В лаборатории геохимии Луны и планет Института геохимии и аналитической химии (ГЕОХИ) РАН проведена серия ударных экспериментов по моделированию микрометеоритной бомбардировки поверхности Луны, в результате которых в мишенях-аналогах лунного грунта образовались россыпи наночастиц (10^-9 м) металлического железа сферической формы – наносферулы. По результатам экспериментов можно предположить, что наблюдаемое мелкодисперсное железо в лунном реголите образовалось в результате термического восстановления in situ в расплаве. Наличие таких наносферул позволяет частицам лунного грунта спекаться при воздействии микроволнового излучения. А это, в свою очередь, даёт возможность увеличить прочность лунного грунта и избавиться от вездесущей высокоабразивной пыли при создании площадки для будущей лунной базы. Результаты работы опубликованы в юбилейном сборнике Advances in Geochemistry, Analytical Chemistry and Planetary Sciences издательства Springer Nature.

В работе проанализирован обширный литературный материал, посвящённый наличию и формированию наночастиц металлического железа размером от единиц нанометров до сотен нанометров в реголите Луны и других безатмосферных тел Солнечной системы (например, астероидов). Наножелезо существенно изменяет видимый и инфракрасный отражённый спектр при дистанционном зондировании безатмосферных тел, искажая информацию о химическом и минеральном составе поверхности тел. Тонкодисперсное металлическое железо было ранее обнаружено как в лунном, так и в астероидном реголитах. Было показано, что наножелезо на поверхности лунного реголита не окисляется. Наночастицы железа были обнаружены методами сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии в тонких, не содержащих железо аморфных каймах, образовавшихся вокруг минералов (Рис. 1).

Ранее было предложено два возможных механизма образования наносферул железа:

1) В результате воздействия высокоскоростных микрометеоритов – частиц космической пыли – на лунный грунт, насыщенный ионами водорода солнечного ветра. При нагревании ударом происходит мобилизация имплантированного водорода, который в свою очередь, восстанавливает двухвалентное железо, содержащееся в минералах до металлического железа. Затем, восстановленные атомы железа соединяются в наносферулы.

2) Второй механизм предполагает, что образование металлического железа и аморфного окаймления происходит вследствие осаждения пара после удара микрометеорита. В таком облаке пара происходит разрыв связи Fe-O, затем при остывании это облако осаждается на зёрнах расположенных рядом минералов, а атомы железа соединяются в наночастицы.

В настоящей работе проведена серия лазерных ударных экспериментов по моделированию микрометеоритной бомбардировки лунной поверхности, в результате которых в мишенях из базальтового стекла и минералов образовались обширные россыпи наносферул металлического железа (Рис. 2). Текстурные особенности их расположения и отсутствие агентов восстановления (таких как водород солнечного ветра) дали основания авторам выдвинуть третий механизм формирования таких сферул – термическое восстановление на месте в расплаве. Такой механизм должен учитываться при оценке свойств поверхности безатмосферных тел, при этом не исключая, а дополняя предыдущие два.

Исследование выполнено при финансовой поддержке Минобрнауки России.

Источник: Институт геохимии и аналитической химии РАН.