In 1972, NASA stuurde hun laatste team van astronauten naar de maan in de Apollo 17-missie. Deze astronauten brachten een deel van de maan terug naar de aarde, zodat wetenschappers de maangrond in hun laboratoria konden blijven bestuderen. Aangezien we al bijna 50 jaar niet meer naar de maan zijn teruggekeerd, elk maanmonster is kostbaar. Die moeten we nu en in de toekomst laten meetellen voor onderzoekers. In een nieuwe studie in Meteoritica en planetaire wetenschap , wetenschappers hebben een nieuwe manier gevonden om de chemie van de maanbodem te analyseren met behulp van een enkele stofkorrel. Hun techniek kan ons helpen meer te weten te komen over de omstandigheden op het oppervlak van de maan en de vorming van kostbare hulpbronnen zoals water en helium daar.

"We analyseren stenen vanuit de ruimte, atoom voor atoom, " zegt Jennika Greer, de eerste auteur van het papier en een Ph.D. student aan het Field Museum en de Universiteit van Chicago. " Het is de eerste keer dat een maanmonster op deze manier is bestudeerd. We gebruiken een techniek waar veel geologen nog nooit van hebben gehoord.

"We kunnen deze techniek toepassen op monsters die niemand heeft bestudeerd, "Philip Heck, een conservator van het Field Museum, universitair hoofddocent aan de Universiteit van Chicago, en co-auteur van het artikel, voegt toe. "Je vindt bijna gegarandeerd iets nieuws of onverwachts. Deze techniek heeft zo'n hoge gevoeligheid en resolutie, je vindt dingen die je anders niet zou vinden en verbruikt slechts een klein beetje van het monster."

De techniek wordt atoomprobetomografie (APT) genoemd, en het wordt normaal gesproken gebruikt door materiaalwetenschappers die werken aan het verbeteren van industriële processen zoals het maken van staal en nanodraden. Maar het vermogen om kleine hoeveelheden materiaal te analyseren, maakt het een goede kandidaat voor het bestuderen van maanmonsters. Het Apollo 17-monster bevat 111 kilogram (245 pond) maanrotsen en aarde - het grote geheel van dingen, Niet heel veel, dus onderzoekers moeten het verstandig gebruiken. Greer's analyse vereiste slechts één enkele korrel aarde, ongeveer zo breed als een mensenhaar. In dat kleine korreltje, ze identificeerde producten van ruimteverwering, puur ijzer, water en helium, die gevormd werden door de interacties van de maanbodem met de ruimteomgeving. Door deze kostbare hulpbronnen uit de maanbodem te halen, kunnen toekomstige astronauten hun activiteiten op de maan ondersteunen.

Om de kleine korrel te bestuderen, Greer gebruikte een gerichte bundel geladen atomen om een ​​kleine, superscherpe punt in het oppervlak. Deze tip was slechts een paar honderd atomen breed - ter vergelijking:een vel papier is honderdduizenden atomen dik. "We kunnen de uitdrukking nanotimmerwerk gebruiken, "zegt Philipp Heck. "Zoals een timmerman hout vormt, we doen het op nanoschaal aan mineralen."

Toen het monster eenmaal in de atoomsonde van de Northwestern University zat, Greer zapte het met een laser om atomen één voor één af te slaan. Terwijl de atomen van het monster vlogen, ze raakten een detectorplaat. Zwaardere elementen, zoals ijzer, duurt langer om de detector te bereiken dan lichtere elementen, zoals waterstof. Door de tijd te meten tussen het afvuren van de laser en het atoom dat de detector raakt, het instrument is in staat om het type atoom op die positie en zijn lading te bepalen. Eindelijk, Greer reconstrueerde de gegevens in drie dimensies, met behulp van een kleurgecodeerd punt voor elk atoom en molecuul om een ​​3D-kaart op nanoschaal van het maanstof te maken.

Het is de eerste keer dat wetenschappers zowel het type atomen als hun exacte locatie in een stukje maangrond kunnen zien. Hoewel APT een bekende techniek is in de materiaalwetenschap, niemand had ooit eerder geprobeerd het te gebruiken voor maanmonsters. Greer en Heck moedigen andere kosmochemici aan om het uit te proberen. "Het is geweldig voor het uitgebreid karakteriseren van kleine hoeveelheden kostbare monsters, Greer zegt. "We hebben heel spannende missies zoals Hayabusa2 en OSIRIS-REx die binnenkort naar de aarde terugkeren - onbemande ruimtevaartuigen die kleine stukjes asteroïde verzamelen. Dit is een techniek die zeker moet worden toegepast op wat ze terugbrengen, omdat het zo weinig materiaal gebruikt maar zoveel informatie oplevert."

Door grond vanaf het maanoppervlak te bestuderen, krijgen wetenschappers inzicht in een belangrijke kracht binnen ons zonnestelsel:ruimteverwering. De ruimte is een harde omgeving, met kleine meteorieten, stromen deeltjes die van de zon komen, en straling in de vorm van zonne- en kosmische straling. Terwijl de atmosfeer van de aarde ons beschermt tegen verwering in de ruimte, andere lichamen zoals de maan en asteroïden hebben geen atmosfeer. Als resultaat, de grond op het oppervlak van de maan heeft veranderingen ondergaan als gevolg van verwering in de ruimte, waardoor het fundamenteel anders is dan de rots waaruit de rest van de maan is samengesteld. Het lijkt een beetje op een in chocolade gedompelde ijshoorn:het buitenoppervlak komt niet overeen met wat erin zit. Met APT, wetenschappers kunnen verschillen zoeken tussen door de ruimte verweerde oppervlakken en niet-blootgesteld maanvuil op een manier die geen enkele andere methode kan. Door inzicht te krijgen in de soorten processen die deze verschillen mogelijk maken, ze kunnen nauwkeuriger voorspellen wat zich net onder het oppervlak van manen en asteroïden bevindt die te ver weg zijn om naar de aarde te brengen.

Omdat de studie van Greer een tip van nanoformaat gebruikte, haar oorspronkelijke korrel maanstof is nog steeds beschikbaar voor toekomstige experimenten. Dit betekent dat nieuwe generaties wetenschappers nieuwe ontdekkingen en voorspellingen kunnen doen van hetzelfde kostbare monster. "Vijftig jaar geleden, niemand had verwacht dat iemand ooit een monster zou analyseren met deze techniek, en slechts een heel klein beetje van één korrel gebruiken, Heck stelt. "Duizenden van dergelijke korrels kunnen op de handschoen van een astronaut zitten, en het zou voldoende materiaal zijn voor een grote studie."

Greer en Heck benadrukken de noodzaak van missies waarbij astronauten fysieke monsters terugbrengen vanwege de verscheidenheid aan terreinen in de ruimte. "Als je de ruimteverwering alleen analyseert vanaf die ene plek op de maan, het is alsof je alleen verwering op aarde analyseert in één bergketen, " zegt Greer. We moeten naar andere plaatsen en objecten gaan om de verwering van de ruimte te begrijpen op dezelfde manier als we verschillende plaatsen op aarde moeten bekijken, zoals het zand in woestijnen en ontsluitingen in bergketens op aarde."

We weten nog niet welke verrassingen we kunnen tegenkomen bij ruimteverwering. "Het is belangrijk om deze materialen in het laboratorium te begrijpen, zodat we begrijpen wat we zien als we door een telescoop kijken, " zegt Greer. "Door zoiets als dit, we begrijpen hoe de omgeving op de maan is. Het gaat veel verder dan wat astronauten ons kunnen vertellen als ze op de maan lopen. Deze kleine korrel bewaart miljoenen jaren geschiedenis.

De resultaten van deze studie overtuigden NASA om het Field Museum en het Northwestern-team en collega's van Purdue de komende drie jaar te financieren om verschillende soorten maanstof te bestuderen met APT om het watergehalte te kwantificeren en om andere aspecten van ruimteverwering te bestuderen.