Исследования советского лунного грунта.
В статье «Внеземные минералы» я рассказал о минеральном составе космических тел, способах исследования и источниках материала для исследований. Но, оказывается, даже метеориты с подтверждённым происхождением не дают полную картину о химическом составе космических объектов. Ведь помимо термического воздействия при прохождении атмосферы Земли, ударных нагрузок при столкновении с Землёй, в столь древние куски лунной породы геологические процессы Земли могли внедрить вкрапления земных минералов.
Чтобы расставить все точки над i, нужен грунт, собранный на поверхности небесного тела. И такой грунт был доставлен с Луны 6-тью американскими пилотируемыми кораблями — Аполлон-11, 12, 14, 15, 16 и 17 (1969-1972 гг.) и 3-мя советскими автоматическими возвращаемыми станциями – Луна-16, -20 и -24 (1970-1976гг.) в количестве порядка 382 кг, из которых около 325 грамм — отечественными космическими аппаратами. С тех пор началось планомерное изучение лунного вещества — образцов горных пород и грунта (реголита) с поверхности Луны.
«Реголит (в переводе с древнегреческого – «каменное одеяло») – термин, первоначально предложенный американским геологом Дж. П. Мерриллом в 1897 году для всех рыхлых образований поверхности Земли, в настоящее время определяет обломочный материал, сплошным чехлом покрывающий поверхность безатмосферных планет, их спутников и малых космических тел. Образуется главным образом под воздействием метеоритной бомбардировки. Лунный Реголит (лунный грунт) состоит из обломков коренных пород (базальтов, анортозитов и др.) и слагающих их минералов (часто со следами плавления), спёкшихся фрагментов полузастывшего расплава, стёкол, образованных в результате ударно-взрывного воздействия на вещество внешней оболочки Луны, а также фрагментов метеоритов. Размер обломочного материала от долей миллиметра до нескольких метров. Под длительным воздействием солнечного и космического излучения лунный Реголит обогащается редкими для Луны химическими элементами (H, He, C, N и др.), изменяется изотопный состав O, Si и других элементов. Мощность лунного Реголита составляет 4–5 м в пределах лунных морей, и больше 10 м на материках». Википедия.
Первое инструментальное определение плотности и прочности поверхностного слоя реголита было осуществлено советской автоматической станцией «Луна-13» 24-31 декабря 1966 года.
А сам лунный грунт на Землю доставили автоматические межпланетные станции для изучения Луны и космического пространства Луна-16 (24 сентября 1970 года — 101 грамм реголита из района Моря Изобилия), Луна-20 (25 февраля 1972 года — 55г. из северо-восточной оконечности Моря Изобилия вблизи кратера Амегино) и Луна-24 (22 августа 1976г. — 170 граммов из юго-восточного района Моря Кризисов). Всего 326 граммов. Весь грунт был передан в Институт геохимии АН СССР (сегодня – ГЕОХИ РАН) для исследования и хранения.
Наше правительство щедро распределило грунт из коллекции образцов «Луны-16, -20 и -24» между ведущими странами мира. Лунный грунт получили и некоторые музеи нашей страны – в их числе музей космонавтики в Москве, Государственный музей истории космонавтики имени К.Э. Циолковского в городе Калуге, павильон «Космос» на ВДНХ, Хабаровский краевой музей имени Н. И. Гродекова.
Образцы лунного реголита в Хабаровском краевом музее имени Н. И. Гродекова.
Небольшая часть лунного грунта (6 граммов) из доставленного на землю АМС «Луна-16» 24 сентября 1970 года (101 грамм) в «Музее внеземного вещества» (МВВ), что в институте ГЕОХИ РАН.
Образцы лунного грунта, доставленного станцией Луна-16, в Музее космонавтики в Москве.
Рядом фото малоизвестного в России генерального конструктора автоматических межпланетных станций на начальном этапе космической программы СССР — Георгия Бабакина. Достижение Луны, мягкая посадка на Луну, лунные спутники, «Луноходы», доставка лунного грунта, марсианские спутники, мягкая посадка на Марс, достижение Венеры – все это результаты НПО Лавочкина за 6 (шесть!) лет руководства Г. Бабакина. На фото он проверяет на слух доставленный с Луны пенал с грунтом — есть ли там вообще что-нибудь? Оказалось, есть — 101 г реголита, добытого с глубины до 30 см.
Планомерное изучение лунного вещества — образцов горных пород и грунта (реголита) с поверхности Луны продолжаются до сих пор, им посвящено более 3700 научных работ. Помимо наших учёных, исследованиями СОВЕТСКОГО лунного грунта занимались американцы – ими опубликовано 29 статей, французы – 11 статей, венгры – 2 статьи.
Изучение лунных горных пород, доставленных на Землю автоматическими станциями, показало, что эти породы отличаются по своему химическому составу от внеземных «пришельцев», собранных на Земле. Первым открытием стало обнаружение в реголите чистого железа в виде тонкой плёнки чистого неокисляемого железа.
Неокисляемая железная плёнка стала визитной карточкой лунного грунта!
Чем же заинтересовала учёных эта тончайшая, толщиной порядка 20 ангстрем, плёнка?
«Учёные предположили, что стоит этому самому лунному железу оказаться в земных условиях, то оно тут же окислится. Сомнений, в общем-то, не было, но решили убедиться на опыте: извлекли кусочек реголита из камеры, где он хранился в «космической среде», и оставили на воздухе. Прошла неделя, другая, месяц, потом почти четыре месяца, а приборы неизменно отмечали, что лунный металл не окисляется, не сгорает.
«Не может быть, — сказал академик А. Виноградов (Александр Павлович Виноградов, директор Института геохимии и аналитической химии (ГЕОХИ РАН) АН СССР), когда ему сообщили об этом сюрпризе. — Проверьте ещё раз и найдите свою ошибку. Это же элементарно: железо, да ещё в такой степени измельчённое должно неизбежно сгорать».
Эксперименты повторяли снова и снова. И с той же настойчивостью лунный грунт «сигналил» о наличии чистого, неокисленного металла.
О странном поведении реголита академик А. Виноградов упомянул в докладе о предварительных результатах исследований на Президиуме Академии наук СССР. Академик Мстислав Всеволодович Келдыш, который вёл заседание, заметил: «Если вы поймёте, как получается на Луне такое железо, и научите нас его производить в земных условиях, то это окупит все расходы на космические исследования». Он распорядился не жалеть лунный грунт для исследований, помог привлечь к ним широкий круг специалистов из других исследовательских учреждений.
К работе приступили сотрудники Института геохимии и аналитической химии имени В. И. Вернадского АН СССР, Института общей и неорганической химии имени Н. С. Курнакова АН СССР, Института геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии АН СССР и несколько позднее — Института металлофизики АН УССР…
Опыт повторялся многократно у нас, а затем и в США.
Но вернёмся к работам Института металлофизики. Анализ поверхности реголита не только подтвердил результаты предыдущих исследований по железу, но принёс и новые: установлена аналогичная неокисляемость в земных условиях лунного титана и кремния. Науке стало известно, что чистое железо, титан, кремний, доставляемые с Луны, не окисляются и на Земле.
Естественно, учёных заинтересовал вопрос: почему это происходит? Стали моделировать лунные условия: земные материалы подвергали резким перепадам температур в вакууме. Железо восстанавливалось, но ненадолго. Затем бомбардировали их протонами. Железо и титан восстанавливались, а кремний — нет. Наконец «обстреляли» ядрами аргона и получили желаемый результат: все три элемента не только восстановились, но и впоследствии не окислялись в атмосфере.
Итак, на вопрос: «Чем закаляются металлы от коррозии?» — последовал ответ: «Солнечным ветром».
Покрывающий поверхность Луны реголит — это смесь обломков пород, минералов, стёкол, спёков, образовавшаяся под действием метеоритного дождя и потоков заряженных частиц. И чтобы объяснить, как появилось железо, надо учесть все факторы.
Открытие было зарегистрировано в Государственном реестре открытий за №219: «Свойство неокисляемости ультрадисперсных форм простых веществ, находящихся на поверхности космических тел».
Теперь о солнечном ветре, а точнее, о протонах, которые в нем содержатся. В одном случае они выбивают с поверхности частиц реголита летучие элементы, снижают в ней количество кислорода. Это, так сказать, физическое воздействие солнечного ветра. Но в реголите идут и химические процессы, и, вероятно, они играют решающую роль.
Теория, даже весьма убедительная, требует экспериментальной проверки. Чтобы доказать, насколько расчёты верны, нужно в земных лабораториях имитировать лунные условия и получить то самое железо, рождение которого столь необычно.
Земные базальты схожи с лунными породами. Их и взяли объектом экспериментов. Однако на пути исследователей встали огромные трудности. Вакуум, который удалось получить в установках, моментально «загрязнился». Учёным удалось получить лишь ничтожное количество «лунного железа». Началось моделирование воздействия солнечного ветра на металл. Пластинки подвергали интенсивной атаке ионами аргона. Коррозионную устойчивость металла удалось повысить.
Возникали предположения: а может быть, все гораздо проще? И если взять чистое земное железо, оно в этих условиях тоже не будет окисляться? Изготовили тонкие пластинки из сверхчистого железа. Поверхность их тщательно отполировали. Но прошло совсем немного времени, и выяснилось, что пластинка покрылась тончайшим слоем окисла. А лунное железо по-прежнему оставалось устойчивым, словно не на Земле оно находилось. И этот немой представитель Луны заставлял искать пути к тайне.
И все же многолетние исследования большого коллектива смогли преодолеть, казалось бы, непреодолимые препятствия. Разобрались, почему и каким образом рождается лунное железо. В нем нет «центров окисления», а процесс коррозии словно цепная реакция: стоит ему начаться в одном месте — и он распространяется на весь металл. Опыты показали, что можно улучшать коррозионную стойкость металлов, если обрабатывать их пучками ионов.
Вот перед нами диск из нержавеющей стали. На нем написано: «ЛУНА». Только надпись на диске подверглась атаке ионных пучков. Затем учёные поместили диск в пары «царской водки» — смесь крепких кислот, — через 15 минут (что по земным меркам равно приблизительно 15-летнему пребыванию образца на воздухе) он покрылся ржавчиной, а слово «ЛУНА» сияло первозданной чистотой.
Дипломом на открытие отмечена большая группа учёных. Это итог сделанного и одновременно рождение нового направления исследований. В некоторых областях техники очень эффективно использовать обработку металла ионными пучками, в частности в электронике, в приборостроении. Пока рано говорить о широком применении этого метода — ещё предстоит создавать специальную аппаратуру, искать новую технологию. Не исключено, что со временем и в космосе ионные пушки будут обрабатывать металлические детали, которые потребуются для космических сооружений…
Какое прикладное значение может иметь решение вопроса получения неокисляемого железа?
Сколько сейчас различных металлов в человеческом обиходе? Наверное, можно подсчитать, но, думаю, и так ясно: много. А сколько люди теряют металла ежедневно, ежечасно из-за коррозии? Точное число назвать не берусь. Однако в одном из своих выступлений а кадемик Я. Колотыркин привёл такой факт: в развитых странах коррозия «пожирает» ежегодно около десятой доли национального дохода. В масштабах нашей страны это многие миллиарды рублей.
Коррозия, словно раковая опухоль, возникая, неумолимо распространяется по всему телу металлических изделий, будь то корпус судна или кузов автомобиля, водопроводные трубы или стенки атомных реакторов. С коррозией борются. Разрабатывают различные покрытия, ищут способы замены металлов стойкими пластмассами и даже стеклом, используют так называемые ингибиторы коррозии. Но все эти меры либо слишком дороги, либо недостаточно эффективны. Металлы продолжают ржаветь. Так на Земле. А вот на Луне…
…И кто знает, может быть, не так уж далёк день, когда наряду с овеянной легендами индийской колонной из «чистого» железа появятся на Земле корабли с нержавеющими корпусами, не поддающиеся коррозии металлические трубы и атомные реакторы, и все это без всяких защитных покрытий.
Да, Луна может подарить богатства несметные. Ведь победа над коррозией сулит человечеству гораздо больше, чем если бы все лунные экспедиции установили, что на Селене есть золото».
Г. Береговой. «Космос землянам»
(Георгий Тимофеевич Береговой — лётчик-космонавт СССР, дважды Герой Советского Союза (единственный, кто удостоен первой звезды Героя за Великую Отечественную войну, а второй — за полёт в космос).
Заслуженный лётчик-испытатель СССР, генерал-лейтенант авиации, кандидат психологических наук, Лётчик-космонавт СССР № 12. Лауреат Государственной премии СССР (1981)).
«Никто не представлял, что под действием потока протонов – «солнечного ветра» – там происходят такие процессы. Потом мы смоделировали их в лаборатории. Взяли металлическую чушку, отполировали её, протонной пушкой написали на ней слово «МИР» и вставили на 10 минут в пары «царской водки». Когда вынули её, увидели, что абсолютно все проржавело, кроме слова «МИР». Удивительная вещь! Вообще Луна таит в себе ещё много загадок. Сейчас мы написали книгу «Луна под микроскопом», которую надеемся выпустить к 75-летию нашего института. Теперь мы знаем, что в эволюции магматизма Земли и Луны различия колоссальные! Например, в числе лунных минералов нет ни одного минерала платиновой группы, а на Земле их шесть! Мы задумались, почему так? Может, просто их пропустили? И взяли грант под изучение рудных минералов Луны и скрупулёзно исследовали образцы ещё раз».
Академик О. А. Богатиков.
Академик Олег Алексеевич Богатиков — российский учёный-геолог, действительный член Российской академии наук (1991), лауреат Государственной премия Российской Федерации (1997), специалист в области магматической геологии, петрографии, петрологии и сравнительной планетологии, один из авторов открытия №219: «Свойство неокисляемости ультрадисперсных форм простых веществ, находящихся на поверхности космических тел».
А на этом открытия не закончились. На сегодняшний день в лунном грунте обнаружены как новые для Луны , так и ранее неизвестные в природе ультрадисперсные (нано- и микроразмерные) минеральные фазы.
Помимо ранее уже выявлявшихся минералов, в лунном реголите было обнаружено тридцать одна новая для Луны ультрадисперсная (нано- и микроразмерная) минеральная фаза, в числе которых самородные металлы и сплавы, такие как Zn, Ag, Au, Sb, Re, W, Pb, (Cu,Au,Ag)4Zn, Cu6Sn5; сульфиды — акантит, гринокит, вюрцит, сульфид меди и арсеносульфид меди; галогенид — флюорит, оксиды — пирохлоры, перовскит, эсколаит, перренат калия, гидрооксиды Al и Fe; сульфаты — барит, целестин, сульфаты кальция и меди; карбонат – бастнезит, а так же высокоуглеродистое кислородосодержащее вещество в виде плёнки (C-O плёнка).
Кроме того, впервые в лунном реголите выявлены двадцать две ранее неизвестные в природе минеральные фазы, в числе которых самородные металлы и сплавы Mo, Ce, Cu4Ni, Fe73Cr16Ni11, Fe3Sn, Ta2Mo; сульфид AuS; галогениды RhI3 и SbF3; оксиды Gd и Re, SrCe2Al6ZrO15, титанаты Ca и Mn, оксихлориды Ba и Sb.
Чтобы лучше представить масштабы открытий, взгляните на таблицу 1 – «Минералы Луны, обнаруженные впервые при исследовании советского лунного грунта» , а значимость каждого из открытий подробно описано в работе Мохова Андрея Владимировича «Новые ультрадисперсные минеральные фазы лунного реголита по данным аналитической электронной микроскопии».
Источник