Планетологи из Университета Центральной Флориды (UCF) предложили геологическую вероятностную модель распределения льда в полярных областях Луны. Она учитывает процессы формирования и миграции льда с его возможным накоплением на дне глубоких кратеров вблизи полюсов, а также расположение залежей льда вблизи поверхности или на глубине под слоем лунного грунта. Сводная карта «индекса благоприятности» обнаружения льда позволяет определить перспективные места для будущих лунных станций, которые, возможно, будут заниматься исследованием и добычей льда на Луне как полезного ископаемого.
В журнале Icarus вышла статья группы астрофизиков университета Центральной Флориды (UCF) из цикла исследований гипотетической добычи полезных ископаемых на Луне. Основным полезным ископаемым, которым предположительно займутся будущие лунные станции, выступает водяной лёд, залежи которого сохраняются в кратерах полярных областей. В отдалённом будущем лёд на Луне и других космических телах может использоваться не только как источник воды, но и для производства кислорода и водорода как компонента топлива для космических аппаратов. Пока что астрофизики прилагают усилия к изучению его распределения на поверхности Луны и созданию соответствующих геологических карт, на которые можно бы было опереться в будущем. Центр изучения Луны и астероидов при университете (CLASS, Center for Lunar and Asteroid Surface Science) также занимается другими проектами в области планетологии, например, изготавливает реплики лунного и марсианского грунта, используемые для экспериментов NASA. Кстати, желающие даже могут приобрести его в лаборатории по цене 20 долларов за килограмм.
Волатильные соединения, такие, как вода, лёд, углекислота CO2, оксиды серы и т. д., неустойчивы на поверхности большинства тел Солнечной системы. Капля воды или лёд на Луне или Марсе при соответствующих температурах и давлениях быстро испаряется. Но с начала космических исследований Луны в начале 1960-х предполагалось, что в лунных кратерах, защищённых от попадания солнечного света, особенно в полярных районах, могут откладываться залежи льда, и они могут быть устойчивы на промежутках времени в несколько миллиардов лет. Для планирования будущих исследований на Луне имеют значение не только залежи льда на поверхности, но и на глубине до нескольких метров под слоем реголита (рассыпчатого лунного грунта). Например, водяной лёд на Марсе неустойчив на большей части поверхности, но может существовать на небольшой глубине (см. статью на сайте). Первые прямые свидетельства наличия воды в лунной породе были получены после того, как в середине 1970-х станция «Луна-24» доставила на Землю образцы лунного грунта с глубин 1—2 м. В 2009 году присутствие воды на Луне было подтверждено «прямым экспериментом»: космический аппарат врезался в грунт недалеко от южного кратера Кабео, и поднятый при взрыве материал на лету проанализировал зонд LCROSS.
Рассматриваются три возможных источника воды на Луне: падение содержащих воду метеоритов, дегазация вулканов в ранний период геологической истории Луны (2—3 миллиарда лет назад) и солнечный ветер. В последнем механизме предполагается, что высокоэнергетичные частицы (электроны, протоны и др.) от Солнца могут создавать молекулы OH или H2O, которые будут мигрировать по поверхности и накапливаться в «холодных ловушках».
Ось вращения Луны вокруг оси практически перпендикулярна к плоскости вращения вокруг Солнца, в отличие от Земли, поэтому на Луне нет смены сезонов. Для полярных областей не существует полярного дня, когда соответствующее полушарие обращено к Солнцу. Кроме того, на поверхности Луны есть множество кратеров в основном метеоритного происхождения. Дно достаточно глубоких кратеров вблизи полюса таким образом никогда не попадает под прямые солнечные лучи. Температура в нижней части таких кратеров составляет около 40 K и лежит ниже «порога» сублимации льда при нулевом атмосферном давлении (~100 K), поэтому здесь лёд теоретически может сохраняться. Такие точки получили название «холодные ловушки» (cold traps) и рассматриваются как потенциальные залежи льда близко к поверхности, или на некоторой глубине под слоем реголита. Такой же наклон оси вращения у Меркурия и астероида Церера, и планетологи также исследуют лёд в районе их полюсов. Залежи водяного льда на Марсе тоже тяготеют к умеренным и полярным областям.
Георазведка с лунных орбитальных аппаратов использует съёмку в разных длинах волн, включая ультрафиолетовый, видимый и инфракрасный спектр, радарную съёмку, нейтронную спектроскопию и др. Каждый из этих методов обладает своими ограничениями. Так, видимый диапазон не позволяет разглядеть с орбиты ничего даже под тонким слоем грунта. Радарная съёмка в сантиметровом диапазоне «просвечивает» грунт на расстояние порядка метров, и способна в принципе находить залежи льда на глубине. Интерпретация её результатов пока встречает трудности, и она также обладает ограничениями по пространственному разрешению. Более подробно об этом см. заметку про картирование Луны в рамках индийского проекта «Чандраян», а также статью про недавно составленную первую общую геологическую карту Луны. Итак, на сегодня сводной геологической карты «полезных ископаемых» Луны, то есть распределения её залежей льда с учётом глубины не существует. Недостаток данных поэтому восполняется статистическими моделями, которые экстраполируют имеющуюся информацию и пытаются оценить вероятность аккумуляции льда на разных участках поверхности. Такие модели создаются по аналогии с «земными» вероятностными моделями распределения полезных ископаемых исходя из неполной информации — например, данным по разведочным скважинам.
Геологической основой для модели распределения льда стала схема районирования лунной поверхности с точки зрения возможностей удержания льда на поверхности и на некоторой глубине. В глубине кратеров возле полюсов, на которые не попадает солнечный свет, лёд может быть устойчив и сохраняться на поверхности без сублимации. В умеренных широтах или не на дне кратеров лёд может сохранять устойчивость, если его защищает слой реголита, так, как на Марсе. Поэтому первичное районирование условно выделяет три типа «террейнов» — TT1, TT2 и TT3. TT1 («холодные макроловушки») — обширные участки, на которых лёд устойчив на поверхности или вблизи неё (как правило, это дно глубоких кратеров вблизи полюса, в которые не попадает солнечный свет); TT2 и TT3 («холодные микроловушки») — лёд устойчив под слоем реголита до 1 метра и глубже 1 метра. Это могут быть неглубокие кратеры или понижения рельефа, или области, более удалённые от полюсов, и освещаемые Солнцем. Глубина 1 метр — условная граница для районирования в соответствии с инструментальными возможностями обнаружения и особенностями диаграммы устойчивости льда с глубиной.
Далее модель усложняется: оказывается, ось вращения Луны несколько миллиардов лет назад могла менять своё положение. Это предположение основывается на особенностях распределения водорода в лунных породах по данным нейтронной спектроскопии. Предполагается, что сдвиг оси составил 5,5°: на участках, которые были когда-то палеополюсами, наблюдаются симметричные «полярные шапки» повышенной концентрации водорода. Из-за этого смещения некоторые кратеры в областях вблизи полюса, в которые сейчас не попадает свет, раньше могли располагаться в более умеренных широтах, и их залежи льда могли пострадать: участок TT1 мог быть раньше TT2/TT3 и наоборот. Поэтому в итоговой модели учитываются комбинации этих трёх типов областей до и после смещения полюса, например, TT1→2, TT3→1 и т. д. — всего девять возможных сочетаний. Эти девять комбинированных террейнов дают более сложную «мозаику» поверхности. Итоговый «индекс благоприятности» залежей льда в каждой точке, или IFI, Ice Favorability Index — это нормализованное значение от -1 до +1, которое рассчитывается исходя из типа террейна (возможностей сохранения льда «в тени»), вероятности формирования льда и его «сохранения» при взаимодействии с реголитом, то есть миграции от солнечных лучей на глубину. В качестве основного механизма для двух последних параметров рассматривается интенсивная метеоритная бомбардировка в далёком геологическом прошлом — доставка воды «ледяными» метеоритами и одновременно «метеоритная вспашка» поверхности Луны, или meteorite gardening, которая перемешивает лёд с реголитом. Получившаяся карта ожидаемо даёт наиболее благоприятные значения индекса в наиболее глубоких кратерах ближе к полюсу. Так, одним из самых перспективных мест для поиска воды остаётся тот же древний кратер Кабео недалеко от южного полюса Луны, который оставался в «благоприятной» зоне несмотря на сдвиг полюса (террейн TT1→1).
Теоретическая модель, которую предложили астрофизики из UCF, имеет множество натяжек. Фактически, здесь мы имеем классическую «экстраполяцию по одной точке», или сферического коня в вакууме: изменения некоторых предпосылок модели, например, предполагаемой интенсивности метеоритной бомбардировки способно существенно перекроить карту. Вряд ли её можно сейчас использовать для геологоразведочных работ на Луне. Скорее пока речь идёт о разумных ограничениях при выборе места для будущих посадочных модулей, чтобы отбор проб в районе их расположения был более информативен.
На сегодня добыча полезных ископаемых на Луне, а тем более «переработка лунного льда в топливо для ракет» видится только в очень удалённой перспективе. Тем не менее многие исследовательские коллективы планетологов занимаются проблематикой, часто в рамках совместных проектов с NASA и другими космическими агентствами. Такими разработками и сопутствующими теоретическими исследованиями занимаются и некоторые частные фирмы. Кроме воды, Луна рассматривается в таких проектах ещё как источник редкоземельных элементов и некоторых других ископаемых.
О некоторых проблемах, которые нужно решать перед разворачиванием «горнодобывающей промышленности» на космических телах, рассказывается в этом видеоролике научно-популярного youtube-канала SciOne.