna, jest stosunkowo niewielkim, ale jednym z najbardziej interesujących księżyców w Układzie Słonecznym. Już od dłuższego czasu naukowcy uważają, że może on być on, a dokładniej jego podlodowy ocean, potencjalnym siedliskiem życia.

Enceladus sfotografowany przez sondę Cassini
źródło: NASA, domena publiczna

Dyskusja na ten temat rozgorzała na nowo, gdy na światło dzienne wypłynęły dane nadsyłane z sondy Cassini. Misja Cassini-Huygens rozpoczęła się jeszcze w 1997 roku, ale dopiero w 2004 sonda weszła na orbitę Saturna. Jej celem było zbadanie samej planety, ale też jej pierścieni i księżyców. Sonda jedenaście razy przeleciała obok Enceladusa, zbierając olbrzymią ilość danych na temat gejzerów tego ciała niebieskiego. Jeden z przelotów miał miejsce zaledwie 50 km nad powierzchnią księżyca. W jego trakcie sonda przeleciała przez gejzer w okolicach południowego bieguna, dokonując analizy jego zawartości.

Kriowulkany na biegunie południowym
źródło: NASA, licencja: CC SA 2.0

W 2023 roku ukazała się w „Nature Astronomy” niesamowicie ciekawa praca, będąca pierwszym większym podsumowaniem badań chemicznych Enceladusa. Badacze skupili się na wynikach uzyskanych przy użyciu spektrometru INMS, który analizuje zarówno jony, jak też cząsteczki obojętne. Jest to niesamowite urządzenie. Waży tylko nieco ponad 9 kg, zużywa niecałe 30 watów. Komunikuje się z „zawrotną” szybkością 1,5 kbps, ale w sumie nie chodziło tu o szybkość. Jego podstawowym zadaniem jest „obwąchiwanie” okolicy. Spektrometr wykrywa jony i cząsteczki obojętne o stosunkowo niskich masach (tylko do 60 jednostek masy atomowej). Dane przesyłane powoli, ale cierpliwie na Ziemię, zachwyciły badaczy. Stwierdzono, że w gejzerach aktywnych w rejonie biegunowym Enceladusa znajdują się takie substancje, jak woda (dość oczywista w przypadku gejzerów), ale też dwutlenek węgla, metan, amoniak i wodór cząsteczkowy. Akurat obecności tych związków się spodziewano. Ale dalej było tylko ciekawiej. Kolejnymi niskocząsteczkowymi związkami, które wykrył INMS, były: cyjanowodór (HCN), acetylen (C2H2), propylen (C3H6) i etan (C2H6).

Jeśli dodamy do tego oddziaływanie Słońca, które może powodować radiolizę (rozkład pod wpływem promieniowania jonizującego) oraz inne, wtórne procesy chemiczne, nietrudno jest wyciągnąć wnioski, że mamy tu całkiem bogaty zestaw „klocków życia”. Oczywiście nie jest to żaden bezpośredni, a nawet pośredni dowód, że pod białą lodową powierzchnią tego księżyca istnieje jakiekolwiek życie. Możemy jednak spekulować, że właśnie tego typu koktajl chemiczny jest swoistym zaczynem. Szczególną uwagę zwraca obecność HCN. Ten toksyczny dla ludzi gaz stanowi kluczową cząsteczkę w procesach tworzenia aminokwasów. Ciekawość wzbudza też obecność metanu. Tu, na Ziemi, jest on produktem metanogenezy, procesu beztlenowego rozkładu substancji organicznych. Skąd on się wziął na Enceladusie? Nie wiemy. Jeszcze nie wiemy. Jego obecność dowodzi jednak tego, że muszą tam przebiegać reakcje redoks (redukcji i utleniania), które są typowe dla znanego nam metabolizmu. Tu trzeba zwrócić uwagę, że związki węgla odkryte na Enceladusie obejmują szeroki zakres stopni utlenienia – od +4 (dwutlenek węgla) aż do -4 (metan). Zauważmy też, że w mieszaninie mamy również substancję redukującą (wodór) oraz utleniającą (tlen), tak więc możemy przypuszczać, że w tym kosmicznym tyglu może dziać się bardzo dużo interesujących procesów chemicznych.

Trzeba tu jeszcze wspomnieć, że sonda Cassini (konkretnie Cosmic Dust Analyzer) wcześniej wykryła w drobnych ziarnach pyłu wyrzucanego z gejzerów księżyca całkiem sporą ilość związków nieorganicznych. Znaleziono tam typowe jony, takie jak sód i potas, a także wodorowęglan i węglan. Ot, skład podobny do naszej wody mineralnej (rzućcie okiem na dowolną etykietę). Co ważne, odkryto też fosforany, bardzo istotny składnik życia (wspomnijmy tylko ATP czy DNA). Analiza zawartości tych ważnych jonów wykazała, że w podpowierzchniowym oceanie jest ich prawdopodobnie nawet 100 razy więcej niż w oceanach ziemskich. W jonach tych fosfor występuje na +5 stopniu utlenienia. Podejrzewano też, że może tam się znaleźć fosfor +3, czyli pochodne H2PO3. Są to jony silnie redukujące, ale nie zostały one znalezione, co raczej nie jest dziwne, zważywszy na to, że środowisko oceanu Enceladusa jest alkaliczne. Badacze podejrzewają, że źródłem fosforu jest głównie fosforek żelaza (FeP). W środowisku kwaśnym związek ten rozkłada się z wytworzeniem fosfiny (fosforowodoru – PH3). Przypominam, że afera z fosfiną wybuchła jakiś czas temu, gdy analizowano wyniki badań Wenus. Pisałem o tym jakiś czas temu.

Dodam tutaj dla porządku, że odkrycia związane z jonami nieorganicznymi było pośrednie – znaleziono je w materii pierścienia E wokół Saturna, wykorzystując aparaturę CDA (Cosmic Dust Analyzer). Pierścień ten jest tworzony właśnie przez gejzery (kriowulkany) Enceladusa i jest najbardziej zewnętrznym z pierścieni. Znajduje się on w odległości 180-480 tys. km od planety, przy czym orbita Enceladusa to ok. 230 tys. km.

Wyniki najnowszych badań Enceladusa mogą być impulsem do dalszej eksploracji tego księżyca. Co prawda już jakiś czas temu NASA umieściła w swoim programie flagowym misję Enceladus Orbilander, ale jest ona w bardzo wczesnej fazie projektowania. W ramach tego projektu sonda wyposażona w różnorodną aparaturę badawczą miałaby pod koniec lat 30. wystartować z Ziemi, przy czym planowana data dotarcia na Enceladusa to wczesne lata 50. Sonda miałaby 1,5 roku orbitować wokół księżyca, badając zdalnie m.in. kriowulkany, a następnie wylądować i przez kolejne pół roku prowadzić eksplorację powierzchni. Innym projektem jest ELF – Enceladus Life Finder, ale tutaj mamy nadal niewiele szczegółów, nie znamy też nawet przybliżonych dat misji. Wiemy tylko, że mają być badane gejzery. Ale zaraz – przecież te były zbadane przez sondę Cassini. Ha, tyle że przy użyciu starych instrumentów. Pierwszy z brzegu przykład: znaleziono obojętne cząsteczki o masie 28 u (jednostek masy atomowej). Nie dało się jednak rozstrzygnąć, czy mamy tu cząsteczki CO (bardzo interesujące), czy też N2 (mało ciekawe). Nowe instrumenty będą co najmniej 80x bardziej dokładne i pozwolą nam to rozstrzygnąć jednoznacznie. Co więcej, aparatura będzie też nastawiona na analizę obecności aminokwasów, ale też, jeśli zostaną wykryte, będzie można sprawdzić, czy są one (mówiąc popularnie) lewoskrętne, czy prawoskrętne.

Obiecuję, że jak tylko napłyną wyniki, podzielę się z wami, jeśli nie zapomnę. Będę miał niecałe sto lat. A jeśli ja tego nie zrobię, zobowiążę do tego mojego wnuka Wiktora, który będzie miał wtedy mniej więcej tyle lat, ile Lucas teraz.

Projekt ELF – Enceladus Life Finder (plik PDF, j. ang.)

Czy istnieje życie na Enceladusie

Inne spojrzenie na chemię Enceladusa