Regolito lunar

El regolito lunar es el material no consolidado que se encuentra en la superficie de la Luna y en su tenue atmósfera . El término suelo lunar generalmente se refiere solo a la fracción más fina del regolito lunar , que se compone de granos de 1  cm de diámetro o menos, pero a menudo se usa indistintamente. ^{[ 1 ]} El suelo lunar difiere sustancialmente en sus propiedades del suelo terrestre . El polvo lunar es un regolito aún más fino que el suelo lunar , con tamaños de grano menores a un milímetro. ^{[ 2 ]}

El regolito lunar es principalmente el resultado de la meteorización mecánica . Los continuos impactos de meteoritos y el bombardeo de partículas atómicas cargadas, tanto solares como interestelares, sobre la superficie lunar durante miles de millones de años han desgastado la roca basáltica y anortosítica , el regolito de la Luna, hasta convertirla en un material cada vez más fino. Esta situación contrasta fundamentalmente con la formación del suelo terrestre, mediada por la presencia de oxígeno molecular (O₂ ₎ , la humedad, el viento atmosférico y una amplia gama de procesos biológicos.

Como fina capa superficial de la Luna, el regolito lunar es arrastrado incluso por fenómenos naturales débiles que actúan en su superficie, lo que le permite formar parte de su escasa atmósfera. Se altera con facilidad y supone un riesgo significativo para los equipos expuestos y la salud humana. El fino regolito lunar está compuesto de partículas afiladas y muy adhesivas, con un distintivo sabor y olor a pólvora. Potencialmente, el regolito lunar podría explorarse como recurso lunar , en particular para su utilización in situ , como material de construcción y para el cultivo de plantas en la Luna .

Los principales procesos involucrados en la formación del regolito lunar son: ^{[ 3 ]}

• Conminución : rotura mecánica de rocas y minerales en partículas más pequeñas por impactos de meteoritos y micrometeoritos ;
• Aglutinación : soldadura de fragmentos de minerales y rocas mediante vidrio producido por el impacto de micrometeoritos;
• La pulverización catódica del viento solar y la espalación de los rayos cósmicos son causadas por impactos de iones y partículas de alta energía.

Estos procesos siguen cambiando las propiedades físicas y ópticas de la tierra con el paso del tiempo, y se conocen como meteorización espacial .

Además, la formación de fuentes de fuego, mediante la cual la lava volcánica se eleva y se enfría formando pequeñas perlas de vidrio antes de volver a caer a la superficie, puede crear depósitos pequeños pero importantes en algunos lugares, como la tierra naranja encontrada en el cráter Shorty en el valle Taurus-Littrow por el Apolo 17 , y el vidrio verde encontrado en Hadley-Apennine por el Apolo 15. También se cree que los depósitos de perlas volcánicas son el origen de los Depósitos del Manto Oscuro (DMD) en otros lugares alrededor de la Luna. ^{[ 4 ]}

Hay indicios de que la Luna posee una tenue capa de partículas de polvo en movimiento que constantemente ascienden y descienden a su superficie, dando lugar a una «atmósfera de polvo» que parece estática, pero que está compuesta por partículas en constante movimiento. El término «fuente lunar» se ha utilizado para describir este efecto por analogía con el flujo de moléculas de agua en una fuente que sigue una trayectoria balística, aunque parezca estático debido a la constancia del flujo. Según un modelo propuesto en 2005 por el Laboratorio de Física Extraterrestre del Centro de Vuelos Espaciales Goddard de la NASA , ^{[ 5 ]} esto se debe a la levitación electrostática . En la cara iluminada de la Luna, la radiación ultravioleta y de rayos X solar es lo suficientemente energética como para arrancar electrones de los átomos y moléculas del regolito lunar. Las cargas positivas se acumulan hasta que las partículas más diminutas de polvo lunar (de 1 micrómetro o menos) son repelidas de la superficie y elevadas a alturas que van desde metros hasta kilómetros, alcanzando las partículas más pequeñas las mayores altitudes. Finalmente, vuelven a caer hacia la superficie donde el proceso se repite. En el lado nocturno, el polvo se carga negativamente por los electrones del viento solar . De hecho, el modelo de la fuente sugiere que el lado nocturno alcanzaría mayores diferencias de tensión eléctrica que el lado diurno, posiblemente lanzando partículas de polvo a altitudes aún mayores. ^{[ 6 ]} Este efecto podría intensificarse aún más durante la porción de la órbita de la Luna en la que pasa a través de la magnetocola terrestre , parte del campo magnético de la Luna . ^{[ 7 ]} En el terminador podrían formarse campos eléctricos horizontales significativos entre las áreas diurnas y nocturnas, lo que resultaría en un transporte horizontal de polvo, una forma de "tormenta lunar". ^{[ 6 ] [ 8 ]}

Este efecto fue anticipado en 1956 por el autor de ciencia ficción Hal Clement en su cuento "Dust Rag", publicado en Astounding Science Fiction . ^{[ 6 ]}

Hay cierta evidencia de este efecto. A principios de la década de 1960, la sonda Surveyor 7 ^{[ 9 ]} y varias naves espaciales Surveyor anteriores que aterrizaron suavemente en la Luna enviaron fotografías que mostraban un inconfundible resplandor crepuscular bajo sobre el horizonte lunar que persistía después de la puesta del Sol. ^{[ 6 ]} Además, contrariamente a lo esperado en condiciones sin atmósfera ni bruma, el horizonte distante entre la tierra y el cielo no se veía nítido. Los astronautas del Apolo 17 que orbitaban la Luna en 1972 vieron y dibujaron repetidamente lo que denominaron de diversas maneras "bandas", "coronas" o "rayos crepusculares" durante unos 10 segundos antes del amanecer o el atardecer lunar. Estos rayos también fueron reportados por los astronautas a bordo del Apolo 8, 10 y 15. Estos podrían haber sido similares a los rayos crepusculares en la Tierra. ^{[ 6 ]}

La misión Apolo 17 también colocó en la superficie lunar un experimento llamado LEAM , acrónimo de Lunar Exectcta and Meteorites (Expulsión Lunar y Meteoritos). Su objetivo era detectar el polvo levantado por pequeños meteoroides al impactar contra la superficie lunar. Contaba con tres sensores capaces de registrar la velocidad, la energía y la dirección de las diminutas partículas: uno apuntando hacia arriba, otro hacia el este y otro hacia el oeste. LEAM detectó una gran cantidad de partículas cada mañana, provenientes principalmente del este o del oeste —en lugar de arriba o abajo— y, en general, a velocidades inferiores a las esperadas para la eyección lunar. Además, la temperatura del experimento aumentaba hasta cerca de los 100 grados Celsius unas horas después de cada amanecer lunar, por lo que la unidad debía apagarse temporalmente debido al sobrecalentamiento. Se especula que esto podría deberse a que el polvo lunar cargado eléctricamente se adhería a LEAM, oscureciendo su superficie y provocando que el módulo absorbiera la luz solar en lugar de reflejarla. ^{[ 8 ]} Sin embargo, los científicos no pudieron determinar con certeza la causa del problema, ya que LEAM operó solo brevemente antes de que finalizara el programa Apolo. ^{[ 10 ]}

Es posible que estas tormentas se hayan detectado desde la Tierra: Durante siglos, se han reportado extraños destellos luminosos en la Luna, conocidos como " fenómenos lunares transitorios " o PLT. Algunos PLT se han observado como destellos momentáneos, generalmente aceptados como evidencia visible del impacto de meteoroides en la superficie lunar. Otros han aparecido como brillos amorfos rojizos o blanquecinos, o incluso como regiones oscuras y brumosas que cambian de forma o desaparecen en segundos o minutos. Estos podrían ser el resultado de la luz solar reflejada por el polvo lunar en suspensión. ^{[ 8 ]}

Debido a la multitud de impactos de meteoritos (con velocidades de hasta 20  km/s), la superficie lunar está cubierta por una fina capa de polvo. Este polvo está cargado eléctricamente y se adhiere a cualquier superficie con la que entra en contacto.

La densidad del regolito lunar es de aproximadamente 1,5  g/cm³ ^y aumenta con la profundidad. ^{[ 12 ]}

Otros factores que pueden afectar las propiedades del regolito lunar incluyen grandes diferencias de temperatura , la presencia de un vacío absoluto y la ausencia de un campo magnético lunar significativo , lo que permite que las partículas cargadas del viento solar impacten continuamente la superficie de la Luna.

El 98-99% de la composición de las rocas y el suelo lunares consta de siete elementos: oxígeno (41-45%), silicio (Si), aluminio (Al), calcio (Ca), hierro (Fe), magnesio (Mg) y titanio (Ti). Casi todo el 1-2% restante es manganeso (Mn), sodio (Na), potasio (K) y fósforo (P). ^{[ 13 ]}

La composición del regolito lunar refleja la composición de las rocas madre sobre las que se asienta. Con el tiempo, el material se mezcla tanto vertical como horizontalmente (un proceso conocido como " jardinería ") por procesos de impacto. Si bien el regolito de mare y de tierras altas tienen composiciones distintas, sus inventarios minerales son muy similares, expresando más bien una diferencia en la proporción de fases minerales. Los minerales primarios identificados en el regolito lunar son plagioclasa , olivino , augita , ortopiroxeno , pigeonita , ilmenita , cromita , cuarzo , cristobalita y whitlockita . ^{[ 14 ]} El vidrio es abundante en el regolito lunar y se forma como resultado de la fusión por impacto. El hielo es un mineral importante en los cráteres permanentemente sombreados. ^{[ 15 ]} El regolito lunar se divide en tierras altas y mare en función de su composición, y además se divide en alto, bajo y muy bajo contenido de titanio en función de su contenido de ilmenita. ^{[ 16 ]}

La contribución de material de fuentes externas es relativamente menor (fuera de los sistemas de rayos ), de modo que la composición del suelo en cualquier lugar refleja en gran medida la composición del lecho rocoso local. Se dice que el regolito lunar tiene sabor y olor a pólvora usada . ^{[ 17 ]}

El regolito lunar está compuesto por varios tipos de partículas, incluyendo fragmentos de roca, fragmentos monominerales y diversos tipos de vidrios, incluyendo partículas aglutinadas, esférulas volcánicas y de impacto. ^{[ 18 ]} Los aglutinados se forman en la superficie lunar por impactos de micrometeoritos que causan una fusión a pequeña escala que une materiales adyacentes con diminutas motas de hierro elemental incrustadas en la capa vítrea de cada partícula de polvo. ^{[ 19 ]}

Hay dos diferencias principales en la química del regolito lunar y la tierra con respecto a los materiales terrestres. La primera es que la Luna es muy seca. Como resultado, aquellos minerales con agua como parte de su estructura ( hidratación mineral ) como la arcilla , la mica y los anfíboles están ausentes de la superficie lunar. ^{[ 20 ]} La segunda diferencia es que el regolito y la corteza lunares están químicamente reducidos , en lugar de estar significativamente oxidados como la corteza terrestre. En el caso del regolito, esto se debe en parte al bombardeo constante de la superficie lunar con protones del viento solar. Una consecuencia es que el hierro en la Luna se encuentra en los estados de oxidación elemental (0) y catiónico (+2), ^{[ 21 ]} mientras que en la Tierra el hierro se encuentra principalmente en los estados de oxidación +2 y +3.

Un estudio de la NASA de 2005 enumeró 20 riesgos que requerían un estudio más profundo antes de que los humanos se comprometieran con una expedición humana a Marte, y clasificó el "polvo" como el principal desafío. El informe instó a estudiar sus propiedades mecánicas, corrosividad, granulosidad y efecto en los sistemas eléctricos. La mayoría de los científicos cree que la única manera de responder a estas preguntas de forma definitiva es traer muestras de tierra y roca marcianas a la Tierra mucho antes de lanzar astronautas. ^{[ 10 ]}

Aunque ese informe trataba sobre el polvo marciano, las preocupaciones son igualmente válidas con respecto al polvo lunar. El polvo encontrado en la superficie lunar podría causar efectos nocivos en la tecnología de cualquier puesto avanzado humano y en los miembros de la tripulación: ^{[ 23 ] [ 24 ] [ 25 ]}

• Oscurecimiento de las superficies, lo que conlleva un aumento considerable de la transferencia de calor por radiación ;
• La naturaleza abrasiva de las partículas de polvo puede frotar y desgastar las superficies por fricción;
• Efecto negativo sobre los recubrimientos utilizados en juntas para sellar equipos del espacio, lentes ópticas, paneles solares y ventanas, así como en el cableado;
• Posibles daños en los pulmones, el sistema nervioso y el sistema cardiovascular de un astronauta;
• Posible aumento del riesgo de que se produzcan arcos eléctricos en los trajes espaciales debido a la exposición de pequeñas partículas de polvo al entorno espacial.

Los principios de higiene astronáutica deben utilizarse para evaluar los riesgos de exposición al polvo lunar durante la exploración en la superficie de la Luna y, de este modo, determinar las medidas más apropiadas para controlar dicha exposición. Estas medidas pueden incluir la retirada del traje espacial en una esclusa de aire de tres etapas, la aspiración del traje con un imán ^{[ 26 ]} antes de su retirada y el uso de ventilación de escape local con un filtro de partículas de alta eficiencia para eliminar el polvo de la atmósfera de la nave espacial. ^{[ 27 ]}

Las propiedades nocivas del polvo lunar no se conocen bien. Basándose en estudios del polvo encontrado en la Tierra, se espera que la exposición al polvo lunar resulte en mayores riesgos para la salud, tanto por exposición aguda como crónica. Esto se debe a que el polvo lunar es más reactivo químicamente y tiene áreas superficiales más grandes compuestas de bordes dentados más afilados que el polvo terrestre. ^{[ 28 ]} Si las partículas químicamente reactivas se depositan en los pulmones, pueden causar enfermedades respiratorias. La exposición prolongada al polvo puede causar una enfermedad respiratoria más grave similar a la silicosis . Durante la exploración lunar, los trajes espaciales de los astronautas se contaminarán con polvo lunar. El polvo se liberará a la atmósfera cuando se retiren los trajes. Los métodos utilizados para mitigar la exposición incluirán proporcionar altas tasas de recirculación de aire en la esclusa de aire, el uso de un "traje espacial de doble capa", el uso de escudos antipolvo, el uso de separación magnética de alta calidad y el uso de flujo solar para sinterizar y fundir el regolito. ^{[ 29 ] [ 30 ] [ 31 ]}

El potencial del suelo lunar para la construcción de estructuras se ha propuesto al menos desde la propuesta del hormigón lunar y se ha probado cada vez más. ^{[ 33 ] [ 34 ]}

Las diferencias entre el suelo terrestre y el lunar hacen que las plantas tengan dificultades para crecer. ^{[ 35 ] [ 36 ]} Como resultado, las misiones espaciales de larga duración podrían requerir esfuerzos complejos y costosos para proporcionar alimentos, como importar suelo terrestre , tratar químicamente el regolito lunar para eliminar metales pesados ​​y oxidar átomos de hierro, y cultivar selectivamente cepas de plantas adaptadas al inhóspito regolito lunar. ^{[ 35 ] [ 36 ]} El regolito lunar ha sido probado y se ha demostrado que es capaz de sustentar plantas en la Tierra. ^{[ 37 ]}

Los astronautas del Apolo trajeron consigo unos 360 kilogramos (790 lb) de rocas lunares de seis lugares de aterrizaje. Aunque este material se ha aislado en botellas envasadas al vacío, ahora es inutilizable para análisis químicos o mecánicos detallados: las partículas granulosas deterioraron los sellos de indio de filo de cuchillo de las botellas de vacío; el aire se ha filtrado lentamente. Cada muestra traída de la Luna ha sido contaminada por el aire y la humedad de la Tierra. El polvo ha adquirido una pátina de óxido y, debido a la unión con las moléculas de agua y oxígeno terrestres, su reactividad química ha desaparecido. Las propiedades químicas y electrostáticas de la tierra ya no coinciden con las que los futuros astronautas encontrarán en la Luna. ^{[ 10 ]} 

Los artículos contaminados con polvo lunar finalmente estuvieron disponibles para el público en 2014, cuando el gobierno de EE. UU. aprobó ^{[ 38 ]} la venta de material privado propiedad de astronautas y recolectado por ellos. Desde entonces, solo se ha producido un artículo para la venta con auténtico polvo lunar recolectado después de pasar más de 32 horas en la Luna. Una correa de equipaje, expuesta a los elementos de la Luna durante 32 horas, una pieza del traje espacial de Charles "Pete" Conrad en la misión Apolo 12, fue vendida por su patrimonio a un comprador privado en una subasta. ^{[ 39 ]} En 2017, el regolito lunar recolectado por Neil Armstrong en 1969 fue puesto a subasta. ^{[ 40 ]} Si bien muchos fabricantes de joyas y relojes afirman que su producto contiene "polvo lunar", los productos solo contienen piezas o polvo de meteoritos que se cree que se originaron en la Luna. El 11 de septiembre de 2020, la NASA anunció que está dispuesta a crear un mercado para el regolito lunar solicitando propuestas para comprarlo a proveedores comerciales. ^{[ 41 ]} En mayo de 2022, los científicos lograron cultivar plantas utilizando regolito lunar. El berro de Thale ( Arabidopsis thaliana ) fue la primera planta en brotar y crecer en la Tierra en regolito de otro cuerpo celeste. ^{[ 42 ]}

Proyecto Chang'e-5/6

El 16 de diciembre de 2020, la misión china Chang'e 5 regresó a la Tierra con aproximadamente 2 kilogramos de roca y tierra recolectada en la Luna. Se trata de la primera muestra de regolito lunar que regresa a la Tierra desde 1972. China es el tercer país del mundo en traer de vuelta a la Tierra este tipo de material. ^{[ 43 ]}

Chang'e-5 forma parte de la primera fase del Programa Chino de Exploración Lunar . Chang'e-6 recolectó y trajo muestras de la cara oculta de la Luna en 2024. ^{[ 44 ] [ 45 ]} Aún quedan dos proyectos en esta fase del programa (Chang'e-7 en 2026 y Chang'e-8 en 2027). La segunda fase del programa consiste en enviar astronautas chinos a la Luna entre 2030 y 2039.

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• Selenografía
• Cola de sodio de la Luna

• Propiedades geotécnicas del suelo lunar
• Parámetros de los suelos lunares. Instituto Lunar y Planetario.
• Descubierto tras 40 años: El peligro del polvo lunar está influenciado por la elevación del sol.