Voor het grootste deel van het ruimtetijdperk werd de maan beschouwd als een waterloze wereld. De afgelopen jaren is echter steeds meer ontdekt dat er op sommige delen van de maan – zoals de grote kraters op de polen die permanent in de schaduw staan – aanzienlijke hoeveelheden water aanwezig zijn. Deze week hebben twee nieuwe studies, gepubliceerd in Nature Astronomy, de kraan wat verder opengedraaid voor het vooruitzicht van een onverwacht waterrijke maan.
De timing is goed voor NASA en andere ruimtevaartorganisaties die nu ambitieuze menselijke missies plannen voor maanverkenning en zelfs bewoning. Immers, waar water is, kan leven zijn – zelfs als dat leven nog steeds ruimtepakken en stralingsbestendige habitats vereist.
Een mogelijk hemelshoog signaal van door de zon verwarmd water
Het eerste nieuwe vleugje maanwater is afkomstig van gegevens die zijn verzameld door NASA’s Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy (SOFIA). Deze gemodificeerde Boeing 747SP jet biedt zijn 2,7-meter telescoop een zicht boven 99 procent van de atmosfeer verduisterende waterdamp – een unieke mogelijkheid die wendbare observaties in infrarood mogelijk maakt zonder het gebruik van faciliteiten in de ruimte.
In eind augustus 2018 gebruikte een team onder leiding van Casey Honniball, een NASA Postdoctoral Program fellow bij het Goddard Space Flight Center van het agentschap en een onderzoeker aan de University of Hawaii at Manoa, infraroodinstrumenten aan boord van SOFIA om het zonverlichte maanoppervlak te bestuderen. De waarnemingen, die slechts 10 minuten in beslag namen, waren gericht op een gebied op hoge zuidelijke breedtegraden in de buurt van de grote krater van de maan, Clavius, en zij onthulden een sterke infrarode emissie op een golflengte van zes micron (µm) van de krater en het omringende landschap. Opgewarmd door de zon, straalde iets op het maanoppervlak de geabsorbeerde straling weer uit, net als moleculair water – gewoon H2O – dat zou doen.
“We kennen geen enkel ander materiaal dat redelijk is voor de maan en dat een enkel spectraal kenmerk op 6 µm vertoont anders dan H2O,” melden Honniball en haar collega-onderzoekers in hun nieuwe artikel. De auteurs suggereren dat het vermeende water waarschijnlijk is opgeslagen in natuurlijk voorkomend vulkanisch glas of ingeklemd tussen microscopisch kleine korrels rotsstof. Beide scenario’s kunnen bescherming bieden tegen de extreme temperaturen en de bijna-vacuümomstandigheden op het oppervlak van de maan, waardoor het water kan blijven bestaan. Hoe het water daar terecht is gekomen weet niemand zeker, maar de belangrijkste verklaring is dat het water gevormd zou kunnen zijn uit vrije zuurstof en waterstof die door inslagen van micrometeorieten uit maanrotsen zijn vrijgekomen.
Honniball zegt dat het gebruik van SOFIA een nieuwe en unieke benadering is voor de maanwetenschap, maar het is niet de eerste keer dat aardgebonden waarnemingen een emissie van zes micron van de maan aan het licht hebben gebracht. Waarnemingen door de astronomen G.R. Hunt en J.W. Salisbury vanuit een ballon lieten het spectrale kenmerk zien, zegt ze. Maar Hunt en Salisbury maakten er geen melding van in hun artikel over dat onderzoek, dat in 1969 werd gepubliceerd. In plaats daarvan concentreerden zij zich op het karakteriseren van mineralen op het maanoppervlak. “Misschien wisten ze gewoon niet dat ze een enorme ontdekking hadden gedaan,” speculeert Honniball.
Een glas halfvol
Honniball en haar collega’s hebben al extra tijd gekregen op SOFIA voor vervolgwaarnemingen. “We hopen het grootste deel van de maan in kaart te brengen om het gedrag van water te karakteriseren,” zegt ze. “Verschilt het over het maanoppervlak met het tijdstip van de maan en de breedtegraad? Dit zal ons helpen te begrijpen waar het vandaan komt en waar het zich bevindt.”
En dat kan de wereld vertellen hoe nuttig dit nieuwe water op een dag kan blijken te zijn. Als het water zich voornamelijk op het oppervlak van rotskorrels bevindt, kan het eenvoudig worden gewonnen door maanaarde op te scheppen en deze matig te verhitten. Als het water echter opgesloten zit in glas, moet het materiaal worden gesmolten om het water vrij te maken voor verzameling – een veel energieverslindender proces.
“Op dit moment hebben we geen goed idee of het water dat we met SOFIA zien in hoeveelheden zit die het smelten van het glas de moeite waard maken,” zegt Honniball. “Maar als de hoeveelheden hoog genoeg zijn, kan dit een haalbaarder optie zijn dan het delven van waterijs in permanent beschaduwde gebieden, wat extreme omgevingen zijn en moeilijk om in te werken.”
Jack Schmitt, een geoloog die als lid van de Apollo 17-bemanning de enige professionele wetenschapper is die op de maan heeft gelopen, zegt dat de SOFIA-meting misschien geen echt moleculair water onthult, maar iets dat kwetsbaarder en vergankelijker is. “De vraag die ik zou willen stellen,” zegt Schmitt, “is of de SOFIA-gegevens misschien te maken hebben met de mogelijke zwakke binding van waterstof uit de zonnewind met zuurstof aan het oppervlak van korrels silicaatglas en mineralen in de regolith, in plaats van dat ze echt moleculair water zijn?”
Een van de producten van dergelijke reacties zou hydroxyl kunnen zijn, een molecuul dat maar één waterstofatoom tekort komt om water te zijn. Honniball zegt echter dat de emissie van zes micron die door SOFIA is waargenomen niet consistent is met hydroxyl.
Of de stof nu achter het signaal van SOFIA zit, Schmitt merkt op dat de basischemie het mogelijk zou moeten maken om vocht uit zelfs kurkdroog maanmateriaal te wringen. “Verhitting van waterstofhoudend regoliet tot enkele honderden graden zou ertoe leiden dat een deel van de waterstof reageert met zuurstof in silicaten om bijna overal op de maan water te produceren,” zegt hij.
Kleine schaduwen, immense mogelijkheden
Een ander artikel dat tegelijk met de SOFIA-studie in Nature Astronomy is gepubliceerd, wijst op een toename in de verspreiding van permanent beschaduwde gebieden op de maan – zonlichtarme plaatsen die bekend staan als koude vallen – waar extreem lage temperaturen water kunnen bevriezen en in principe voor onbepaalde tijd kunnen vasthouden, waardoor het zich in geologische tijd kan ophopen tot aanzienlijke afzettingen.
Wetenschappers bestuderen dergelijke maangebieden al tientallen jaren op hun potentieel om water te herbergen, maar eerder werk was gericht op grote koude vallen binnen enorme kraters op de polen van de maan. Dit nieuwe resultaat breidt het scala van koude vallen uit tot een diameter van een centimeter. Aan de hand van hogeresolutiebeelden van NASA’s Lunar Reconnaissance Orbiter heeft een team onder leiding van planetoloog Paul Hayne van de Universiteit van Colorado Boulder ontdekt dat dergelijke “micro”-koudevallen veel vaker voorkomen dan de goed bestudeerde grote koudevallen in de buurt van de maanpolen. De nieuwe berekening brengt het totale oppervlak met de capaciteit om water op te vangen op ruwweg 40.000 vierkante kilometer – een pan-lunair gebied dat, gezamenlijk, twee keer zo groot zou zijn als Wales.
“De nieuw ontdekte micro-koudevallen zijn de talrijkste op de maan, duizenden malen talrijker dan eerder in kaart gebrachte koudevallen,” zegt Hayne. “Als ze allemaal vol ijs zitten, zou dit een aanzienlijke hoeveelheid kunnen zijn, misschien wel meer dan een miljard kilo water.”
Hayne voegt er echter aan toe dat in situ bemonstering door robots of astronauten nodig is om hun werkelijke ijsinhoud goed te kunnen beoordelen. “Wat echt opwindend is aan de micro-koudevallen is dat ze veel toegankelijker zijn, wat een efficiëntere winning en gebruik voor zowel wetenschappelijke als exploratiedoeleinden mogelijk zou kunnen maken,” zegt hij. Hayne: “Deze proliferatie van kleine potentiële ijsreservoirs zou inderdaad veel toegankelijker kunnen zijn voor toekomstige missies, omdat ze zich bevinden in gebieden waar een astronaut met zonlicht comfortabel en veilig een gereedschap kan gebruiken om in een gevaarlijk koude schaduw te reiken om ijs op te graven.
Voor nu, om de waarde van micro-koudevallen verder te beoordelen, zullen Hayne en zijn collega’s een high-tech camera gebruiken, genaamd het Lunar Compact Infrared Imaging System, dat al in 2022 naar de maan zal reizen op de eerste zuidpool lander missie van NASA’s Commercial Lunar Payload Services programma. De camera zal voor het eerst close-up foto’s maken van micro-koudevallen en zal hun temperaturen meten.
Ground Truthing
Aan de ene kant zijn de SOFIA en micro-koudevalstudies welkom nieuws. Toch blijft het grote plaatje hetzelfde, zegt Ian Crawford, een maanexpert aan Birkbeck, University of London.
Hoe meer gemakkelijk toegankelijk water er op de maan is, des te groter zijn volgens hem de mogelijkheden om het ter plekke te winnen en te gebruiken om onmiddellijke exploratie-inspanningen te ondersteunen. Uiteindelijk zou de ontwikkeling van maanwater als hulpbron een hele buitenaardse economie op gang kunnen brengen, waarin de stof een lucratieve grondstof zou worden voor raketbrandstof en andere kostbare verbruiksgoederen. Voorlopig zijn echter “‘ground truth’ metingen dringend nodig om conclusies te bevestigen die zijn gemaakt op basis van teledetectie metingen,” zegt Crawford.
Angel Abbud-Madrid, directeur van de Colorado School of Mines’ Center for Space Resources in Golden, Colo., wijst ook directe metingen aan als de belangrijkste volgende stap die uit de nieuwe bevindingen moet volgen. “Wat nu nodig is, is het aanraken van het maanoppervlak en het verzamelen van gedetailleerde grondwaarheden,” zegt hij. “Bevestiging van niet alleen het bestaan van waterijs, maar ook de morfologie, concentratie, distributie en overvloed ervan is een must om verder te gaan met bestaande exploratie- en exploitatieplannen.”