Химия лунного грунта

ИССЛЕДОВАНИЕ ДОСТАВЛЕННЫХ НА ЗЕМЛЮ ОБРАЗЦОВ

Осуществление задачи автоматических и пилотируемых полетов к Луне с возвращением на Землю потребовало решения целого ряда принципиально новых задач, таких, как, например, посадка на Землю аппарата, входящего в ее атмосферу со второй космической скоростью (около 11 км/с). Результатом разработок этих космических аппаратов явилось создание в Советском Союзе станций «Зонд-5 и -6». Успешно возвратившись на Землю, они доставили не только большой объем научной информации, но и необходимые данные для дальнейшей отработки полетов к Луне более сложных возвращаемых аппаратов.

Важную роль в изучении Луны сыграли пилотируемые полеты к Луне по американской программе «Аполлон», которым предшествовал целый ряд пилотируемых запусков на орбиты искусственных спутников Земли и Луны для отработки всех необходимых для выполнения этой задачи маневров.

16 июля 1969 г. состоялся запуск «Аполлона-11», предназначенного для первой высадки человека на Луну. 20 июля 1969 г. лунный отсек с астронавтами Н. Армстронгом и Э. Олдрином опустился на лунную поверхность в Море Спокойствия. Посадка корабля показала справедливость выводов, сделанных на основе предыдущих полетов автоматических станций, — грунт оказался достаточно твердым как для посадки на него пилотируемого аппарата, так и для передвижения по нему человека.

Помимо сбора образцов лунных пород для доставки их на Землю, астронавты установили на поверхности Луны пассивный сейсмометр, прибор для определения состава солнечного ветра и лазерный отражатель.

Впоследствии было проведено еще пять пилотируемых полетов кораблей «Аполлон» на Луну. Три из них опускались на «морскую» поверхность, а два последних прилунились в «материковую» область. В результате успешных полетов по программе «Аполлон» были доставлены на Землю многочисленные образцы лунного грунта и произведен большой объем научных исследований Луны.

Помимо пилотируемых полетов на Луну, огромное значение представляли собой полеты к. нашему естественному спутнику таких автоматических станций, как «Луна-16, -20 и -24», также доставивших на Землю образцы лунного грунта. Эти станции состояли из двух блоков — посадочной ступени с грунтозаборным устройством и ракеты «Луна — Земля» с возвращаемым аппаратом.

Следует отметить, что грунтозаборное устройство, впервые примененное на станции «Луна-16», явилось принципиально новым агрегатом космического аппарата. В его задачи входили и бурение лунного грунта различной плотности в условиях вакуума, и транспортировка образцов в контейнер возвращаемого аппарата, и последующая герметизация этого контейнера.

Станция «Луна-16» прилунилась 20 сентября 1970 г. в районе Моря Изобилия. По команде с Земли грунтозаборное устройство взяло образцы грунта с глубины до 350 мм и загерметизировало их в контейнере возвращаемого аппарата. Одновременно с забором грунта определялась плотность исследуемой породы.

На следующие сутки был осуществлен старт с лунной поверхности, 24 сентября возвращаемый аппарат приземлился на территории Советского Союза, и контейнер с образцами лунного грунта был передан для исследования в Академию наук СССР. Впервые в истории космонавтики с помощью автоматического аппарата удалось не только достичь поверхности Луны и произвести на ней необходимые работы, но, стартовав оттуда, успешно возвратиться на Землю.

14 февраля 1972 г. станция «Луна-20», аналогичная по конструкции станции «Луна-16», также осуществила мягкую посадку на Луну — в гористой области в 120 км к северу от места посадки «Луны-16», а затем впервые доставила на Землю грунт из «материковой» области. Образец реголита, автоматически доставленный станцией «Луна-20» и взятый впервые из труднодоступного гористого района Луны, позволил экспериментально вскрыть существенное различие составов лунных «морей» и «материков». «Материковое» вещество оказалось рыхлым разнозернистым материалом светло-серого цвета с высоким содержанием фрагментов, относящихся к породам анортозитового типа.

Анализ вещества, доставленного «Луной-20», позволил отвергнуть идею, что состав лунных «материков» тождествен составу первичного, недифференцированного вещества, каким оно было непосредственно после образования Луны из протопланетного облака. Более того, присутствие анортозитов на поверхности лунных «материков», по-видимому, свидетельствует о значительной дифференциации первичной Луны уже на очень ранней стадии ее существования.

Доставка на Землю образцов лунного грунта дала возможность детально изучить как их химический состав, так и другие характеристики — структуру, степень дисперсности, физико-механические свойства и т. д. Оказалось возможным исследовать в лабораторных условиях химический состав различных образований поверхностного слоя лунного грунта, в том числе отдельных камней и фрагментов микронного размера; изучать кристаллы различных минералов, слагающих лунные породы. Отдельно удалось проанализировать и обнаруженные в лунном грунте стеклообразные шарики, по-видимому, образовавшиеся при частичном расплавлении грунта в момент удара микрометеоритов.

Разумеется, такие тонкие и скрупулезные исследования с помощью новейших электронных микроскопов и других приборов, составляющих арсенал современной науки, можно проводить лишь на Земле в специальных лабораториях. Только в этих условиях возможно делать анализы с большой точностью и определять в исследуемых образцах химические элементы, концентрация которых составляет малые доли процента.

Результаты лабораторных анализов образцов лунного грунта, доставленных на Землю, показали, что, будучи доставленными даже из одного района Луны, они имеют заметные различия в своем составе. Однако несмотря на это, а также на более значительное отличие в составе отдельных фрагментов одного и того же образца, можно выделить ряд наиболее характерных для данного района образцов, имеющих весьма сходный химический состав, к которому близок состав и большинства других образцов данного участка.

Таблица 3

Исходя из этого, мы поместили в табл. 3 данные по химическому составу нескольких типичных образцов грунта, доставленных на Землю по программам «Аполлон» и «Луна» из «морских» и «материковых» районов. В таблице приведено соответствующее содержание в них окислов основных породообразующих элементов.

Суммарное содержание в грунте элементов, приведенных в таблице (а также фосфора, серы и хрома), обычно составляет ~99 %. В количестве от 0,1 до 0,02 % присутствуют также цирконий, барий, никель, иттрий и стронций. В еще меньших количествах обнаружены ванадий, ниобий, кобальт, медь, рубидий, углерод и другие химические элементы.

К настоящему времени на Земле имеются образцы грунта, доставленные из 9 районов Луны. Кроме того, непосредственно на поверхности Луны определен состав грунта еще в 5 районах. Поскольку районы, где проводились автоматические анализы, и места, откуда образцы доставлялись на Землю, находятся на значительных расстояниях друг от друга, трудно было ожидать простого совпадения результатов. Однако результаты лабораторных исследований образцов и автоматических измерений химического состава лунной поверхности хорошо согласуются и взаимно дополняют друг друга. Рассмотрение всей совокупности анализов позволило определить общие закономерности строения всей лунной поверхности: четкое отличие «морских» и «материковых» поверхностей, а также сходный характер образования и эволюции разных «морей» независимо от местоположения того или иного исследованного района.

Логическим продолжением изучения лунной поверхности с помощью автоматических станций явился запуск к Луне 9 августа 1976 г. станции «Луна-24», которая 18 августа 1976 г. совершила посадку в Море Кризисов. На ней было установлено грунтозаборное устройство нового типа, существенно отличающееся от использованных на «Луне-16 и -20». При бурении грунт поступал в гибкую трубку — грунтонос, а специальный механизм подхватывал грунт и удерживал его в виде столбика (в результате совершенно не нарушалась структура образца, сохранялись все особенности его слоистости). Общая глубина бурения составляла 2,25 м.

Как же доставить на Землю такой длинный керн — эта проблема получила на станции «Луна-24» интересное решение. Недаром грунтонос был сделан в виде гибкой трубки — после окончания бурения грунтонос был намотан на барабан, как нитка на катушку, так что получился компактный груз, легко поместившийся в возвращаемый аппарат, который через несколько дней был благополучно доставлен на Землю. Сейчас эти образцы лунного грунта подробно изучаются.

В заключение этого раздела отметим, что в СССР исследованием образцов лунного грунта занимаются многие научные учреждения. До последнего времени этими работами руководил выдающийся советский ученый академик А. П. Виноградов (1895–1975), в течение многих лет возглавлявший Институт геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского.

Лабораторные исследования образцов лунного грунта представляют собой замечательный пример международного сотрудничества ученых. Так, Академия наук СССР и Национальное управление по аэронавтике и космическим исследованиям США (НАСА) не только осуществили взаимный обмен образцами лунного грунта, но и предоставили их для изучения ученым многих стран.