La chimica della Luna: perché è così importante tornarci

Clatrati, elio-3, ilmenite e hapkeite. Questi gli ingredienti che rendono la Luna fondamentale per l'esplorazione spaziale e la nostra sopravvivenza sulla Terra

pubblicato il 31/01/2021 in Scienza e Tecnologia da Alfio Moscarella
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Alfio Moscarella

Conoscete Artemis? È il programma spaziale che ha l'obiettivo di far sbarcare un equipaggio di astronauti sul polo sud lunare entro il 2024. La confusione a questo punto dovrebbe essere molta. In effetti tra i media di settore si parla ancora del rover Perseverance, che atterrerà su Marte il prossimo 18 febbraio. Allora perché la Luna? A questa domanda può rispondere solamente la chimica del nostro Satellite, unica nel suo genere. Delle peculiarità del suolo lunare si accorsero già gli astronauti delle missioni Apollo, ma solo in seguito, dopo anni di studi sui campioni raccolti e osservazioni orbitali, siamo venuti a conoscenza dell'elio-3 (3He), il suo tesoro più prezioso. Si tratta di un isotopo dell'elio inesistente sulla Terra, che rappresenterebbe però una potentissima fonte di energia da impiegare sul nostro pianeta, e un'importante base per l'esplorazione planetaria. Una tonnellata di elio-3 può produrre 10 gigawatt di energia elettrica per un anno, e si ritiene che la totalità di questo isotopo lunare possa alimentare il fabbisogno energetico della Terra per almeno 1000 anni. I suoi utilizzi come propellente sono altrettanto importanti, non solo per l'energia che è in grado di sprigionare ma anche perché le particelle cariche come prodotto di fusione, possono essere controllate magneticamente per la propulsione di missili. Questo tesoro extraterrestre giace seppellito a più di 300.000 km dalla Terra, e il suo utilizzo sarà una chiave di volta per il futuro del genere umano. Cosa abbia portato l'elio-3 a nascere e conservarsi nel suolo lunare, e cosa ci permetta di estrarlo, è da ricercare nella straordinaria chimica del nostro satellite.

La composizione del suolo lunare è simile a quella della crosta terrestre, con diossido di silicio, ferro, calcio, alluminio, magnesio, titanio e gas nobili, ma è la combinazione di questi elementi a rendere unico il Satellite rispetto al nostro pianeta. La Terra è protetta da due grandi “scudi”, il campo magnetico e l'atmosfera. L'assenza di queste protezioni sulla Luna lascia la sua superficie esposta a vento solare e meteoriti. Infatti, quando il Sole brucia il suo idrogeno nelle reazioni di fusione nucleare, espelle degli elementi sotto forma di plasma, e l'insieme di questi viene chiamato “vento solare”, composto al 96% da idrogeno e al 4% da elio. La Luna è totalmente esposta a queste particelle ionizzate, e circa l'80% di ioni carichi elettricamente impatta sul suolo reagendo chimicamente con i suoi minerali. È proprio questo fenomeno il responsabile della creazione di elio-3 sul suolo lunare.

vento solare

Contemporaneamente, circa 25 milioni di micrometeoriti bombardano quotidianamente la Luna, alcune delle dimensioni di un centinaio di millesimi di millimetro (micron). Questi piccoli proiettili impattano sul suolo a velocità oscillanti tra i 40.000 e i 250.000 km/h, generando temperature che toccano i 3000°C. Questi impatti hanno colpito la superficie lunare per 4 miliardi di anni, polverizzando gli strati superiori di suolo fino a creare un velo omogeneo di sabbia.

Questo strato viene chiamato “regolite”, ed è il risultato della fusione di frammenti rocciosi, polvere e vetro, a sua volta generato dalla fusione del silicio, elemento costituente la maggior parte dei minerali. Inoltre, queste particelle vengono aggregate insieme a formare dei corpi agglutinati, tanti granuli di forma irregolare che rendono il suolo altamente poroso.

corpi agglutinati e sferette di vetro colpite da micrometeoriti

Sotto certi impatti ad alta energia, le sostanze che compongono i minerali lunari vaporizzano letteralmente e le molecole si scompongono nei loro costituenti elementari. Mentre sulla Terra questi elementi si ricombinerebbero con l'ossigeno atmosferico, sulla Luna questo non accade. Nel vuoto lunare, il ferro elementare (Fe0), in uno stato definito nanofase di ferro elementare (np-Fe0), ricondensa direttamente nei vetri nati dalla fusione dei silicati in seguito allo shock termico, dando origine a un minerale unico nel suo genere, l'hapkeite (Fe2Si). Le piccole particelle di ferro elementare costituiscono gran parte dei corpi agglutinati del regolite, e formano delle patine scure che lo rendono altamente magnetico.

nanofasi di ferro elementare su suolo lunare

Se il vento solare determina la creazione di elio-3, l'elevata porosità del suolo è responsabile della sua conservazione sul Satellite. L'elio-4 terrestre, formato dal decadimento radioattivo di uranio e torio, è uno dei pochi elementi con una velocità di fuga, ossia si sottrae costantemente alla nostra atmosfera perdendosi nello spazio. L'elio-3 non dovrebbe avere un comportamento diverso, ma qualcosa tende a trattenerlo sulla Luna. Essendo un gas nobile, l'elio non forma composti o legami chimici con altre molecole, ma può essere fisicamente intrappolato negli interstizi del regolite. Esiste infatti una stretta relazione tra elio-3 e l'ilmenite (ossido di ferro e titanio, FeTiO3) il più comune minerale di titanio sulla Luna. I cristalli esagonali di ilmenite sono infatti in grado di trattenere l'elio-3, e lo fanno per mezzo dei clatrati, reticoli presenti negli interstizi della ilmenite in grado di intrappolare questo isotopo.

struttura chimica dei clatrati

Queste sono solo alcune delle evidenze che, nel corso degli anni, hanno convinto le varie agenzie spaziali a pianificare operazioni di estrazione di elio-3 dalla superficie lunare. Per mezzo del telerilevamento satellitare, si ritiene che mappando la distribuzione del titanio sul Satellite si possa localizzare indirettamente l'ilmenite con il suo prezioso elio-3. Una volta colonizzata la Luna si procederà all'estrazione dell'isotopo tramite microonde, le stesse che usiamo per riscaldare il cibo. Sul regolite lunare infatti, le nanofasi di ferro elementare agiscono come ottimi conduttori, assorbendo l'energia delle microonde riscaldandosi rapidamente, liberando così l'elio-3 dai clatrati. Si ritiene che il polo sud lunare nasconda enormi giacimenti dell'isotopo, da qui la decisione di pianificare il primo allunaggio del programma Artemis in quella regione, formata da aspri rilievi e profondi crateri, un paesaggio totalmente diverso da quello osservato dagli astronauti delle missioni Apollo.

immagine a falsi colori della superficie lunare

Il 2024 è molto vicino, e questo lascia intendere quanto concreto sia il piano di estrazione dell'elio-3 dal suolo lunare. Una data così prossima deve anche farci riflettere su quanto preoccupante sia il nostro sfruttamento di risorse energetiche non rinnovabili, e di un fabbisogno mondiale destinato ad aumentare esponenzialmente entro il 2050. Questa volta, la ri-conquista della Luna ci vedrà incollati agli schermi per un altro traguardo dell'umanità, molto diverso dal primo, ma forse ancora più importante: la sopravvivenza del genere Umano.

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