La fragilitat de les roques lunars

Es parla molt d’establir futures bases a la Lluna i a Mart, així com de minimitzar els recursos transportats des del nostre planeta per a l’exploració espacial. En aquest context, sorgeix el concepte de la utilització de recursos in situ (en anglès: In-Situ Resource Utilization, ISRU), segons el qual es proposa la recollida, el processament, l’emmagatzematge i la utilització de materials trobats o fabricats en altres cossos astronòmics (la Lluna, Mart, asteroides, etc.) que substitueixen els materials que, d’altra manera, serien portats de la Terra.

Tanmateix, perquè es puguin desenvolupar aquestes tècniques ISRU primer cal conèixer i estudiar les propietats dels materials que trobarem en aquests cossos planetaris que resten per explorar.

Actualment ja podem caracteritzar amb precisió la composició química i mineralògica de les roques que formen aquests cossos, fins i tot, de manera remota, perquè diversos orbitadors ens han permès conèixer la natura a gran escala de les roques que formen la Lluna.

Tanmateix, hi ha dificultats afegides que cal tenir en compte per poder determinar les propietats d’aquestes roques, com a conseqüència de les condicions extremes de l’espai.

La primera és l’absència d’atmosfera, que afegeix una complexitat evident per a les roques de la Lluna, el nostre primer objectiu a curt termini, com també per a les dels asteroides majors com ara Ceres o Vesta, que podrien ser els següents, a banda de Mart, que té una atmosfera tènue.

La segona dificultat és que aquests cossos planetaris sense atmosfera han estat bombardejats al llarg dels eons de manera contínua tant per petites partícules (meteoroides) com per roques més grans d’un metre (asteroides), que en el cas de les últimes han estat capaces d’excavar cràters a la superfície i, fins i tot, llançar algunes roques lunars en òrbita solar. A més, moltes roques superficials acaben sent bretxes d’impacte (Fig. 1), amb components alterats tèrmicament.

Figura 1. Mosaic d’una làmina de la bretxa regolítica NWA 2700 en la col·lecció de l’Institut de Ciències de l’Espai del CSIC. Exemplifica a la perfecció la complexitat de les bretxes lunars, un tipus important de roques que es produeixen en successius impactes per la compactació de la regolita lunar - Imatge: Josep M. Trigo (CSIC-IEEC)

Per últim, la superfície dels cossos sense atmosfera resta sotmesa a l’influx del vent solar i de la radiació còsmica que afecten les roques a nanoescala.

En definitiva, tots aquests processos, que s’agrupen sota el terme erosió espacial (en anglès: space weathering), tenen profundes implicacions sobre les propietats d’aquestes roques.

Les propietats mecàniques de les roques lunars

Des del Grup de Meteorits, Cossos Menors i Ciències Planetàries del CSIC-IEEC, en col·laboració amb el grup del professor Jordi Sort de la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB), hem liderat el treball amb l’objectiu de fer una anàlisi composicional i de les propietats mecàniques de diverses roques lunars arribades a la Terra com a meteorits.

Per dur-ho a terme, hem fet servir una tècnica de nanoindentació de meteorits lunars que vam utilitzar fa uns anys de manera pionera per estudiar les propietats mecàniques de meteorits, per la qual i mitjançant una sèrie d’experiments fem proves mecàniques dels diversos minerals que formen aquestes roques a microescala.

La nanoindentació és una tècnica capaç d’aplicar una força amb gran precisió, mitjançant una punta de diamant en forma piramidal. En aquest procés, la força controlada s’aplica en àrees específiques i localitzades, la composició de les quals determinem. L’indentador exerceix pressió en la superfície a mesura que la força augmenta gradualment fins a un valor màxim predeterminat. Posteriorment, després de la fase de càrrega, la força es redueix sistemàticament a zero, i la superfície es retarda fins a cert punt a causa de la seva elasticitat. D’aquesta manera, estudiant aquest cicle de càrrega-descàrrega (Fig. 2), l’instrument mesura la profunditat de penetració i dedueix la plasticitat de la mostra. De l’estudi d’aquestes corbes de càrrega en funció de la profunditat es poden inferir tant els mecanismes de deformació (elàstics o plàstics) com l’anomenada recuperació elàstica.

Figura 2. Sobre una gràfica típica d’una nanoindentació, es mostra un mosaic del meteorit lunar Dhofar 1084, provinent de la Lluna (a baix esquerra.). El requadre blau mostra la seva estructura a escala nanomètrica. A la cantonada inferior dreta, el nanoindentòmetre i la punta piramidal amb què exerceix una pressió sobre el material concret (en blau) - Imatge: Eloy Peña Asensio (CSIC-IEEC)

El nostre treball amb meteorits lunars ha revelat l’heterogeneïtat intrínseca en els principals atributs mecànics, particularment pel que fa als minerals més comuns a la Lluna i a Vesta: olivines, piroxens, feldespats i espinel·les, tot i que mostrin característiques composicionals i mecàniques similars.

A més, cal tenir en compte que bona part de les roques formatives de la Lluna i de Vesta han estat exposades a col·lisions, atès que són cossos sense atmosfera. En aquest sentit, els nostres estudis apunten que aquests sobtats i energètics processos solen fragmentar, bretxificar i incrementar la porositat natural dels seus minerals constitutius.

Encara que pugui sorprendre’ns, que la Lluna estigui formada per minerals comuns a la Terra no significa que les seves propietats mecàniques siguin idèntiques. El mateix podríem dir de la composició d’aquests minerals, tenint en compte les condicions extremes a què estan subjectes, que són capaces d’introduir impureses a causa de l’erosió espacial.

El nostre estudi revela, per exemple, que les roques de la Lluna i de Vesta tenen més porositat que les terrestres i que aquest paràmetre és clau per interpretar correctament les característiques mecàniques d’aquestes roques.

Properament, aquest estudi es publicarà en portada a la prestigiosa revista Meteoritics & Planetary Science, que ara podeu llegit prepublicat a ArXiv.

L’aplicació d’aquests estudis a d’altres mons

Òbviament les nostres troballes tenen implicacions directes per al desenvolupament de noves tècniques ISRU. Al seu torn, són rellevants per comprendre millor la manera com es produeix l’excavació de cràters i com algunes d’aquestes roques són impulsades a hipervelocitat, amb la qual cosa aconsegueixen vèncer el camp gravitatori d’aquests cossos planetaris i esdevenir, doncs, a òrbites heliocèntriques.

D’altra banda, la caracterització mecànica de les roques que formen aquests cossos planetaris serà útil per abordar investigacions in situ o, fins i tot, per abordar de manera rigorosa els reptes i les oportunitats que planteja la mineria espacial. Els entorns als quals ens enfrontarem ja van quedar exemplificats pels que van trobar els astronautes de les missions Apollo (Fig. 3).

Figura 3. El vehicle lunar itinerant de la missió Apollo 16 en un vessant muntanyós, a prop del lloc d’aterratge del cràter Descartes - Imatge: NASA

La majoria dels minerals analitzats, en particular olivines, feldespats, piroxens, i espinel·les, tenen característiques composicionals i mecàniques similars. No obstant això, les olivines d’origen terrestre tenen més duresa en relació amb les olivines d’origen lunar. El nostre treball exemplifica la importància de dur a terme més estudis, particularment tenint en compte la porositat i l’estructura cristal·lina, per quantificar millor aquestes característiques mecàniques.

Tot això té rellevància per fer possible els processos de compactació i sinterització que permetran, per exemple, crear materials de construcció més robustos i duradors en aquests entorns extrems. Les roques que trobem a la superfície lunar semblen ser més fràgils del que pensàvem.

I quina finalitat té tot plegat? Doncs no hem d’oblidar que la creació d’infraestructures sostenibles, tant hàbitats, carreteres com altres estructures vitals essencials per a la presència humana a llarg termini a la Lluna o a Mart, requerirà identificar els millors materials per aconseguir-ho, a banda de molta energia per transformar aquests materials. Nous reptes per a una humanitat que, a poc a poc, es farà multiplanetària.