Tillbaka 1972, NASA skickade sitt sista team av astronauter till månen i Apollo 17-uppdraget. Dessa astronauter tog med sig en del av månen tillbaka till jorden så att forskare kunde fortsätta att studera månens jord i sina labb. Eftersom vi inte har återvänt till månen på nästan 50 år, varje månprov är värdefullt. Vi måste få dem att räknas för forskare nu och i framtiden. I en ny studie i Meteoritik och planetvetenskap , forskare hittade ett nytt sätt att analysera kemin i månens jord med ett enda dammkorn. Deras teknik kan hjälpa oss att lära oss mer om förhållandena på månens yta och bildandet av värdefulla resurser som vatten och helium där.

"Vi analyserar stenar från rymden, atom för atom, " säger Jennika Greer, tidningens första författare och en Ph.D. student vid Field Museum och University of Chicago. "Det är första gången ett månprov har studerats så här. Vi använder en teknik som många geologer inte ens har hört talas om.

"Vi kan tillämpa den här tekniken på prover som ingen har studerat, "Philipp Heck, en intendent på Fältmuseet, docent vid University of Chicago, och medförfattare till tidningen, lägger till. "Du är nästan garanterad att hitta något nytt eller oväntat. Den här tekniken har så hög känslighet och upplösning, du hittar saker du inte skulle hitta annars och använder bara en liten del av provet."

Tekniken kallas atomsondstomografi (APT), och det används normalt av materialforskare som arbetar med att förbättra industriella processer som att tillverka stål och nanotrådar. Men dess förmåga att analysera små mängder material gör den till en bra kandidat för att studera månprover. Apollo 17-provet innehåller 111 kilo (245 pund) månstenar och jord – det stora schemat, inte en hel del, så forskare måste använda det klokt. Greers analys krävde bara ett enda jordkorn, ungefär lika brett som ett människohår. I det lilla korn, hon identifierade produkter av rymdvittring, rent järn, vatten och helium, som bildades genom månjordens växelverkan med rymdmiljön. Att utvinna dessa värdefulla resurser från månens jord kan hjälpa framtida astronauter att upprätthålla sina aktiviteter på månen.

För att studera det lilla kornet, Greer använde en fokuserad stråle av laddade atomer för att skära en liten, superskarp spets i dess yta. Denna spets var bara några hundra atomer bred - för jämförelse, ett pappersark är hundratusentals atomer tjockt. "Vi kan använda uttrycket nanosnickeri, " säger Philipp Heck. "Som en snickare formar trä, vi gör det på nanoskala för mineraler."

När provet var inuti atomsonden vid Northwestern University, Greer zappade den med en laser för att slå bort atomer en efter en. När atomerna flög från provet, de träffade en detektorplatta. Tyngre element, som järn, tar längre tid att nå detektorn än lättare element, som väte. Genom att mäta tiden mellan laseravfyrningen och atomen träffar detektorn, instrumentet kan bestämma typen av atom i den positionen och dess laddning. Till sist, Greer rekonstruerade data i tre dimensioner, med hjälp av en färgkodad punkt för varje atom och molekyl för att göra en 3D-karta över månens stoft i nanoskala.

Det är första gången forskare kan se både typen av atomer och deras exakta plats i en fläck av månjord. Även om APT är en välkänd teknik inom materialvetenskap, ingen hade någonsin försökt använda den för månprover tidigare. Greer och Heck uppmuntrar andra kosmokemister att prova det. "Det är bra för att heltäckande karakterisera små volymer av värdefulla prover, " säger Greer. "Vi har dessa riktigt spännande uppdrag som Hayabusa2 och OSIRIS-REx som snart återvänder till jorden – obemannade rymdfarkoster som samlar in små bitar av asteroider. Det här är en teknik som definitivt borde tillämpas på vad de tar tillbaka eftersom den använder så lite material men ger så mycket information."

Att studera jord från månens yta ger forskare insikt i en viktig kraft inom vårt solsystem:rymdvittring. Rymden är en hård miljö, med små meteoriter, strömmar av partiklar som kommer från solen, och strålning i form av sol- och kosmiska strålar. Medan jordens atmosfär skyddar oss från rymdvittring, andra kroppar som månen och asteroider har ingen atmosfär. Som ett resultat, jorden på månens yta har genomgått förändringar orsakade av rymdvittring, vilket gör den fundamentalt annorlunda än den sten som resten av månen består av. Det är ungefär som en chokladdoppad glassstrut:den yttre ytan matchar inte vad som finns inuti. Med APT, forskare kan leta efter skillnader mellan rymdvittrade ytor och oexponerad månens smuts på ett sätt som ingen annan metod kan. Genom att förstå vilka typer av processer som får dessa skillnader att hända, de kan mer exakt förutsäga vad som finns precis under ytan av månar och asteroider som är för långt borta för att få till jorden.

Eftersom Greers studie använde en spets i nanostorlek, hennes ursprungliga korn av måndamm är fortfarande tillgängligt för framtida experiment. Detta innebär att nya generationer av forskare kan göra nya upptäckter och förutsägelser från samma värdefulla prov. "Femtio år sedan, ingen förutsåg att någon någonsin skulle analysera ett prov med denna teknik, och bara använda en liten bit av ett korn, "Heck stater. "Tusentals sådana korn kan vara på handsken av en astronaut, och det skulle vara tillräckligt material för en stor studie."

Greer och Heck betonar behovet av uppdrag där astronauter tar tillbaka fysiska prover på grund av de olika terrängerna i yttre rymden. "Om du bara analyserar rymdvittring från en plats på månen, det är som att bara analysera vittring på jorden i en bergskedja, " säger Greer. Vi måste gå till andra platser och föremål för att förstå rymdvittring på samma sätt som vi behöver kolla in olika platser på jorden som sanden i öknar och bergskedjor på jorden."

Vi vet ännu inte vilka överraskningar vi kan hitta från rymdvittring. "Det är viktigt att förstå dessa material i labbet så att vi förstår vad vi ser när vi tittar genom ett teleskop, " säger Greer. "På grund av något sådant här, vi förstår hur miljön är på månen. Det går långt utöver vad astronauter kan berätta för oss när de går på månen. Denna lilla säd bevarar miljontals år av historia.

Resultaten från denna studie övertygade NASA att finansiera Field Museum och Northwestern-teamet och kollegor från Purdue under de kommande tre åren för att studera olika typer av måndamm med APT för att kvantifiera dess vatteninnehåll och för att studera andra aspekter av rymdvittring.