Para establecer futuras bases en la Luna y en Marte, se necesitarán materiales, y es crucial minimizar los recursos que tendremos que transportar desde la Tierra para construirlas. Por eso es fundamental el desarrollo de técnicas de utilización in situ de recursos (ISRU). Pero para saber cómo y para qué podemos aprovechar estos recursos tenemos que conocer sus propiedades.
Las rocas de la Luna y de Vesta tienen diferentes propiedades mecánicas a las de la Tierra, ya que a lo largo de eones han sido bombardeadas de manera continua por meteoroides. Los asteroides han excavado cráteres en la superficie de la Luna, e incluso han lanzado algunas rocas lunares en órbita solar.
Meteorito lunar Allan Hills 81005.
Las Propiedades Mecánicas de Rocas Lunares
En un estudio que fue portada de Meteoritics & Planetary Science, se realizó un análisis de la composición y de las propiedades mecánicas de varias rocas lunares llegadas a la Tierra como meteoritos, empleando una colección en el Instituto de Ciencias del Espacio (CSIC). Era necesario conocer sus propiedades a escala nanométrica.
La nanoindentación es una técnica que permite aplicar una fuerza con gran precisión, mediante una punta de diamante con forma piramidal, en una superficie de nanómetros. La fuerza controlada se aplica a áreas específicas y localizadas, cuya composición conocemos. La punta de diamante ejerce presión en la superficie a medida que la fuerza aumenta gradualmente hasta un valor máximo predeterminado. Posteriormente, tras la fase de carga, se reduce sistemáticamente a cero, y la superficie se retrae hasta cierto punto según la elasticidad.
De esa manera, estudiando ese ciclo de carga-descarga, el instrumento mide la profundidad de penetración y deduce la plasticidad de la roca. Del estudio se pueden inferir los mecanismos de deformación (tanto elásticos como plásticos) y la recuperación elástica.
Esquema del proceso de nanoindentación.
El Hallazgo en las Rocas Lunares
El trabajo con meteoritos lunares ha revelado la heterogeneidad intrínseca en los principales atributos mecánicos de los minerales más comunes en la Luna y Vesta: olivinos, piroxenos, feldespatos y espinela, aun cuando muestran características mecánicas similares. Entre las diferencias encontradas, los olivinos de origen terrestre poseen mayor dureza que los olivinos de origen lunar.
Los estudios también apuntan que la falta de atmósfera en la Luna y Vesta, y su exposición a impactos súbitos y muy energéticos de meteoritos, fragmenta, genera brechas e incrementa la porosidad natural de los minerales de los que están formadas las rocas. Ese parámetro es clave para explicar las propiedades mecánicas de las rocas.
Estos hallazgos tienen implicaciones directas para el desarrollo de nuevas técnicas de utilización in situ de recursos (ISRU). Las propiedades mecánicas son claves para los procesos de compactación y sinterización (fabricación de objetos utilizando el calor) que permitirán, por ejemplo, crear materiales de construcción más robustos y duraderos en esos entornos extremos. Por eso es importante realizar más estudios que observen cómo afecta la porosidad y la estructura cristalina de las rocas a sus propiedades mecánicas.
Introducción a la Luna
La luna ha fascinado a la humanidad a través de los tiempos. Mediante la simple observación con el ojo desnudo, uno puede distinguir dos grandes tipos de terrenos: las mesetas relativamente brillantes y las llanuras más oscuras. A mediados del siglo XVII, Galileo y otros astrónomos realizaron observaciones telescópicas, notando un solapamiento casi infinito de cráteres. Se ha sabido también durante más de un siglo que la Luna es menos densa que la Tierra.
El conocimiento actual de la Luna es mayor que el del resto de los objetos del Sistema Solar exceptuando la Tierra. El 20 de Julio de 1969, Neil Armstrong se convirtió en el primer hombre que pisó la Luna, seguido por Edwin Aldrin, ambos pertenecientes a la misión Apollo 11. Ellos y otros caminantes lunares experimentaron los efectos de la falta de atmósfera.
La Luna está a 384.403 kilómetros de la Tierra y su diámetro es 3.476 kilómetros. Tanto la rotación de la Luna como su revolución alrededor de la Tierra duran 27 días, 7 horas y 43 minutos.
¡Increíble! Lo que China Encontró en la Luna
Cuatro estaciones sísmicas alimentadas por energía nuclear fueron instaladas durante el proyecto Apollo para recoger datos sobre el interior de la Luna. Sólo existe una actividad tectónica residual debida al enfriamiento y a la acción de las mareas, pero otros lunamotos han sido causados por impactos de meteoros y objetos artificiales, como la destrucción deliberada del Módulo Lunar contra la superficie lunar.
Los resultados obtenidos han demostrado que la Luna tiene una corteza de unos 60 kilómetros de espesor en el centro de lado cercano. Si esta corteza es uniforme en toda la Luna, constituiría el 10% del volumen lunar comparados con menos del 1% de la Tierra. Las determinaciones sísmicas de la existencia de una corteza y un manto en la Luna indican que se trata de una planeta estratificado con diferenciación por procesos ígneos. No hay evidencia de la existencia de un núcleo rico en hierro si no es pequeño.
La Luna fue fuertemente bombardeada en su historia temprana, lo que originó que muchas de las rocas originales de la antigua corteza se mezclaran, fundieran, enterraran o desaparecieran. Los impactos meteóricos aportaron una gran variedad de rocas "exóticas" a la Luna, de tal forma que las muestras obtenidas en sólo 9 de las zonas produjeron muchos tipos diferentes de rocas para su estudio. Los impactos también sacaron a la luz rocas lunares situadas a gran profundidad y distribuyeron sus fragmentos sobre amplias zonas alejadas de su origen, haciéndolas más accesibles.
Como la Luna no tiene ni atmósfera ni agua, los componentes de los suelos no se deterioran químicamente como lo harían en la Tierra. Rocas con más de 4,000 millones de años todavía existen allí, permitiendo la obtención de información sobre la historia temprana del sistema solar que no está disponible en la Tierra. La actividad geológica en la Luna consiste en un grandes impactos ocasionales y la formación continua de los regolitos. Sin embargo, se considera que está geológicamente muerta.
Tipos de Materiales Superficiales Lunares
Los Apollo y el resto de misiones lunares han vuelto a la Tierra con 382 kilogramos de rocas y suelos. A partir de estos se han estudiado tres grandes tipo de materiales superficiales: los regolitos, los mares y las terrazas.
Regolitos
El bombardeo de micrometeoritos ha pulverizado concienzudamente las rocas superficiales produciendo unos detritus de grano fino denominados regolitos. Los regolitos, o suelo lunar, son granos minerales no consolidados, fragmentos de roca y una combinación de estos que han sido soldados en forma de cristal por los impactos. Se puede encontrar sobre toda la superficie lunar, con la excepción de las paredes inclinadas de los valles y cráteres.
Mares
Los oscuros mares, con relativamente pocos cráteres, cubren aproximadamente el 16% de la superficie lunar y se concentran en el lado cercano de la Luna, principalmente dentro de las cuencas de impacto. Esta concentración podría ser debida al hecho de que el centro de masas de está desplazado de su centro geométrico unos 2 kilómetros, en dirección a la Tierra, probablemente debido a que la corteza es más gruesa en el lado oscuro. Es posible, por lo tanto, que los magmas de basalto procedentes del interior hayan alcanzado fácilmente la superficie en el lado cercano, pero encontraron dificultades en el lado lejano.
Las rocas de los mares son basaltos y la mayoría tiene una edad que va de 3.100 a 3.800 millones de años. Algunos fragmentos en las brechas de las mesetas tienen una edad de 4.300 millones de años y las fotografías de alta resolución sugieren que algunos flujos en los mares rodean cráteres jóvenes y, por lo tanto, podrían tener una edad de 1.000 millones de años.
Terrazas
Las mesetas relativamente brillantes, cubiertas de cráteres son llamadas terrazas. Los cráteres y cuencas de las mesetas se forman por los impactos de meteoritos y son, por lo tanto, más viejos que los mares, habiendo acumulado más cráteres. El tipo de roca dominante en esta región contiene altos índices de feldespato plagioclásico (un mineral rico en calcio y aluminio) y son mezcla de fragmentos brechados por los impactos de meteoritos.
La mayoría de las brechas de las terrazas están compuestas por fragmentos de brechas todavía más viejos. Otras muestras de las terrazas son las rocas cristalinas de grano fino formadas por fusión de impacto debido a las altas presiones que se generan en los impactos. Casi todas las brechas de las terrazas y la masa fundida por los impactos se formó hace 3.800 o 4.000 millones de años.
Origen de la Luna: Las Hipótesis
Actualmente se admite una cuarta teoría que es como una mezcla de las otras tres: cuando la Tierra se estaba formando, sufrió un choque con un gran cuerpo del espacio. Parte de la masa salió expulsada y se aglutinó para formar nuestro satélite.
- La primera hipótesis denominada 'de captura', supone que la Luna era un astro planetesimal independiente, formado en un momento distinto al nuestro y en un lugar alejado.
- La hipótesis de la acreción binaria supone la formación al mismo tiempo tanto de la Tierra como de la Luna, a partir del mismo material y en la misma zona del Sistema solar.
- La hipótesis de fisión supone que originariamente la Tierra y la Luna eran un sólo cuerpo y que parte de la masa fue expulsada, debido a la inestabilidad causada por la fuerte aceleración rotatoria que en aquel momento experimentaba nuestro planeta.
- La hipótesis del impacto parece la preferida en la actualidad. Supone que nuestro satélite se formó tras la colisión contra la Tierra de un cuerpo de aproximadamente un séptimo del tamaño de nuestro planeta.
La Exosfera Lunar
En la Luna, el contexto es radicalmente diferente y los procesos que afectan su superficie son mucho más exóticos y extremos. La Luna carece de una atmósfera densa como la de la Tierra, lo que significa que no hay viento ni lluvia tal como los conocemos. En cambio, la superficie lunar es bombardeada por partículas cargadas provenientes del Sol, conocidas como viento solar. Estas partículas de alta energía impactan constantemente sobre la Luna, arrancando partículas del suelo y lanzándolas al espacio exterior.
Además del viento solar, la Luna también recibe impactos de miles de diminutos meteoritos diariamente. Estos micrometeoritos, al colisionar con la superficie lunar, liberan una enorme cantidad de energía que es suficiente para fundir y vaporizar el material en los puntos de impacto. Este proceso no solo crea pequeños cráteres, sino que también libera átomos y moléculas hacia el espacio.
La intensa luz solar que incide directamente sobre la superficie lunar también tiene efectos notables. La energía del Sol es capaz de hacer que las moléculas del suelo lunar salten y se dispersen, contribuyendo a la formación de una atmósfera extremadamente delgada conocida como exosfera. Esta exosfera está compuesta por átomos que provienen del suelo lunar y es tan tenue que los átomos individuales raramente colisionan entre sí.
A través del análisis de muestras traídas por las misiones Apolo, la cosmóloga Nicole Xike Nie del MIT y sus colegas han concluido que los impactos de micrometeoritos son la principal fuente de los átomos que componen la exosfera lunar. Concretamente, representan más del 70% de su composición, mientras que la erosión del viento solar contribuye con alrededor del 30% o menos.
Recursos Explotables en la Luna
La superficie lunar está recubierta de una capa de material poco compacto denominado regolito, formado por basaltos y que contiene entre un 1- 2% de material procedente de meteoritos. El regolito lunar sería el principal recurso explotable y se podría utilizar como material de construcción y, una vez procesado, para obtener combustible y metales.
El viento solar ha depositado grandes cantidades de Helio-3 sobre el regolito lunar. A partir de los datos obtenidos por las misiones Apolo y el satélite Chandrayaan-1 de la Agencia India de investigación Espacial, se ha calculado que bajo la superficie lunar podría haber más de un millón de toneladas métricas de He-3. Este isótopo es un candidato extraordinario para reemplazar al radioactivo tritio (hidrogeno con 2 neutrones en su núcleo) en las reacciones de fusión nuclear que intentamos recrear en la tierra.
Se conoce como KREEP a un tipo roca lunar rico en potasio (K), tierras raras (REE) y fósforo (P) y cuyo origen está en la cristalización del magma lunar que quedo intercalado entre la corteza y el manto. Este grupo de metales, imprescindibles para el transporte eficiente, las energías renovables y todos los dispositivos tecnológicos parecen estar asociados al KREEP.
Las tierras raras agrupan a 17 elementos de la tabla periódica, los quince lantánidos más el escandio y el ytrio. Debido a sus propiedades magnéticas, luminiscentes y electroquímicas únicas son vitales para muchas tecnologías modernas, como electrónica de consumo, computadoras y redes, comunicaciones, energía limpia, transporte avanzado, atención médica, mitigación ambiental, defensa nacional y muchas otras.
Cuando se cumplen 50 años de la llegada del hombre a la Luna, la comunidad científica internacional sigue volcada en el estudio y en la explicación de la presencia de agua en el satélite. El trabajo del profesor de la Facultad de Ciencias de la USAL se centró en entender cómo se han formado en origen dentro del magma lunar los minerales hidratados que revelan la presencia de agua en la Luna. Esta agua sería un recurso muy útil para las futuras expediciones para explorar e incluso permanecer en la Luna.
Los resultados permiten identificar en qué líquido inmiscible cristaliza el fosfato de interés (existen diferentes generaciones), y cómo los volátiles se reparten entre otras fases y minerales como el vidrio rico en K, el clinopiroxeno y la plagioclasa.
En resumen, la futura creación de infraestructuras sostenibles, carreteras y otras estructuras vitales esenciales para la presencia humana a largo plazo en la Luna o Marte requerirán materiales, y hay que identificar los mejores antes de emprender viaje. Nuevos retos para una humanidad que, poco a poco, se hará multiplanetaria.