Ett konstnärskoncept från 1969 visar en månmodul som sjunker ner till månens yta. På grund av månens mycket tunna atmosfär, avgaserna expanderar avsevärt och kan stanna kvar i atmosfären i månader. Kredit:NASA/Johnson Space Center
En ny studie ledd av forskare vid Johns Hopkins Applied Physics Laboratory (APL) i Laurel, Maryland, visar att avgaser från en medelstor månlandare snabbt kan spridas runt månen och potentiellt förorena vetenskapligt livsviktiga isar vid månpolerna.
Datorsimuleringar av vattenånga som emitteras av en 2, 650 pund (1, 200-kilogram) lander – ungefär en fjärdedel av torrmassan av Apollo Lunar Module – som landade nära månens sydpol visade att avgaserna bara tar några timmar att spridas runt hela månen. Från 30 % till 40 % av ångan kvarstod i månatmosfären och ytan två månader senare, och ungefär 20 % skulle slutligen frysa nära polerna några månader efter det.
Dessa resultat, publiceras online 11 augusti i Journal of Geophysical Research :Planeter, visa att forskarnas intresse för att studera de inhemska isarna i Månens polkratrar – isar som kan ha anor flera miljarder år tillbaka i tiden – kommer att behöva övervägas noggrant under ökade ansträngningar för att återföra människor till månen.
Att hantera avgaser från rymdfarkoster på månen är inget nytt problem. Forskare uppskattade detta problem under NASA:s Apollo-uppdrag på 60- och 70-talen, när de utvecklade tidiga modeller för att förutsäga spridningen av avgaser genom månatmosfären och förorening av ytan.
"Avgaser under Apollo-uppdraget komplicerade inte mätningarna på samma sätt som nu, " sa Parvathy Prem, en forskare vid APL och huvudförfattaren till studien.
Simulering som visar hur vattenånga från en landares avgaser sprider sig genom månens atmosfär (nyanser av blått och rött, med varmare toner som är tätare) och över dess yta (nyanser av lila, med ljusare toner som är tätare) på 24 timmar. Avgaserna från en landningsplats nära månens sydpol tar bara några timmar att sprida sig till den andra polen. Kredit:Johns Hopkins APL
Under Apollo-eran, det mesta av intresset var att samla in månprover. Även om det fortfarande är sant idag, den nyare upptäckten av isar bevarade i permanent skuggade kratrar nära månens poler har flyttat det vetenskapliga intresset till att förstå ursprunget och spridningen av vatten och andra flyktiga molekyler på månens yta och i dess tunna atmosfär.
"Det här är några av de enda platserna där vi kan hitta spår av vattnets ursprung i det inre solsystemet, ", sa Prem. Att läsa den posten kräver att man mäter sammansättningen av dessa isar såväl som deras olika isotoper för att härleda var de sannolikt kom ifrån och hur de kan ha kommit dit. Utfrysta avgaser från robot- eller mänsklig utforskning som samlas på dessa isar kan förväxla dessa mätningar, även om landaren landar hundratals mil bort.
"Det intressanta med Parvathys arbete är att det mycket väl visar att effekten, medan den är liten och tillfällig, är global, sa Dana Hurley, en planetforskare vid APL och medförfattare till studien.
Rymdorganisationer kan förvänta sig att flyktiga gaser avsevärt kommer att täcka månens yta långt över 60 miles (100 kilometer) från landningsplatsen.
Avgasrester försvinner så småningom, men Hurley påpekar att nuvarande planer för mänsklig månutforskning innebär att det kommer att hända oftare och med mycket tyngre landare.
Bild som visar fördelningen av ytis (avbildad som blå prickar) vid månens sydpol (vänster) och nordpol (höger), upptäckt av NASA:s Moon Mineralogy Mapper-instrument. Gråskalan i denna bild visar temperatur, med mörkare är kallare, visar att isarna är koncentrerade till de mörkaste och kallaste platserna, kraterskuggorna. Kredit:NASA
"Resultaten av denna studie driver det kritiska behovet av att genomföra den forskning vi vill göra om månens atmosfär och flyktiga avlagringar medan de är relativt orörda, " sa Hurley.
Prem varnar för att modellen inte är idiotsäker. Bland dess mest framträdande begränsningar är att det antar i vilken grad vatten interagerar och "klibbar" till månens yta, vilket fortfarande är osäkert men av stort intresse för att förstå hur lätt vatten transporteras runt månen. Modellen spårar också endast vattenånga, som utgör ungefär en tredjedel av sammansättningen av de flesta landares avgaser. Andra avgasmolekyler, som väte, ammoniak och kolmonoxid, kan bete sig annorlunda och kanske kvarstå ännu längre.
Uppföljningsarbetet bör innefatta att mäta mängden avgaser som finns runt månen under och efter framtida landningar, Prem sa, vilket skulle hjälpa till att begränsa ett svar på hur mycket dessa avgaser "fastnar" till ytan. "Men jag skulle också föreslå att modellering och övervakning av avgasernas öde bör vara en rutinmässig del av utveckling och planering av månuppdrag."
Samtal om dämpande avgaser har bara börjat, Prem förklarade.
I januari, NASA slutförde 16 vetenskaps- och teknikdemonstrationsnyttolaster som de valt att leverera till månen genom Artemis-programmet, inklusive Surface Exosphere Alterations by Landers (SEAL), ett instrument som ska undersöka månytans kemiska respons under en landning samt eventuella föroreningar som kan ha injicerats.
"Oavsett om vi tänker eller inte, vi ska göra det här experimentet att ta med oss avgaser, " sa Prem. Det är nu en fråga om att bestämma hur vi ska hantera dem.
