Генезис и геохимия лунного вещества и перспективы использования лунных ресурсов

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 21-17-00120

НазваниеГенезис и геохимия лунного вещества и перспективы использования лунных ресурсов

Руководитель Воропаев Сергей Александрович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Ленина и Ордена Октябрьской Революции Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского Российской академии наук , г Москва

Конкурс №55 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле; 07-207 - Космогеохимия и планетология

Ключевые слова Луна, реголит, ресурсы, газы, летучие, вода, адсорбция, метеориты, кометы, изотопия, дейтерий, водород, углерод, азот, кислород

Код ГРНТИ38.27.23

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Заявление президента США Д. Трампа о праве начала разработки лунных ресурсов американскими компаниями является, по существу, сигналом к запуску новой лунной гонки – на этот раз гонки за освоение Луны. Проекты создания лунных баз серьезно рассматриваются космическими агентствами США, Китая, Европы. В ноябре 2019 г Правительство РФ поручило министерствам и ведомствам, включая РАН, дать предложения о перспективах использования космических ресурсов. Луна представляет первостепенный интерес, как с научной, так и практической точек зрения, органично сочетая фундаментальные и прикладные проблемы исследований. Фундаментальное значение имеют вопросы генезиса и геохимии лунного вещества, лежащие в основе ее происхождения и формирования, которые тесно связаны с ранней эволюцией Земли. В свою очередь, эти исследования определяют прикладные задачи по обнаружению и освоению лунных ресурсов. . Важным открытием последних десятилетий стало обнаружение водяного льда в постоянно затененных полярных областях Луны. В США, начиная с 2016 года, была начата проработка возможных промышленных методов добычи воды из лунного реголита и прототипов солнечных или компактных ядерных установок для получения водорода и кислорода путем электролиза. К этим и другим работам по использованию лунных ресурсов привлечены государственные и частные компании. С учетом планов Роскосмоса о создании российской лунной базы, нам необходимо проводить аналогичные работы, используя, в частности, результаты многолетних исследований лунного вещества и имеющиеся заделы в ГЕОХИ РАН. Эти работы получили развитие благодаря поддержке грантом РНФ 2017-2019 гг.; основные результаты проведенных исследований отражены в монографии «Формирование Луны и ранняя эволюция Земли», УРСС, М., 2019. Намечаемые исследования в рамках проекта РНФ 2021-2023 гг. нацелены на более полное изучение геохимии и геофизики Луны в сопоставлении с Землей, как основы генезиса лунных ресурсов. Среди них первостепенное значение имеет вода как главное средство жизнеобеспечения, включая получение воздуха (а в перспективе ракетного топлива) и целый ряд других замороженных летучих и содержащихся в реголите твердых полезных ископаемых, как основы создания лунной инфраструктуры при освоении Луны. При разнице в размерах, массе и структуре оболочек Луна и Земля имеют удивительно одинаковый (вплоть, до основных изотопных систематик) первичный состав вещества, что определенно связано с происхождением системы Земля-Луна и схожестью ранних этапов их эволюции. Глубокий сравнительный анализ тепловой динамики и особенностей вулкано-тектонических процессов призван ответить на вопрос об источниках летучих и вероятных механизмах их распределения. Помимо эндогенного источника, значительный вклад в концентрацию летучих на поверхности внесен также экзогенным источником. Он обусловлен процессами миграции вещества планетезималей, астероидов и ядер комет с периферии Солнечной системы (из-за «снеговой линии»), особенно в период «тяжелой бомбардировки». Проектом предусматривается получение оценок поступления воды и других летучих на поверхность Луны за счет обоих источников путем анализа данных наблюдений и численного моделирования соответствующих процессов. Большое внимание будет уделено изучению изотопных отношений и экспериментам по дегазации летучих в минеральных композициях метеоритов, близких по составу к лунному реголиту. Предусмотрены работы по региональному геологическому картированию, анализу морфологических особенностей поверхностных структур, наличию газовых месторождений и содержанию летучих, что позволит выявить наиболее перспективные провинции для практического использования. Задачи, которые предполагается решать в рамках проекта, носят комплексный характер и сочетают наиболее актуальные теоретические и экспериментальные исследования, опирающиеся на имеющуюся лабораторную базу, наличие уникальной метеоритной коллекции и лунного вещества в ГЕОХИ РАН. Для них характерна научная новизна и уникальность методов и исходных материалов для изучения намеченных проблем. Основные задачи проекта сводятся к следующему: - Сравнение планетарных механизмов генерации эндогенных летучих на Луне и Земле, процессов их распространения и концентрации. Анализ распределения гравитационных аномалий (по данным LRO, GRAIL и др.), уточнение сети глобальных и региональных линейных разломов. Создание моделей тепло- и массопереноса через разломы лунной коры на основе геохимических и геофизических данных; - Численное моделирование процессов миграции планетезималей, малых тел и пыли из-за орбиты Юпитера и пояса Койпера, получение оценок поступления воды и летучих на Землю и Луну за счет данного механизма; - Исследования изотопного состава водорода и кислорода воды (льда) в образцах лунных пород с целью определения возраста, состава и связи их происхождения с верхней мантией Луны. Ранее такой вывод был сделан из анализа изотопного состава образцов "Аполлонов", а источником содержащихся в них молекул воды, как и в мантии Земли, считают астероиды. Для измерения δ2Н и δ18О будет применена масс-спектрометрия изотопных отношений (IRMS) с пиролитической приставкой для разложения воды при температуре 1450 °С на поверхности стеклоуглеродной крошки, инфракрасная спектрометрия CRDS – лазерная спектроскопия по затуханию света с кольцевой многоходовой кюветой и масс-спектрометрия вторичных ионов (МСВИ); - Исследования отношения D/H в водяном льде и соотношений изотопов 13С/12C, 15N/14N и 16O/17O/18O с целью определения источников и эволюции лунного вещества в заданных областях; -- Экспериментальное изучение физико-химических процессов, связанных с удержанием и концентрацией экзогенных летучих (адсорбция, десорбция и диффузия) на минеральной композиции, максимально близкой к составу лунного реголита. Изучение адсорбционных свойств аналога лунного реголита путем дегазации обыкновенных и углистых хондритов и образцов «Луны 16, 20, 24» на специальной лабораторной установке, включающей кварцевый реактор с хроматографическим детектированием; - Исследование процессов теплопередачи, сорбции и газопереноса на аналогах реголита и образцах метеоритов путем термической экстракции и верификация результатов экспериментов с использованием комбинированной параметрической численной модели; - Картирование южной и северной полярных областей Луны, определение содержания в лунном реголите основных категорий газовых месторождений имплантированного типа и оценка их прогнозных запасов на примере имплантированных изотопов гелия. Выбор газовых месторождений замороженного типа (с содержанием водяного эквивалента водорода 0.33 вес % и более, что соответствует содержанию водяного льда в лунном реголите свыше 2.97 вес %, представляющих наибольший практический интерес. - Оценка прогнозных запасов в каждом из найденных месторождений, оценка суммарных прогнозных запасы водяного льда с учетом минимальной площади постоянно затененных холодных ловушек (кратеров); - Картирование и выделение основных категорий месторождений титана и железа в лунном реголите и оценка прогнозных запасов металлов в месторождениях наиболее богатой металлами категории А; - Разработка и обоснование концепции и основных характеристик мобильного приборного комплекса с буровой/каротажной установкой для поиска и оценки минерального состава и запасов летучих в лунном реголите на этапе выбора района создания лунной базы. Планируемые исследования помогут понять механизмы образования Луны, генезис и геохимические свойства лунного вещества, прежде всего, распределение и концентрацию воды, летучих и других полезных ископаемых на Луне, имеющих ключевое значение при ее освоении. В проводимых исследованиях важная роль отводится молодым участникам проекта при научном руководстве старших сотрудников. Это будет способствовать передаче знаний и компетенций, а также формированию нового поколения молодых ученых на основе творческого участия в крупных национальных проектах, сочетающих решение актуальных современных фундаментальных и прикладных задач.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Воропаев С.А., Нугманов И.И., Душенко Н.В., Кузьмина Т.Г., Корочанцев А.В., Сенин В.Г., Елисеев А.А., Джинго Я. Взаимосвязь состава, структуры и механических свойств Н5 хондритов на примере NWA 12370 и Pultusk Pleiades Publishing, Inc., Астрономический Вестник, 2021, том 55, № 5, с. 416–426. (год публикации - 2021)
10.31857/S0320930X2105008X

2. Воропаев С., Ботгер У., Павлов С., Ханке Ф., Петухов Д. Raman spectra of the Markovka chondrite (H4) John Wiley & Sons, Incorporated, Journal of Raman spectroscopy, 2021, p. 1-9 (год публикации - 2021)
10.1002/jrs.6147

3. Маров М.Я., Ипатов С.И. Формирование Земли и Луны: влияние малых тел Геохимия, т. 66, N 11, с. 964-971 (год публикации - 2021)
10.31857/S0016752521110078

4. Ипатов С.И., Маров М.Я. Столкновения малых тел с формирующимися Землей и Луной Тезисы Международной конференции "VII Бредихинские чтения" (24-28 мая 2021 г., г. Заволжск), c. 20-22 (год публикации - 2021)

5. Ипатов С.И., Маров М.Я. Collisions of planetesimals with the Earth and the Moon 12th Moscow International Solar System Symposium, 11-15 October 2021, IKI, Moscow, Russia, p. 293-295 (год публикации - 2021)
10.21046/12M-S3

6. Ипатов С.И. Delivery of bodies to the Earth and the Moon from the zone of the outer asteroid belt Meteoritics and Planetary Science, V. 56. Issue S1, #6040, p. 113. (год публикации - 2021)
10.1111/maps.13727

7. Ипатов С.И. Migration of planetesimals to the Earth and the Moon from the region of the outer asteroid belt abstracts of European Planetary Science Congress 2021, Vol. 15, EPSC2021-100 (год публикации - 2021)
10.5194/epsc2021-100

8. Ипатов С.И. Формирование планет земной группы и Луны Тезисы Всероссийской астрономической конференции 2021 года (23-28 августа 2021 года, Москва). «Астрономия в эпоху многоканальных исследований», cтр. 226 (год публикации - 2021)

9. Воропаев С.А., Елисеев А.А., Душенко Н.В., Федулов В.С. Experimental Study of L3 Aba Panu Meteorite's Degassing Meteoritics and Planetary Science, v. 56, issue S1, #6031, p. 279 (год публикации - 2021)
10.1111/maps.13727

10. Ипатов С.И. Вероятности выпадений на Землю и Луну тел, выброшенных с Земли при выпадениях на нее тел-ударников Тезисы Научно-практической конференции с международным участием «Околоземная астрономия–2022», Тезисы Научно-практической конференции с международным участием «Околоземная астрономия–2022» (18 ̶ 21 апреля 2022 г., Москва). http://www.inasan.ru/wp-content/uploads/2022/04/Abstract-Book-2022.pdf. 2022a. с. 120-123. (год публикации - 2022)

11. Ипатов С.И. Вероятности столкновений тел, выброшенных с Земли и Луны, с планетами земной группы и Луной Материалы XXIII международной конференции "Физико-химические и петрофизические исследования в науках о Земле", Материалы XXIII международной конференции "Физико-химические и петрофизические исследования в науках о Земле" (26 сентября - 2 октября 2022 года, Москва). ISBN 978-5-88918-069-2. ISSN 2686-8938. 2022b. С. 104-107 (год публикации - 2022)

12. Ипатов С.И. Вероятности выпадений тел, выброшенных с Земли при выпадениях на нее тел-ударников, на планеты и Луну Тезисы Всероссийского Ежегодного семинара по экспериментальной минералогии, петрологии и геохимии, Тезисы Всероссийского Ежегодного семинара по экспериментальной минералогии, петрологии и геохимии (ВЕСЭМПГ-2022, 19-20 апреля 2022г.). 2022с. ВЕСЭМПГ 2022 – 045. С. 47. 1 стр. (год публикации - 2022)

13. Ипатов С.И., Маров М.Я. Миграция тел к Земле и Луне с различных расстояний от Солнца Тезисы Научно-практической конференции с международным участием «Околоземная астрономия–2022», Тезисы Научно-практической конференции с международным участием «Околоземная астрономия–2022» (18 ̶ 21 апреля 2022 г., Москва). http://www.inasan.ru/wp-content/uploads/2022/04/Abstract-Book-2022.pdf. с. 162-164. (год публикации - 2022)

14. Ипатов С.И. Formation of the terrestrial planets and the Moon Astronomy at the epoch of multimessenger studies. Proceedings of the VAK-2021 conference ( Aug 23–28, 2021). Ed. by A.M. Cherepashchuk et al. — Moscow, Janus-K. 2022, Astronomy at the epoch of multimessenger studies. Proceedings of the VAK-2021 conference ( Aug 23–28, 2021). Ed. by A.M. Cherepashchuk et al. — Moscow, Janus-K. 2022. P. 236-237. (год публикации - 2022)
10.51194/VAK2021.2022.1.1.083

15. Ипатов С.И. Migration of planetesimals to planets located in habitable zones in the Solar System and in the Proxima Centauri system Astronomy at the epoch of multimessenger studies. Proceedings of the VAK-2021 conference ( Aug 23–28, 2021). Ed. by A.M. Cherepashchuk et al. — Moscow, Janus-K. 2022, Astronomy at the epoch of multimessenger studies. Proceedings of the VAK-2021 conference. 2022. P. 238-239. (год публикации - 2022)
10.51194/VAK2021.2022.1.1.084

16. Ипатов С.И. Migration of bodies ejected from the Earth and collided with the Earth and the Moon Abstracts of 53nd Lunar and Planetary Science Conference, Abstracts of 53nd Lunar and Planetary Science Conference (The Woodlands, Texas - March 7–11, 2022), 2002. #1298, 2 pages (год публикации - 2022)

17. Ипатов С.И. Probabilities of collisions of bodies ejected from the Earth with planets and the Moon. Meteoritics and Planetary Science, Meteoritics and Planetary Science. 2022. Volume 57, Issue S1. P. A209. (год публикации - 2022)

18. Ипатов С.И. Migration of bodies ejected from the Earth into heliocentric orbits Abstracts of IAU General Assembly (Busan, South Korea, Aug. 2-11, 2022), Abstracts of IAU General Assembly (Busan, South Korea, Aug. 2-11, 2022). 2022. No 3107. P. 1398. (год публикации - 2022)

19. Ипатов С.И. Migration of bodies to the Earth from different distances from the Sun Abstracts of IAU General Assembly (Busan, South Korea, Aug. 2-11, 2022), Abstracts of IAU General Assembly (Busan, South Korea, Aug. 2-11, 2022). 2022. No 3066. P. 708. (год публикации - 2022)

20. Воропаев С.А., Кривенко А.П. Оценка температурных напряжений в литосфере ранней Луны Доклады Российской академии наук. Физика, технические науки, том 508, Доклады Российской академии наук. Физика, технические науки (год публикации - 2023)

21. Воропаев С.А., Душенко Н.В., Федулов В.С., Сенин В.Г. Особенности дегазации азота хондрита Dhajala (H3.8) Доклады Российской академии наук. Физика, технические науки, 2023 г., Доклады Российской академии наук. Физика, технические науки (год публикации - 2023)

22. Воропаев С.А., Душенко Н.В., Федулов В.С., Сенин В.Г. Electronic Probe Study of Dhajala (H3.8) Meteorite’s Main Minerals Meteoritics and Planetary Science, Meteoritics and Planetary Science. 2022. Volume 57, Issue S1. P. A209 (год публикации - 2022)

23. Севастьянов В.С., Кривенко А.П., Воропаев С.А., Маров М.Я. Исследования изотопного фракционирования D/H водного льда лунного реголита Астрономический Вестник. Исследования Солнечной системы., т. 57, N 6, стр. 491-502 (год публикации - 2023)
10.31857/S0320930X23060063

24. Воропаев С.А.,Душенко Н.В., Федулов В.С., Корочанцев А.В. Особенности дегазации углистого хондрита Murchison (CM2) в интервале температур 200-800 С Астрономический Вестник. Исследования Солнечной системы., т.57, N 6, стр.571-582 (год публикации - 2023)
10.31857/S0320930X23050067

25. Воропаев С.А., Душенко Н.В., Кривенко А.П., Федулов В.С., Рязанцев К.М., Корочанцев А.В. Особенности дегазации углистого хондрита Allende (CV3) в интервале температур 200-800 С Астрономический Вестник. Исследования Солнечной системы., т.57, N 6, стр. 583-594 (год публикации - 2023)
10.31857/S0320930X23050079

26. Ипатов С.И. Рост Луны за счет тел, выброшенных с Земли Астрономический Вестник. Исследования Солнечной системы., т.58, N 1 (год публикации - 2024)

27. Воропаев С.А., Кривенко А.П., Душенко Н.В. Раман-геотермометр для углистых хондритов ДОКЛАДЫ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК. ФИЗИКА, ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ, т.512, стр. 69-72 (год публикации - 2023)
10.31857/S2686740023050139

28. Ипатов С.И. Collisions of bodies ejected from several places on the Earth and the Moon with the terrestrial planets and the Moon Abstracts of 54nd Lunar and Planetary Science Conference, Abstracts of 54nd Lunar and Planetary Science Conference (The Woodlands, Texas - March 13–17, 2023), #1508. (год публикации - 2023)

29. Ипатов С.И. Обмен метеоритами между Землей и Луной Тезисы Международной конференции "VII Бредихинские чтения" (4-8 сентября 2023 г., г. Заволжск). С. 32-33., Тезисы Международной конференции "VII Бредихинские чтения" (4-8 сентября 2023 г., г. Заволжск). С. 32-33. (год публикации - 2023)

30. Ипатов С.И. Migration of bodies ejected from the Earth and the Moon Abstracts of Fourteenth Moscow Solar System Symposium (14M-S3) (October 9-13, 2023, Moscow, the Space Research Institute), Abstracts of Fourteenth Moscow Solar System Symposium (14M-S3) (October 9-13, 2023, Moscow, the Space Research Institute), P. 274-276. (год публикации - 2023)
10.21046/14MS3-2023

31. Воропаев С.А., Федулов В.С., Душенко Н.В., Джианго Я., Маров М.Я. Особенности ИК-спектров оливинов, содержащих изотопологи воды Pleades Publishing, Космические исследования (год публикации - 2024)

32. Маров М.Я., Ипатов С.И. Процессы миграции в Солнечной системе и их роль в эволюции Земли и планет Успехи физических наук, 2023, Т. 193. N 1. С. 2-32 (год публикации - 2023)
10.3367/UFNr.2021.08.039044

33. Ипатов С.И. Probabilities of collisions of bodies ejected from the Earth with the terrestrial planets and the Moon Thirteenth Moscow Solar System Symposium (13M-S3) (October 10-14, 2022, Moscow, the Space Research Institute), Thirteenth Moscow Solar System Symposium (13M-S3) (October 10-14, 2022, Moscow, the Space Research Institute). ISBN: 978-5-00015-057-3. DOI: 10.21046/13MS3-2022. 2022. 13MS3-SB-11. P. 264-266. (год публикации - 2022)
10.21046/13MS3-2022

34. Воропаев С.А., Кривенко А.П. Some features of the early Moon’ degassing Труды международной конференции, Тринадцатый Московский Симпозиум по Исследованиям Солнечной Системы, 13M-S3, 10-14 Октября, 2022. ИКИ РАН, Москва, Труды международной конференции, Тринадцатый Московский Симпозиум по Исследованиям Солнечной Системы, 13M-S3, 10-14 Октября, 2022. ИКИ РАН, Москва, стр.99-101 (год публикации - 2022)
10.21046/13MS3-2022

35. Слюта Е.Н., Турчиновская О.И. Helium-3 in the Lunar Soil Springer Cham, Advances in Geochemistry, Analytical Chemistry, and Planetary Sciences. Eds. Kolotov V.P. and Bezaeva N.S. Springer, Chapter 5, p. 375-396. (год публикации - 2023)
10.1007/978-3-031-09883-3_21

Публикации