Exploration, échantillonnage et interprétation des volatiles lunaires dans les pièges froids polaires

Contexte académique

Les régions en permanence à l’ombre (Permanently Shadowed Regions, PSRs) des pôles lunaires ainsi que d’autres dépôts de volatiles de surface sont des cibles d’échantillonnage cruciales pour le retour des humains sur la Lune. Ces volatiles possèdent une valeur scientifique élevée et pourraient modifier les stratégies pour une activité humaine durable sur la Lune. Cependant, l’échantillonnage de ces dépôts extrêmement froids, leur retour sur Terre et l’interprétation de leur enregistrement volatil posent des défis majeurs pour le programme Artemis. Les volatiles dans ces réservoirs pourraient inclure diverses espèces dont les caractéristiques isotopiques stables pourraient éclairer leurs sources et les processus de formation. Par exemple, le δD des contributeurs potentiels à ces dépôts peut être utilisé pour identifier une composante légère unique du vent solaire. En raison des températures exceptionnellement basses de ces dépôts volatils, l’examen et l’interprétation de leurs systèmes isotopiques stables pour atteindre les objectifs scientifiques d’Artemis à travers l’échantillonnage, la préservation, la curation et l’analyse de ces échantillons sont bien plus difficiles que pour d’autres missions de retour d’échantillons. La collecte et la préservation des échantillons à des températures cryogéniques augmentent considérablement le rendement scientifique, mais sont technologiquement exigeantes et posent des risques accrus lors du transport.

Source de l’article

Cet article a été rédigé par Charles K. Shearer, Zachary D. Sharp et Julie Stopar, respectivement de l’Institute of Meteoritics, du Center of Stable Isotopes de l’University of New Mexico et du Lunar and Planetary Institute. L’article a été publié le 16 décembre 2024 dans la revue PNAS sous le titre “Exploring, sampling, and interpreting lunar volatiles in polar cold traps”.

Processus et résultats de la recherche

1. Mécanismes de piégeage des volatiles de surface lunaire

Les pôles lunaires sont des environnements uniques où la topographie et l’angle solaire se combinent pour créer des zones ultra-froides favorables à la rétention à long terme des volatiles près de la surface, ainsi qu’à la formation de dépôts de surface métastables. Les objectifs scientifiques clés des missions Artemis et des missions de surface au pôle sud incluent l’étude des emplacements, compositions, âges, sources, mécanismes de piégeage, mécanismes de perte, cycles de dépôt et de perte, distribution et volumes des volatiles, ainsi que les interactions et processus chimiques se produisant dans le régolithe et les zones proches de la surface contenant des volatiles. Ces investigations seront probablement réalisées à travers des mesures in situ à la surface ainsi que par le retour d’échantillons.

2. Régions en permanence à l’ombre (PSRs)

Les PSRs sont des zones sans illumination solaire directe, ce qui entraîne des températures de surface très basses, parfois inférieures à 40 K. Les PSRs dépendent fortement de la topographie et se trouvent principalement dans les cratères des pôles lunaires. Les basses températures dans de nombreuses PSRs polaires permettent à diverses espèces volatiles, comme la glace d’eau et la glace de CO2, d’être retenues sur des échelles de temps relativement longues. Les PSRs non polaires sont trop chaudes pour être des pièges froids persistants pour les volatiles.

3. Régions temporairement à l’ombre (TSRs)

Les TSRs reçoivent une illumination solaire partielle de manière temporaire ou saisonnière. Comme les PSRs, les TSRs peuvent se trouver en dehors des régions polaires, comme sur la face nocturne ou à proximité de rochers. Cependant, aux pôles, l’élévation solaire continuellement basse entraîne de nombreuses zones ombragées. Ces ombres sont fortement influencées par la forme du terrain environnant et leurs positions varient dans le temps. Seules quelques zones près des pôles reçoivent une illumination pendant plus de 50 % du temps.

4. Régions de stabilité de la glace (ISRs)

Une ISR est une région où les températures sont suffisamment basses pour qu’une phase volatile particulière persiste pendant de longues durées. Sur la Lune, une ISR est une zone où les températures sont d’environ 100 K ou moins, suffisamment froides pour préserver la glace d’eau sur une échelle de temps de millions d’années. Une ISR peut se trouver à la surface de la Lune ou en profondeur dans le régolithe. Bien qu’une ISR puisse théoriquement abriter de la glace d’eau, des mesures et observations supplémentaires sont nécessaires pour déterminer si de la glace d’eau est réellement présente.

5. Âge des volatiles

L’histoire de formation et l’âge des dépôts de volatiles sont pertinents pour de nombreux objectifs scientifiques concernant les sources d’eau dans le système solaire. Plusieurs études suggèrent que les ISR polaires et la persistance de toute glace en leur sein ont varié dans le temps, certaines zones pouvant préserver des dépôts plus importants dans le sous-sol. Pour que la glace ancienne persiste, elle doit être protégée par des éjectas d’impact ou du régolithe, sinon des mécanismes de perte et de destruction, tels que l’augmentation de la température et de l’illumination, ainsi que l’exposition ou la destruction par les cratères d’impact, l’altération spatiale et le bombardement continu, se produiront.

6. Interactions entre les volatiles et le régolithe

Bien que la présence de glace d’eau en surface ait été proposée pour certaines régions polaires et PSRs, et qu’une couche mondiale d’eau métastable (spécifiquement OH) ait été détectée, la glace d’eau est considérée comme beaucoup plus stable et durable si elle est enterrée sous au moins une fine couche de régolithe pour la protéger et l’isoler. Les variations de température ou les différences entre la surface et le sous-sol peuvent entraîner divers processus, notamment le piégeage et les pièges froids, la diffusion et les réactions chimiques, ou les processus chimiques tels que la perte de protons et l’oxydation. Les volatiles de surface sont également sujets à des modifications par le rayonnement, l’afflux de vent solaire, et les changements d’illumination et de température dans le temps.

7. Sources des volatiles lunaires et caractéristiques isotopiques stables

Ces environnements lunaires mentionnés précédemment pourraient enregistrer les contributions volatiles à la surface lunaire. La composition isotopique de l’eau et d’autres volatiles fournit une empreinte digitale de leurs sources et du moment de leur contribution. Pour discuter de l’eau en termes de sources et d’abondance lunaires, il est nécessaire de définir l’eau telle qu’elle s’applique à la Lune. L’eau moléculaire (sous forme de glace) est susceptible de se trouver dans les PSRs des pôles, provenant de comètes, de chondrites hydratées ou du vent solaire, et peut-être sous forme de H2O adsorbé sur les surfaces minérales. D’autres “soi-disant” eaux existent sous forme de traces d’hydroxyle (OH−) dans des minéraux comme l’apatite, le feldspath ou le verre, ou sous forme de H+ ou OH− résultant du bombardement du régolithe lunaire par le vent solaire.

8. Stratégies de collecte des volatiles lors des activités de surface du programme Artemis

La collecte, la préservation, la curation et l’allocation d’échantillons riches en volatiles froids évolueront au cours du développement du programme Artemis. Il est probable qu’Artemis III aura des capacités d’échantillonnage de volatiles similaires à celles du programme Apollo. Pendant le programme Apollo, des échantillons spéciaux ont été isolés de la cabine de l’équipage et de l’atmosphère terrestre à l’aide de divers conteneurs d’échantillons. Ces conteneurs ont été scellés à la surface de la Lune à l’aide d’un joint en indium (90 % d’indium, 10 % d’argent) pressé dans un bord en acier inoxydable du tube d’échantillon. Ces joints ont fonctionné avec des degrés de succès variables. Pour Artemis III, les échantillons placés dans des conteneurs scellés contiendront du régolithe avec un pourcentage attendu plus élevé de volatiles. Cela a des implications profondes pour la préservation de la stratigraphie du régolithe, les interactions entre les volatiles et le régolithe, et potentiellement pour la sécurité de l’équipage.

Conclusion

Le régolithe riche en volatiles associé aux PSRs, TSRs et ISRs fournit des cibles d’échantillonnage importantes pour les futures missions humaines sur la Lune (Artemis). L’intégration des observations en orbite, à la surface et des échantillons retournés au laboratoire répondra à de nombreuses questions scientifiques fondamentales concernant la nature des réservoirs de volatiles sur la Lune et l’origine de ces réservoirs. Les isotopes stables des différents composants volatiles capturés dans ces pièges froids fournissent une empreinte digitale de leur origine. Cependant, il existe de nombreux problèmes de masse, de technologie et de sécurité pour récupérer ces informations. D’une part, la collecte, la préservation, la curation et l’analyse des échantillons dans les conditions extrêmes des grandes PSRs constituent un grand défi technologique. D’autre part, le retour des échantillons dans des conditions ambiantes est un défi pour la science fondamentale préconisée pour explorer ces environnements. Il existe des solutions potentielles pour améliorer les informations récupérées à partir de ces échantillons. L’utilisation de technologies déjà documentées dans les activités de l’ISS pourrait préserver une science significative si les sites de sélection des échantillons sont stratégiquement identifiés. Le simple fait de maintenir les échantillons juste en dessous du point de congélation de H2O (à une atmosphère) réduirait la valeur scientifique potentielle des échantillons Artemis retournés.

Points forts de la recherche

1. Découverte importante : Les dépôts de volatiles des pôles lunaires ont une valeur scientifique élevée et pourraient modifier les stratégies pour une activité humaine durable sur la Lune.
2. Innovation méthodologique : Cet article explore en détail les défis techniques et les solutions pour l’échantillonnage, la préservation et l’analyse des volatiles lunaires à des températures extrêmement basses.
3. Spécificité de l’objet d’étude : Les régions en permanence à l’ombre et les régions de stabilité de la glace des pôles lunaires sont des environnements uniques, offrant des opportunités précieuses pour étudier les sources et l’évolution de l’eau dans le système solaire.

Signification et valeur de la recherche

Cette étude fournit non seulement une base scientifique pour le programme Artemis, mais offre également des directives techniques pour l’échantillonnage et la préservation des volatiles lors des futures missions lunaires. À travers une étude approfondie des volatiles des pôles lunaires, nous pouvons mieux comprendre les sources et l’évolution de l’eau dans le système solaire, soutenant ainsi une activité humaine durable sur la Lune.