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Un pequeño grano de polvo lunar, un gran salto adelante para los estudios lunares

Estudiar el suelo de la superficie de la luna da a los científicos información sobre una importante fuerza dentro de nuestro Sistema Solar: la meteorización espacial

En 1972, la NASA envió su último equipo de astronautas a la Luna en la misión Apolo 17. Estos astronautas trajeron parte de la Luna a la Tierra para que los científicos pudieran continuar estudiando el suelo lunar en sus laboratorios. Como no hemos regresado a la Luna en casi 50 años, cada muestra lunar es preciosa. Necesitamos hacerlas valer para los investigadores ahora y en el futuro. En un nuevo estudio publicado en la revista Meteoritics & Planetary Science, los científicos encontraron una nueva forma de analizar la química del suelo de la Luna usando un solo grano de polvo. Su técnica puede ayudarnos a aprender más sobre las condiciones de la superficie lunar y la formación allí de recursos preciosos como el agua y el helio.

"Estamos analizando rocas del espacio, átomo por átomo", dice Jennika Greer, la primera autora del artículo y estudiante de doctorado en el Museo Field y la Universidad de Chicago. "Es la primera vez que una muestra lunar se estudia así. Estamos usando una técnica de la que muchos geólogos ni siquiera han oído hablar".

"Podemos aplicar esta técnica a muestras que nadie ha estudiado", añade Philipp Heck, conservador del Museo Field, profesor asociado de la Universidad de Chicago y coautor del artículo. "Está casi garantizado que encontrarás algo nuevo o inesperado. Esta técnica tiene una sensibilidad y resolución tan alta, que encuentras cosas que no encontrarías de otra manera y solo utilizas una pequeña parte de la muestra".

La técnica se llama tomografía de sonda atómica (APT), y es normalmente utilizada por los científicos de materiales que trabajan para mejorar los procesos industriales como la fabricación de acero y nanocables. Pero su capacidad para analizar pequeñas cantidades de materiales la convierte en un buen candidato para estudiar muestras lunares. La muestra del Apolo 17 contiene 111 kilogramos de rocas lunares y suelo..., no un montón, así que los investigadores tienen que utilizarlo sabiamente. El análisis de Greer solo requirió un solo grano de suelo, casi tan ancho como un cabello humano. En ese diminuto grano, identificó productos de la meteorización espacial, hierro puro, agua y helio, que se formaron a través de las interacciones del suelo lunar con el entorno espacial. La extracción de estos preciosos recursos del suelo lunar podría ayudar a los futuros astronautas a sostener sus actividades en la Luna.

Para estudiar el diminuto grano, Greer usó un rayo enfocado de átomos cargados para esculpir una diminuta y súper afilada punta en su superficie. Esta punta tenía solo unos pocos cientos de átomos de ancho; en comparación, una hoja de papel tiene cientos de miles de átomos de espesor. "Podemos usar la expresión nanocarpintería", dice Philipp Heck. "Como un carpintero da forma a la madera, lo hacemos en los minerales a escala nanométrica."

Una vez que la muestra estaba dentro de la sonda atómica de la Universidad de Northwestern, Greer la sometió a un láser para eliminar átomos uno por uno. A medida que los átomos salían volando de la muestra, chocaban con una placa detectora. Los elementos más pesados, como el hierro, tardan más en llegar al detector que los más ligeros, como el hidrógeno. Midiendo el tiempo entre el disparo del láser y el momento en que el átomo golpea el detector, el instrumento es capaz de determinar el tipo de átomo en esa posición y su carga. Finalmente, Greer reconstruyó los datos en tres dimensiones, usando un punto codificado con colores para cada átomo y molécula para hacer un mapa 3D a nanoescala del polvo lunar.

Es la primera vez que los científicos pueden ver tanto el tipo de átomos como su ubicación exacta en un trocito de suelo lunar. Si bien la APT es una técnica bien conocida en la ciencia de los materiales, nadie había intentado antes usarla para las muestras lunares. Greer y Heck animan a otros cosmoquímicos a probarla. "Es genial para caracterizar exhaustivamente pequeños volúmenes de muestras preciosas", dice Greer. "Tenemos estas misiones realmente emocionantes como Hayabusa-2 y OSIRIS-REx que regresarán a la Tierra pronto... naves espaciales sin tripulación recogiendo pequeños trozos de asteroides. Esta es una técnica que definitivamente debería aplicarse a lo que traigan de vuelta porque utiliza muy poco material pero proporciona mucha información".

Estudiar el suelo de la superficie de la luna da a los científicos información sobre una importante fuerza dentro de nuestro Sistema Solar: la meteorización espacial. El espacio es un entorno duro, con meteoritos diminutos, corrientes de partículas que salen del Sol y radiación en forma de rayos solares y cósmicos. Mientras que la atmósfera de la Tierra nos protege de la meteorización espacial, otros cuerpos como la Luna y los asteroides no tienen atmósfera. Como resultado, el suelo de la superficie lunar ha sufrido cambios causados por la meteorización espacial, haciéndolo fundamentalmente diferente de la roca de la que está compuesto el resto de la Luna. Es como un cucurucho de helado bañado en chocolate: la superficie exterior no coincide con lo que hay dentro. Con el APT, los científicos pueden buscar diferencias entre las superficies meteorizadas del espacio y la suciedad lunar no expuesta de una manera que ningún otro método puede. Entendiendo los tipos de procesos que hacen que estas diferencias ocurran, pueden predecir con más precisión lo que hay justo debajo de la superficie de lunas y asteroides que están demasiado lejos para traer a la Tierra.

Debido a que el estudio de Greer utilizó una punta de tamaño nanométrico, su grano original de polvo lunar todavía está disponible para futuros experimentos. Esto significa que las nuevas generaciones de científicos pueden hacer nuevos descubrimientos y predicciones a partir de la misma preciosa muestra. "Hace cincuenta años, nadie anticipó que alguien analizaría una muestra con esta técnica, y usando solo una pequeña parte de un grano", afirma Heck. "Miles de esos granos podrían estar en el guante de un astronauta, y sería material suficiente para un gran estudio".

Greer y Heck enfatizan la necesidad de misiones en las que los astronautas traigan muestras físicas debido a la variedad de terrenos en el espacio exterior. "Si solo analizas la meteorología espacial desde un lugar en la Luna, es como si solo analizaras la meteorología en la Tierra en una cordillera", dice Greer. Necesitamos ir a otros lugares y objetos para entender la meteorización espacial de la misma manera que necesitamos comprobar diferentes lugares en la Tierra como la arena en los desiertos y los afloramientos en las cadenas montañosas de la Tierra".

Aún no sabemos qué sorpresas podemos encontrar debido a la meteorización espacial. "Es importante entender estos materiales en el laboratorio para comprender lo que estamos viendo cuando miramos a través de un telescopio", dice Greer. "Debido a algo como esto, entendemos cómo es el entorno en la Luna. Va mucho más allá de lo que los astronautas son capaces de decirnos mientras caminan en la Luna. Este pequeño grano conserva millones de años de historia.

Los resultados de este estudio convencieron a la NASA de financiar al Museo Field y al equipo de Northwestern y a los colegas de Purdue durante los próximos tres años para estudiar diferentes tipos de polvo lunar con APT, para cuantificar su contenido de agua y para estudiar otros aspectos de la meteorización espacial.

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