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 25-17-00051

НазваниеЭкспериментальные и теоретические исследования свойств водного льда различного изотопного состава в условиях поверхности Луны с учетом минерального состава, структуры и теплофизических характеристик реголита

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 №104 - Конкурс 2025 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, водный лед, теплофизические свойства, сублимация, метеориты, кометы, изотопия, дейтерий, водород, кислород, спектроскопия, искусственный интеллект, нанофазы металлов, конденсаты

Код ГРНТИ38.27.23

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Заявление президента России В.В. Путина о продолжении лунной программы, несмотря на неудачу миссии Луна-25, является важным подтверждением участия РФ в гонке за уникальные возможности, предоставляемые Луной. Создание долговременной лунной базы входит в планы космических агентств всех ведущих держав и России здесь нельзя отставать. Следующий (орбитальный) аппарат к Луне, АМС Луна-26, РОСКОСМОС намерен запустить в 2027 году, а за ним последует АМС Луна-27 с посадкой в окрестности южного полюса. Луна-27 будет проводить химический и изотопный анализ реголита и исследовать его физические свойства на различных глубинах. В частности, один из планируемых к установке приборов, ТЕРМО-ЛР, предназначен для прямого измерения теплофизических свойств лунного реголита пассивным и активным методами с помощью распределенных датчиков. Другие приборы, А-Л, ГХ-Л и НГМС - это хроматографический комплекс для изучения состава и количества газов, хранящихся в лунном реголите. Одним из важных открытий, сделанных в ходе миссий Чандраян (Индия) и SOFIA (NASA/DLR), является свидетельство широкого распространения гидроксильных групп и молекулярной воды на поверхности Луны. При этом, огромный разброс изотопологов воды, доставляемых на Луну экзогенными источниками, ставит важный вопрос оценки ее качества как ресурса. Намечаемые работы в рамках проекта РНФ 2025-2027 гг. предполагают более полные экспериментальные и теоретические исследования свойств водного льда различного изотопного состава с учетом возможных вариаций теплофизических характеристик лунного реголита, в зависимости как от минерального состава, так и структуры. Шероховатость поверхности реголита, размер минеральных частиц и покрытие их поверхности продуктами микро-метеоритной бомбардировки, является важными факторами, влияющими как на прогрев Солнцем, так и абсорбцию воды, газов и летучих соединений. Основные задачи проекта: - Сравнение механизмов генерации эндогенных воды, газов и летучих на Луне и Земле, процессов их распространения и концентрации в ходе застывания магматического океана Луны. Анализ пространственного распределения магматических интрузий, поверхностная привязка сети разломов. Оценка теплового потока и выноса эндогенной воды из лунной мантии через системы трещин в полярных областях; - Оценки поступления воды и летучих на Луну за счет миграции к Луне планетезималей, малых тел, комет и пыли из-за орбиты Марса по результатам численного моделирования этих процессов; - Исследования фугитивности кислорода и изотопного состава гидроксильных групп в образцах лунных пород и метеоритах из коллекции ГЕОХИ РАН, определение источников воды и их связи с корой или верхней мантией Луны; - Исследования особенностей изотопного фракционирования D/H и 16O/17O/18O в водном льде и паре при разных условиях освещения/нагрева, скоростей сублимации, минерального и химического состава поверхности; - Теоретическое и экспериментальное изучение теплофизических свойств как чистого водного льда различного изотопного состава, так и в смеси с основными минералами лунного реголита; - Теоретические и экспериментальные исследования процессов теплопередачи с учетом адсорбции наночастиц металлов (Fe, Ti и др.) и конденсатов на поверхности минералов реголита в результате микро-метеоритной бомбардировки; - Создание общей числовой модели теплофизических свойств реголита, пригодной в том числе для анализа данных Луна-27 и решения обратных задач; - Выявление спектральных особенностей пара и твердого водного льда различного изотопного состава, адсорбированного на типичных минералах лунного реголита; - Разработка методики экспресс-анализа изотопного состава, содержания воды и примесей в лунном реголите для этапа выбора района лунной базы для обеспечения жизнедеятельности и технических целей. Планируемые исследования помогут лучше понять эволюцию Луны, геохимический состав лунной мантии и коры, распределение и изотопный состав воды, газов, и летучих соединений на лунной поверхности, имеющих ключевое значение для ее изучения и освоения.

Ожидаемые результаты
В настоящее время не существует единой теории происхождения Луны. Одна из моделей (а именно, модель мега-удара) предполагает, что Луна образовалась примерно через 20-100 млн лет после Солнца в результате столкновения тела размером с Марс, Тейи, и прото-Земли. В образовавшемся лунном магматическом океане (ЛМО) железо осело, образовав небольшое ядро, за которым последовала кристаллизация минералов, в результате которой образовались лунная мантия и первичная кора. При этом оливин в пирокластическом отложении «оранжевого стекла», доставленного экспедицией Аполлон-17, сохранил примитивные расплавленные включения, содержащие >1000 ppm H2O. Таким образом, некоторые части лунных недр могут содержать столько же воды, сколько базальты срединно-океанических хребтов Земли (т.н. MORB базальты). «Влажная» Луна, что подразумевают такие находки, несовместима с полной потерей летучих соединений после мега-удара и предполагает либо менее энергичный сценарий ее образования, либо более позднее добавление летучих соединений метеоритами и кометами. Изотопный состав воды, адсорбированной на поверхности или включенной в кристаллическую структуру вышеупомянутых мантийных минералов, мог бы помочь разрешить этот важный вопрос. В рамках проекта путем численного моделирования процессов миграции планетезималей, астероидов, ядер комет и пыли из-за орбиты Марса будут получены оценки притока воды, газов и органических соединений различного изотопного состава на Луну за счет экзогенного механизма на разных этапах эволюции Солнечной системы. Будет исследована и более общая задача роста Луны за счет тел, первоначально образовавшихся на различных расстояниях от Солнца (от 0.3 до 50 а.е.), а также обмен веществом между растущими Землей и Луной. Особое внимание будет уделяться количеству вещества, вошедшего в состав Луны, в зависимости от расстояния от Солнца до места образования этого вещества. Ранее в работах по миграции тел основное внимание уделялось общим оценкам количества вещества, в том числе воды, доставленного к Земле. В планируемых исследованиях будет изучаться зависимость доставки вещества к Луне от расстояния места образования таких тел от Солнца и от времени прихода этого вещества к Луне. Будет обсуждаться зависимость состава таких тел и содержания в них воды от этого расстояния. Оценки выпадений тел, выброшенных с Земли при ее бомбардировке на Луну, помогут лучше понять процесс роста Луны и ее состав, а расчеты выпадений тел, выброшенных с Луны на Землю, помогут лучше оценить количество лунного вещества, доставленного на Землю. Планируемые исследования миграции вещества к Луне с различных расстояний от Солнца позволят точнее оценить количество вещества тел (планетезималей, астероидов, комет) различного изотопного состава, вошедшего в разное время в состав верхней мантии Луны. Особое внимание будет уделяться доставке воды, газов и органических соединений к Луне. Будут проведены исследования происхождения воды на Луне, исходя из измерений фугитивности кислорода и изотопного состава водорода и кислорода лунных метеоритов из разных районов поверхности, оценены их отличия на основе величин fO2 и D/H, что позволит уточнить вклад экзогенных и эндогенных источников воды. В результате экспериментов по сублимации водяного льда в лунных условиях и измерения изотопного состава водорода воды будет показано насколько отличается изотопный состав воды на Луне от земного и ожидаемого в протопланетном облаке. Важно, что три основных экзогенных источника воды для Луны имеют различный изотопный состав (на основе стандарта VSMOW): солнечный ветер, δD = -897 %; кометы, содержащие аномально тяжелый до-солнечный межзвездный лед, δD = + 9300-13100 ‰; углистые хондриты (тип CM), δD ≈ -430 ‰, (тип CI) δD ≈ -480 ‰. Процессы теплопередачи, вдсорбции и взаимодействий водного льда на лунной поверхности очень сложны и зависят от ряда факторов, таких как минеральный состав частиц реголита, его структура (размеры, пористость и плотность упаковки) и химический состав поверхности. Например, в ряде работ показано, что шероховатость поверхности реголита является важным фактором, влияющим на его прогрев Солнцем и (де)сорбцию воды и газов. Постоянный поток микрометеоритов вызывает значительную трансформацию химического состава поверхности частиц реголита, формируя на них конденсаты наночастиц металлов, кремния и органических соединений. В связи с этим, будут проведены теоретические расчеты изменения поля температуры при разных режимах нагрева гетерогенной пористой структуры из минеральных частиц, содержащих воду в виде пленки или кристаллического льда, с помощью специализированного программного обеспечения COMSOL Multiphysics. Численная модель будет верифицирована экспериментальными исследования в специально созданной лабораторной камере с импульсными лазерами (различных длин волн и длительности импульсов), имитирующей условия лунной поверхности и микрометеоритные удары. В случае успеха миссии Луна-27, созданная модель может послужить основой системы интерпретации данных Луна-27 для решения обратной задачи по анализу состава лунного реголита и оценке его теплофизических свойств. Также, разработанный способ получения наночастиц металлов (Fe, Ti и др.), диоксида кремния и конденсатов органических соединений после проекта можно использовать для применений поверхностно-усиленной Рамановской спектроскопии в прецизионной медицинской и микробиологической диагностике. С помощью модификации уже существующей изотопной установки будут исследованы различные режимы сублимации водного льда, получены изотопные характеристики для условий освещения/нагрева, близких к лунным. Будут рассмотрены свойства и особенности изотопного фракционирования водного льда в характерных процессах, сопровождающих формирование слоя лунного реголита из пород коры, а также вещества метеоритов и комет. В результате серий экспериментов по сублимации водного льда будут получены интервалы изменений изотопных отношений D/H и 18O/17O/16O, что позволит определять источники вещества в условиях освещения/нагрева, близким к лунным, его происхождение и эволюцию. Подобные экспериментальные исследования в мировой практике еще не проводились. Полученные оригинальные данные будут способствовать пониманию генезиса лунного вещества и разработке методов оценки качества воды как наиболее ценного природного ресурса Луны. С целью детального изучения теплофизических свойств чистого водного льда различного изотопного состава будут созданы компьютерные модели кристаллических решеток льда, наиболее ожидаемых для лунных условий: гексагонального (Ih) и кубического (Ic) типов. С помощью модулей специального программного обеспечения ALT/CASTEP (входящих в ПО BioVio Materials Studio) будет проведен расчет основных теплофизических и термодинамических свойств «легкого» и «тяжелого» льда. Также, методами молекулярной динамики будут оценены оптические свойства кристаллических ячеек различных льдов, получены их расчетные ИК и Раман спектры. Аналогичные расчеты будут проведены с водой, находящейся в виде пленки или кристаллического льда, на поверхности основных породообразующих минералов лунной поверхности (силикаты, плагиоклазы и оксиды металлов). Численные модели будут верифицированы экспериментальными измерениями ИК и Раман спектров соответствующих «влажных» минеральных композиций. С изучением эндогенного источника воды, газов и других типов лунных летучих связан анализ структуры магматических интрузий и привязка сети скрытых глобальных и региональных разломов к поверхности. В основу создания модели тепло- и массопереноса через систему трещин в лунной коре положено использование современных геохимических, геофизических и геологических данных; включая результаты недавних лунных миссий (GRAIL, Чандраян и Чанъэ). Будут определены детали структуры наиболее значительных магматических интрузий с привязкой к поверхности Луны и определены основные характеристики полей деформаций и температурных напряжений в ее литосфере. Будет создана уточненная модель застывания магматического океана Луны с учетом содержания и распределения радиоактивных элементов и на ее основе сделана оценка выноса воды и газов по системе трещин к лунной поверхности. Особое внимание будет уделено полярным областям Луны, как наиболее перспективным местам создания будущей лунной базы. Важным научным результатом проекта будет выявление спектральных особенностей водного льда различного изотопного состава, сорбированного на ударно-преобразованных минералах лунного реголита. Это позволит создать специализированный спектрометр для экспресс-анализа изотопного состава, содержания воды и примесей в лунном реголите, что будет особенно важно для этапа выбора района создания лунной базы. Также, предполагается разработка концепции и обоснование основных характеристик мобильного комплекса для разделения изотопных форм воды и ее очистке в лунных условиях. К прикладным результатам проекта можно отнести разработку программы искусственного интеллекта (ИИ) на основе CatBoost (открытый код Яндекс) для дешифровки сложных ИК и Раман спектров с последующим патентованием.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---