Maanoppervlak bevat waarschijnlijk veel meer water dan werd gedacht

Met twee nieuwe onderzoeken is geprobeerd het raadsel van de watercyclus op de maan op te lossen – en wordt vooruitgekeken naar een belangrijke hulpbron voor toekomstige astronauten.

Gepubliceerd 28 okt. 2020 12:10 CET, Geüpdatet 5 nov. 2020 06:20 CET
In een tweetal nieuwe studies presenteren wetenschappers nieuwe antwoorden op de vraag hoeveel water het maanoppervlak ...

In een tweetal nieuwe studies presenteren wetenschappers nieuwe antwoorden op de vraag hoeveel water het maanoppervlak bevat en op welke plekken dat water zich zou kunnen bevinden.

Foto van NASA/GSFC/Arizona State University

Jarenlang hebben wetenschappers geprobeerd het mysterie rond de aanwezigheid van water op de maan op te lossen. In twee nieuwe studies die in het tijdschrift Nature Astronomy zijn verschenen, wordt nu bevestigd dat overal op het hele maanoppervlak water voorkomt.

In een van de twee studies is het eerste definitieve bewijs gepresenteerd voor de aanwezigheid van watermoleculen, die in zonovergoten gedeelten van het maanoppervlak op en binnenin zandkorreltjes van de maanbodem zijn aangetroffen. In de tweede studie zijn grotere maar ook minuscule zones op de maan in kaart gebracht die permanent in de schaduw blijven. Van deze zones is in totaal zo’n 40.000 vierkante kilometer (ongeveer zes miljoen voetbalvelden) koud genoeg om de aanwezigheid van ijs mogelijk te maken – ongeveer twintig procent méér dan tot nu toe werd aangenomen.

Door te onderzoeken welke vormen van water op het maanoppervlak aanwezig zijn en waar dat water voorkomt, hopen de wetenschappers meer inzicht te krijgen in de raadselachtige watercyclus op de maan. Anders dan op aarde, waar water in rivieren en via neerslag circuleert, ontstaat het water op de maan waarschijnlijk bij de reactie van het waterstofgas in de zonnewind met de zuurstof in de maanbodem. Daarnaast is het water afkomstig van ijshoudende meteorieten die op de maan zijn ingeslagen. Het maanwater kan zich ook van zonniger naar schaduwrijke gedeelten hebben verplaatst.

Maar de details van deze waterverplaatsingen en vooral het watertransport van zonniger naar schaduwrijker zones zijn nog altijd een mysterie. “We moeten nog veel werk verzetten voordat we begrijpen hoe dit alles met elkaar verband houdt,” zegt Jessica Sunshine, een planetologe van de University of Maryland die bij geen van beide nieuwe onderzoeken was betrokken. Het nieuwe onderzoek “wijst op een veel complexer proces dan we ons eerder hadden voorgesteld.”

Dit onderzoek is van groot belang voor toekomstige bemande reizen naar de maan en verder, waaronder de komende Artemis-missie van de NASA, waarbij de eerste vrouw en eerstvolgende man voet op de maan moeten zetten. De aanwezigheid van water en ijs roept de mogelijkheid op dat deze hulpbron kan worden aangeboord en tot brandstof kan worden verwerkt, zodat toekomstige ruimtevaarders op hun buitenaardse reizen minder vracht hoeven mee te nemen.

De nieuwe inzichten in de watercyclus op de maan brengen langzamerhand een verschuiving op gang in de denkbeelden over de satelliet van de aarde. Ooit werd gedacht dat het maanoppervlak een uitgedroogd landschap was, maar deze dynamische wereld blijkt bezaaid te zijn met water in complexe verbindingen en reservoirs.

“Het is een langzame revolutie geweest,” zegt Paul Hayne, planetoloog aan de University of Colorado in Boulder en hoofdauteur van het onderzoek naar schaduwzones op de maan. “Maar het was niettemin een revolutie.”

Waterwereld

Er zit water in de maan - en zelfs meer dan eerst werd gedacht

Op de maan kan het zowel extreem heet als extreem koud worden. Overdag kan de temperatuur rond de evenaar opklimmen tot een ziedende 121 graden Celsius, terwijl ze ’s nachts kan dalen tot een ijzige –133 graden. En zonder een dichte atmosfeer kan verdampt water snel naar de ruimte ontsnappen.

Tot verrukking van wetenschappers lijkt ook het door de zon verlichte maanoppervlak sporen van water te bevatten. De ontdekking van dat water, die in 2009 bekend werd gemaakt, werd bevestigd door instrumenten aan boord van drie ruimtesondes, maar er was één probleem: in de analyses kon geen onderscheid worden gemaakt tussen water en hydroxyl.

De onderzoekers zochten in infrarood licht naar de handtekening van water op het maanoppervlak. Zoals zichtbaar licht door een prisma in zijn verschillende kleuren wordt opgesplitst, zo kent “infrarood zijn eigen regenboog, ook al kunnen we die niet zien,” zegt Casey Honniball, postdoctoraal-onderzoeker aan het Goddard Space Flight Center van de NASA en hoofdauteur van de studie naar moleculair water. In de eerdere analyses richtte men zich op een deel van het infraroodspectrum waar zowel water als hydroxyl oplicht. Maar door een ander segment van het spectrum te kiezen, wisten Honniball en haar collega’s uitsluitend op de zones met water in te zoomen.

“Ik weet eerlijk gezegd niet waarom ik daar niet eerder op ben gekomen – want het is een briljant idee,” zegt Sunshine, die meewerkte aan de detectie van de watersignalen in 2009.

Voor het nieuwe onderzoek maakten Honniball en haar collega’s gebruik van gegevens die in 2018 werden vergaard tijdens een vlucht met SOFIA (het Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy), een infraroodtelescoop die in een jumbojet is geïnstalleerd. Enkele maanden later was Honniball thuis in alle rust bezig met de bewerking van de gegevens toen ze op het watersignaal stuitte. “Ik denk dat ik heb gegild,” zegt zij.

Hoewel er dus water op de maan aanwezig is, gaat het om relatief kleine hoeveelheden: ongeveer 340 gram per kubieke meter maanaarde. Dat is honderdmaal droger dan de bodem van de Sahara, zegt Honniball, hoewel ze waarschuwt dat er nog meer onderzoek gedaan moet worden om het percentage aan water te bevestigen, aangezien de schatting op slechts één observatie op één locatie en op één tijdstip van de lunaire dag berust.

Voor Sunshine is het niettemin een bevestiging die lang op zich heeft laten wachten. “Het is zeer bevredigend,” zegt zij. “Ik ben heel dankbaar dat ze dit werk hebben gedaan.”

In de schaduw

In het tweede onderzoek is gekeken naar spleten en scheuren op het maanoppervlak die permanent in de schaduw blijven. Al langere tijd vermoedden wetenschappers dat water in de vorm van ijs voorkwam in gedeelten van grote kraters die permanent in de schaduw liggen. De aanwezigheid van ijs op dat soort plekken werd in oktober 2009 bevestigd toen de NASA een deel van het ruimtevaartuig LCROSS in de buurt van de noordpool van de maan liet neerstorten, in een zone die permanent in de schaduw ligt. In het gruis dat door de inslag werd opgeworpen, werd waterijs gedetecteerd.

Sindsdien hebben onderzoekers deze ijzige gebieden in kaart gebracht. Maar toen het onderzoekteam van de nieuwe studie zich boog over hoogwaardige foto’s van het maanoppervlak die door de Lunar Reconnaissance Orbiter van de NASA zijn gemaakt, besefte het dat de maan veel meer schaduwzones telt dan werd aangenomen, ook op heel kleine schaal. Telkens wanneer ze op de foto’s inzoomden, zagen ze meer van deze minuscule schaduwzones: “Overal waar je kijkt zie je schaduwen,” zegt Hayne.

Door een computermodel te maken van de temperaturen en schaduwen op het maanoppervlak ontdekte het team dat ijs zich ook op zeer kleine schaal kon vormen, in stukjes maanbodem ter grootte van een mier. Deze minuscule schaduwzones kunnen net zo koud worden als grotere reservoirs, zegt Hayne. De atmosfeer van de maan is zó ijl dat temperatuurverschillen aan de oppervlakte niet worden ‘gladgestreken’, zoals op aarde, waardoor een kokend hete zone pal naast een zone kan liggen waar het honderden graden vriest.

Uit het nieuwe onderzoek komt naar voren dat het totale oppervlak dat deze ijskoude schaduwzones beslaan, ongeveer twintig procent groter is als voorheen werd geschat. Als al deze zones water in de vorm van rijp of ijs bevatten, dan dat zou dat neerkomen op de aanwezigheid van miljarden kilo’s water, aldus Hayne. De vraag hoeveel puur ijs er op de maan aanwezig is, is evenwel nog niet beantwoord.

Langzame revolutie

Al deze studies helpen wetenschappers bij het begrijpen van de watercyclus op de maan. Het water op de maan is afkomstig uit drie verschillende bronnen. Een deel ervan is er samen met meteorieten ingeslagen, maar een ander deel wordt gevormd als waterstof in de zonnewind reageert met zuurstof in de maanbodem en er hydroxyl ontstaat. Door de warmte van de zon of door inslagen van micrometeorieten kunnen hydroxylmoleculen samengaan tot H2O, legt Honniball uit.

De warmte die ontstaat bij de inslag van micrometeorieten, kan kleine stukjes van het rotsachtige oppervlak doen smelten en al het water in de buurt doen verdampen. Terwijl het gesmolten gesteente weer afkoelt tot glas, zou er ook waterdamp ingesloten kunnen raken – oftewel de watermoleculen die zorgen voor het signaal dat Honniball en haar team hebben gedetecteerd.

Hoeveel water er precies op het maanoppervlak aanwezig is, blijft voorlopig een raadsel. Een deel van het water zou kunnen vrijkomen bij inslagen van meteorieten, terwijl ook het invallende zonlicht een rol speelt, aangezien het signaal voor water en dat voor hydroxyl minder sterk wordt als de zonnewarmte overdag het hoogst is, zegt Sunshine. “Raken we dat water echt kwijt of bevriest het weer in een of andere schaduwzone?” vraagt ze zich af. “Deze koudevallen op heel kleine schaal zouden ons meer inzicht in de watercyclus kunnen geven.”

Er is nog veel dat wetenschappers niet weten over het water op de maan, maar binnenkort zullen ze nieuwe kennis kunnen vergaren. In 2022 is de NASA van plan om de ‘Volatiles Investigating Polar Exploration Rover’ of ‘VIPER’ naar de zuidpool van de maan te sturen, waar het robotvaartuig op zoek zal gaan naar waterijs. Andere antwoorden komen misschien van het ‘Lunar Compact Infrared Imaging System’ of ‘L-CIRIS’, dat eveneens in 2022 zal worden gelanceerd.

Wetenschappers breken zich op z’n minst al sinds de jaren zestig het hoofd over de aanwezigheid van water op de maan, maar als alles goed gaat, zullen ze in de komende jaren een vollediger beeld ontwikkelen van plekken op de maan waar het water ligt verscholen en antwoord krijgen op de vraag of we dat water kunnen gebruiken voor de ondersteuning van toekomstige ruimtereizigers.

Dit artikel werd oorspronkelijk in het Engels gepubliceerd op NationalGeographic.com

Lees meer