Φυσικές στοιβάδες γραφενίου, ενός εξαιρετικά ανθεκτικού και αγώγιμου υλικού, εντοπίστηκαν για πρώτη φορά σε δείγματα σεληνιακής σκόνης που συνέλεξε η κινεζική αποστολή Chang’e-5, φέρνοντας νέα δεδομένα στην κατανόηση της σύστασης και της γεωλογικής ιστορίας της Σελήνης.
Η έρευνα, που δημοσιεύτηκε στην επιστημονική επιθεώρηση National Science Review, παρουσιάζει τη φασματοσκοπική ταυτοποίηση πολυστρωματικού γραφενίου, ενός πλέγματος άνθρακα πάχους δύο έως δέκα ατόμων, μέσα σε κόκκους σεληνιακού εδάφους από την περιοχή Oceanus Procellarum.
Ο καθηγητής Wei Zhang από το Πανεπιστήμιο Jilin, επικεφαλής της μελέτης, δήλωσε ότι η ανακάλυψη αυτή «ενδέχεται να επαναπροσδιορίσει τις θεωρίες για τη γέννηση της Σελήνης και να επηρεάσει τον σχεδιασμό μελλοντικών αποστολών και υποδομών στο φεγγάρι».
Γιατί έχει σημασία ο άνθρακας στη Σελήνη
Οι πρώτες αποστολές Apollo δεν εντόπισαν σημαντικές ποσότητες άνθρακα, οδηγώντας για δεκαετίες στην επικρατούσα θεωρία ότι η Σελήνη σχηματίστηκε από μια γιγαντιαία πρόσκρουση που «έκαψε» όλα τα πτητικά στοιχεία - και άρα ήταν φτωχή σε άνθρακα.
Ωστόσο, αυτή η άποψη αμφισβητείται όλο και περισσότερο μετά το 2020, όταν το ιαπωνικό διαστημόπλοιο Kaguya εντόπισε ίχνη άνθρακα σχεδόν σε όλη την επιφάνεια της Σελήνης.
Ο άνθρακας είναι στοιχείο-κλειδί για τη χημεία ηφαιστείων, αλλά και για πιθανή παραγωγή καυσίμων ή αναπνεύσιμων αερίων, επομένως, η παρουσία του ανατρέπει όχι μόνο θεωρητικές απόψεις, αλλά και τον τεχνικό σχεδιασμό σεληνιακών υποδομών.
Μέχρι σήμερα, τα σχέδια για εργοστάσια παραγωγής οξυγόνου στη Σελήνη αγνοούσαν τον άνθρακα. Πλέον, ανοίγει ο δρόμος για εγκαταστάσεις που αξιοποιούν το έδαφος για παραγωγή πλαστικών ή αερίων υποστήριξης ζωής, απαραίτητων για μόνιμους σεληνιακούς οικισμούς.
Πώς βρέθηκε το γραφένιο στο σεληνιακό χώμα
Η αποστολή Chang’e-5 μετέφερε στη Γη περίπου 1,7 κιλά σεληνιακής σκόνης. Οι Κινέζοι επιστήμονες χρησιμοποίησαν φασματοσκοπία Raman με λέιζερ για να αναλύσουν μικροσκοπικά δείγματα χωρίς να τα καταστρέψουν.
Η ανάλυση αποκάλυψε χαρακτηριστικές φασματικές υπογραφές (G και 2D ζώνες), που υποδεικνύουν στρώσεις γραφίτη υψηλής ποιότητας και κατ’ επέκταση γραφενίου. Επιπλέον, οι απεικονίσεις υψηλής ανάλυσης έδειξαν στοίχιση από 2 έως 7 στρώσεις άνθρακα, σε αποστάσεις περίπου 0,35 νανομέτρων, αντίστοιχες με τον φυσικό γραφίτη στη Γη.
Μικροσκοπικά σωματίδια σιδήρου εντοπίστηκαν δίπλα στις στρώσεις άνθρακα, υποδεικνύοντας ότι καταλυτικές διεργασίες σε σύντομες θερμικές εκρήξεις ενδεχομένως οδήγησαν στον σχηματισμό του γραφενίου, μία διαδικασία που παρατηρείται και σε μετεωρίτες.
Το σεληνιακό περιβάλλον, λόγω της απουσίας ατμόσφαιρας, εκτίθεται διαρκώς σε ιονισμένα σωματίδια του ηλιακού ανέμου, τα οποία μπορούν να διασπούν δεσμούς και να θερμαίνουν στιγμιαία τη σκόνη πάνω από τους 1.000°C.
Οι ερευνητές εκτιμούν ότι το γραφένιο σχηματίστηκε όταν άνθρακας από τον ηλιακό άνεμο προσκολλήθηκε σε ζεστή, πλούσια σε σίδηρο σκόνη και σταδιακά διατάχθηκε σε στρώσεις.
Η περιοχή Oceanus Procellarum θεωρείται ηφαιστειακά ενεργή στο παρελθόν, κάτι που ίσως διατήρησε θερμές τις συνθήκες για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα, ενισχύοντας έτσι τον σχηματισμό πολυστρωματικού γραφενίου.
Το εργαστηριακό δεδομένο ότι γραφένιο μπορεί να σχηματιστεί σε σίδηρο ήδη από τους 400°C υποστηρίζει τη θεωρία φυσικής παραγωγής του υλικού σε σεληνιακές συνθήκες.
Επιπλέον, η ταυτόχρονη παρουσία αζώτου, θείου και μολυβδαινίου σε ορισμένους κόκκους υποδηλώνει περίπλοκη χημική ιστορία και όχι ένα μοναδικό θερμικό συμβάν, αφήνοντας ανοιχτό το ενδεχόμενο να διατηρείται χρονολογικό "μωσαϊκό" διαφορετικών διεργασιών.
Επανεξετάζοντας τη θεωρία
Η κλασική θεωρία της γέννησης της Σελήνης υποστηρίζει ότι σχηματίστηκε από τα απομεινάρια μιας πρόσκρουσης ανάμεσα στη Γη και ένα ουράνιο σώμα μεγέθους Άρη, περίπου πριν από 4,5 δισεκατομμύρια χρόνια.
Όμως, η παρουσία γραφενίου σε νεαρά βασαλτικά πετρώματα αμφισβητεί την άποψη ότι η Σελήνη είναι φτωχή σε άνθρακα, καθώς προϋποθέτει την επιβίωση ή μεταγενέστερη συσσώρευση του στοιχείου.
Εναλλακτικά σενάρια προτείνουν αργή δημιουργία της Σελήνης μέσω συσσωμάτωσης κοσμικής σκόνης πλούσιας σε άνθρακα ή επαναπροσκόλληση άνθρακα από τον ηλιακό άνεμο κατά την περίοδο ύπαρξης σεληνιακού "ωκεανού μάγματος".
Οι ερευνητές σημειώνουν ότι η Σελήνη μπορεί να συνεχίζει να «συλλέγει» άνθρακα, κάτι που αλλάζει ριζικά τις υποθέσεις για τη γεωχημική της εξέλιξη.
Προοπτικές αξιοποίησης σε σεληνιακές αποστολές
Το γραφένιο, ως εξαιρετικά ανθεκτικό και αγώγιμο υλικό, αποτελεί πολύτιμο πόρο για τη δημιουργία μελλοντικών υποδομών στη Σελήνη. Εφαρμογές περιλαμβάνουν θωρακίσεις κατά της ακτινοβολίας, ηλεκτρόδια για υπερπυκνωτές και φίλτρα νερού σε αυτόνομες βάσεις.
Καθώς το υλικό φαίνεται να συνυπάρχει με σίδηρο, είναι πιθανό να αξιοποιηθεί με μεθόδους μαγνητικού διαχωρισμού και υπερήχων, χωρίς να απαιτείται μεταφορά ευαίσθητου εξοπλισμού από τη Γη.
Η τοπική παραγωγή ή εξαγωγή γραφενίου θα μπορούσε να μειώσει σημαντικά το κόστος υλικών όπως τα ανθρακονήματα ή τα πολυμερή, ενώ η έρευνα της ομάδας Zhang συνεχίζεται, για να αξιολογηθεί η μηχανική και θερμική ποιότητα των φυσικών δειγμάτων.
Κάθε νέο δεδομένο ενισχύει τη διεθνή προσπάθεια για ένα πολυεθνικό πρόγραμμα επιστροφής δειγμάτων, που θα χαρτογραφήσει τον άνθρακα σε τρεις διαστάσεις.
