Jak bardzo warstwy skalne wpływają na stabilność księżycowych jaskiń lawowych? To ważne pytanie w kontekście przyszłej eksploracji Srebrnego Globu, a odpowiedzi na nie szuka dr hab. inż. Marcin Chwała z Wydziału Budownictwa Lądowego i Wodnego Politechniki Wrocławskiej we współpracy z naukowcami z Włoch i Japonii.

Zagłębienia na powierzchni Księżyca odkryto w 2009 r. i spekuluje się, że część z nich to zapadnięte korytarze lawowe, które mogą prowadzić do systemów rozległych jaskiń pod powierzchnią Księżyca. Powstały one prawdopodobnie podczas przepływów lawy i z uwagi na małą siłę grawitacji mogą osiągać szerokość nawet kilkuset metrów. W opinii wielu naukowców tego typu jaskinie można wykorzystać jako bazy i schronienia dla ludzi w trakcie eksploracji Księżyca.

Problemem wytrzymałości księżycowych jaskiń lawowych zajmuje się na Politechnice Wrocławskiej dr hab. inż. Marcin Chwała z Wydziału Budownictwa Lądowego i Wodnego. Pierwsze efekty swoich badań przedstawił na początku roku, a teraz opublikował w czasopiśmie „Earth and Planetary Science Letters” kolejną pracę „Effects of Layered Roof for Stability and Exploration of Lunar Lava Tubes”. Poświęcona jest ona stabilności stropów w jaskiniach księżycowych.

Oprócz naukowca z Katedry Geotechniki, Hydrotechniki, Budownictwa Podziemnego i Wodnego w badania zaangażowani byli prof. Goro Komatsu (International Research School of Planetary Sciences, Universita d’Annunzio, Pescara, Włochy) oraz dr Junichi Haruyama (Institute of Space and Astronautical Science, Japan Aerospace Exploration Agency, Sagamihara, Japonia).

Księżycowe warstwy bazaltu odsłonięte na wewnętrznych ścianach kraterów (a) Dawes i (b) Bessela z widocznym uwarstwieniem. (c) Zdjęcie powierzchni wewnętrznej ściany Hadley Rille z Apollo 15. (d, e) Mare Tranquillitatis Pit z widocznym cienkim uwarstwieniem. (f, g) Mare Ingenii Pit.

Uwarstwienie stropów w księżycowych jaskiniach

– W przeprowadzonych analizach uwzględniliśmy, po raz pierwszy w literaturze, uwarstwienie stropu skalnego, które jest bardzo dobrze widoczne na zdjęciach przesłanych przez Lunar Reconeissance Orbiter (LRO), zarówno przy księżycowych zawaliskach (collapse pits) oraz krawędziach kraterów uderzeniowych (crater rings) – mówi dr hab. inż. Marcin Chwała.

Naukowcy badali wpływ występowania słabszej warstwy, tzw. paleoregolitu, która najprawdopodobniej utworzyła się pomiędzy kolejnymi wypływami lawy na powierzchni Księżyca. Jest to regolit, czyli gleba księżycowa charakteryzująca się słabszymi parametrami mechanicznymi, która została uwięziona pomiędzy dwoma warstwami skał bazaltowych.

– Na podstawie wcześniejszych prac ustalono, że miąższości warstw skalnych wahają się między 2 a 13 metrami. Do tej pory nikt jednak nie badał, jaki jest wpływ tych warstw na stabilność stropów jaskiń na Księżycu. Nasze wyniki pokazały, że w sytuacji uwarstwionego stropu, wyraźnie zmienia się charakterystyka zawalisk – zwiększa się liczba mniejszych zawalisk, tzw. zawalisk lokalnych, które nie dochodzą do powierzchni Księżyca i tym samym nie mogą być obserwowane z Ziemi – wyjaśnia naukowiec.

Co ważne, możliwe liczne występowanie zawalisk tego typu ma duże znaczenie dla planowania misji eksploracyjnych. Przede wszystkim z uwagi na dużą ilość gruzu skalnego zalegającego na dnie jaskini (pojawia się konieczność dostosowania technologii do takiego środowiska) oraz w kontekście możliwości ich radarowej detekcji z orbity Księżyca (trudności w detekcji echa radarowego w przypadku dna pokrytego gruzem i głazami).

– Innym bardzo ważnym rezultatem jest to, że z uwagi na występowanie lokalnych zawalisk, możemy mieć bezpośredni dostęp do odkrytych dawnych warstw paleoregolitu z wnętrza jaskiń, które w opinii naukowców mogą być bezcennym źródłem danych astrofizycznych, np. o promieniowaniu kosmicznym i aktywności Słońca, czy nawet informacji o składzie chemicznym ziemskiej atmosfery. Wyniki pracy zatem wskazują zasadność projektowania misji rozpoznawczych do zawalisk księżycowych i jaskiń z uwagi na ich ogromny potencjał do prowadzenia badań nad historią Układu Słonecznego – podkreśla Marcin Chwała.

Opublikowana właśnie praca jest wstępem do projektu naukowego „Probabilistyczna analiza graniczna w rekonstrukcji zawalisk i ocenie stateczności księżycowych jaskiń lawowych (PROMISE)”, który uzyskał finansowanie z Narodowego Centrum Nauki w ramach konkursu Sonata 19. W ramach tego grantu dr hab. inż. Marcin Chwała zbudował już na PWr zespół naukowy, z którym będzie pracował nad tematyką stabilności i rozmiarów księżycowych jaskiń lawowych.

Interpretacja geometrii zawaliska wykonana na podstawie analiz stabilności dla w połowie wypełnionej jaskini lawowej.

Istnienie jaskiń na Księżycu potwierdzone

Zainteresowanie jaskiniami księżycowymi wśród naukowców systematycznie rośnie. W połowie lipca 2024 r. zespół włoskich i amerykańskich badaczy potwierdził istnienie jaskini na Księżycu w rejonie Morza Spokoju, gdzie 55 lat temu wylądowali Neil Armstrong i Buzz Aldrin. Podejrzewają oni, że w okolicy może być ponad 200 podobnych jam, w których w przyszłości mogliby się chronić astronauci.

Opisana przez naukowców jaskinia znajduje się 400 km od miejsca lądowania Apollo 11. Widoczna jest jedynie początkowa część podziemnej wnęki, ale zdaniem badaczy ma ona co najmniej 40 m szerokości i kilkadziesiąt metrów długości.

Dr hab. inż. Marcin Chwała podkreśla, że odkrycie tego fragmentu jaskini, która najprawdopodobniej jest połączona z całym systemem jaskiń, jest niezwykle ważne, ponieważ oznacza, że z zawaliska „Mare Tranquilitatis Pit” jesteśmy w stanie wejść do tych jaskiń. Dotychczas nie było bowiem jasne, czy te zawaliska dają taką możliwość.

– Sam fakt istnienia takiego połączenia nie jest dla mnie zaskoczeniem. Co ciekawe, wskazywała na to to także moja wcześniejsza praca oraz ta właśnie opublikowana, natomiast były to wyłącznie rezultaty analiz numerycznych. Teraz jest to potwierdzone i kształt wejścia do jaskini zgadza się z naszą interpretacją wyników analiz numerycznych – wyjaśnia naukowiec. – Bardzo pozytywnie zaskoczyło mnie natomiast to, że autorom tej pracy udało się wyciągnąć nowe informacje z danych radarowych dostępnych już od kilkunastu lat. Odkrycie to oznacza zwiększenie zainteresowania naukowców, agencji kosmicznych oraz prywatnych firm tymi obiektami – dodaje.

Co kryją księżycowe jaskinie?

W swojej publikacji włosko-amerykański zespół zwraca także uwagę, że podobne jamy mogą znajdować się również na południowym biegunie Księżyca, gdzie w przyszłości planowane są lądowania astronautów z NASA. Przewiduje się, że zacienione kratery, a także jamy mogą zawierać zamarzniętą wodę.

– Jest to możliwe, jednak z moich rozmów z osobami, które zajmują się migracją wody na powierzchni Księżyca, wynika, że największe szanse na znalezienie zamarzniętej wody są w okolicach biegunów Księżyca w tzw. wiecznie zacienionych obszarach, gdzie temperatura jest znacznie niższa (nawet < -200 stopni C) niż spodziewana temperatura we wnętrzach jaskiń (od -15 do -20 stopni C) – tłumaczy dr hab. inż. Marcin Chwała.   

Badacze z USA i Włoch są zgodni, że naturalne jaskinie mogą w przyszłości służyć jako schronienie dla astronautów i oceniają, że budowanie osad na powierzchni Księżyca będzie bardziej czasochłonne i trudne niż wzmocnienie ścian jaskiń. Bez dokładnego zbadania ich wnętrz trudno jednoznacznie potwierdzić te przypuszczenia.

– Dotychczasowe badania, wskazujące na dużą ilość gruzu na dnie jaskiń, są na pewno elementem utrudniającym ewentualne zakładanie baz. Z drugiej strony, jeśli faktycznie tak jest, oznacza to, zgodnie z wynikami naszych badań, że mamy duże szanse na zbadanie paleoregolitu odsłoniętego przez lokalne zawaliska, co jest wielką zachętą do ich eksploracji – przyznaje dr hab. inż. Marcin Chwała. – Pozostaje nam trzymać kciuki za pierwszą misję, która zbada wnętrza księżycowych zawalisk. W tym miejscu mamy duże pole do przyszłych badań w ramach projektu PROMISE, w którym będziemy chcieli lepiej zrozumieć proces powstawania zawalisk oraz oszacować rozmiary jaskiń księżycowych – dodaje.

Chwała M., Komatsu G., Haruyama J. „Effects of layered roof for stability and exploration of lunar lava tubes”. Earth and Planetary Science Letters. 2024.

 mic