Sinds 1970 komen elk jaar astronomen, geologen, geofysici en tal van andere specialisten samen om deel te nemen aan de Lunar and Planetary Science Conference (LPCS). Gezamenlijk gesponsord door het Lunar and Planetary Institute (LPI) en NASA's Johnson Space Center (JSC), is dit jaarlijkse evenement een kans voor wetenschappers van over de hele wereld om het nieuwste planetaire onderzoek naar de enige maan op aarde te delen en te presenteren.
Dit jaar was een van de grootste aandachtstrekkers de bevindingen die dinsdag 17 maart werden gepresenteerd door een team van studenten van Purdue University. Onder leiding van een afgestudeerde student van de afdeling Earth, Atmospheric and Planetary Sciences van de universiteit, blijkt uit de studie die ze deelden dat er stabiele lavabuizen op de maan kunnen zijn, die groot genoeg zijn om hele steden te huisvesten.
Behalve dat het een doelwit is voor toekomstige geologische en geofysische studies, kan het bestaan van deze buizen ook een zegen zijn voor toekomstige verkenning van de menselijke ruimte. Kortom, zo betoogden ze, dat zulke grote, stabiele ondergrondse tunnels een thuis zouden kunnen bieden voor menselijke nederzettingen en hen zouden beschermen tegen schadelijke kosmische straling en extreme temperaturen.
Lavabuizen zijn natuurlijke leidingen die worden gevormd door stromende lava die onder het oppervlak beweegt als gevolg van een vulkaanuitbarsting. Terwijl de lava beweegt, koelt de buitenrand ervan af en vormt een verharde, kanaalachtige korst die achterblijft zodra de lavastroom stopt. Al geruime tijd speculeren maanwetenschappers over het al dan niet optreden van lavastromen op de maan, zoals blijkt uit de aanwezigheid van bochtige rillen op het oppervlak.
Kronkelige rillen zijn smalle verdiepingen in het maanoppervlak die op kanalen lijken en hebben gebogen paden die als een riviervallei door het landschap slingeren. Er wordt momenteel aangenomen dat deze rillen de overblijfselen zijn van ingestorte lavabuizen of uitgestorven lavastromen, wat wordt ondersteund door het feit dat ze meestal beginnen op de plaats van een uitgedoofde vulkaan.
Degenen die in het verleden op de maan zijn waargenomen, variëren in grootte van maximaal 10 kilometer breed en honderden kilometers lang. Op die grootte zou het bestaan van een stabiele buis - d.w.z. een buis die niet was ingestort tot een kronkelige rille - groot genoeg zijn om een grote stad te huisvesten.
Omwille van hun studie onderzocht het Purdue-team of lavabuizen van dezelfde schaal ondergronds zouden kunnen bestaan. Wat ze ontdekten was dat de stabiliteit van een lavabuis afhing van een aantal variabelen, waaronder breedte, dakdikte en de spanningstoestand van de gekoelde lava. De onderzoekers hebben ook lava-buizen gemodelleerd met muren gemaakt door lava die in een dikke laag is geplaatst en met lava die in veel dunne lagen is geplaatst.
David Blair, een afgestudeerde student aan de afdeling Aard, Atmosferische en Planetaire Wetenschappen van Purdue, leidde de studie die onderzocht of lege lavabuizen van meer dan 1 kilometer breed structureel stabiel konden blijven op de maan.
"Ons werk is enigszins uniek omdat we de talenten van mensen van verschillende afdelingen bij Purdue hebben gecombineerd", vertelde Blair via e-mail aan Space Magazine. "Met de begeleiding van prof. Bobet (hoogleraar civiele techniek) hebben we een modern begrip van de rotsmechanica kunnen integreren in onze computermodellen van lavabuizen om te zien hoe ze daadwerkelijk kunnen falen en breken onder de zwaartekracht van de maan."
Omwille van hun onderzoek heeft het team een aantal modellen van lavabuizen van verschillende afmetingen en met verschillende dakdiktes gebouwd om te testen op stabiliteit. Dit bestond erin dat ze elk model controleerden om te zien of het ergens in het dak van de lavabuis een storing voorspelde.
'Wat we ontdekten was verrassend', vervolgde Blair, 'omdat veel grotere lavabuizen theoretisch mogelijk zijn dan eerder werd gedacht. Zelfs met een dak van slechts een paar meter dik, kunnen lavabuizen van een kilometer breed blijven staan. De reden is echter iets minder verrassend. Het laatste werk dat we over dit onderwerp konden vinden, is van deApollo tijdperk, en gebruikte een veel eenvoudigere benadering van de vorm van een lavabuis - een platte balk voor een dak.
De studie waarnaar hij verwijst, "Over de oorsprong van de kronkelige maanranden", werd in 1969 in het tijdschrift gepubliceerd Moderne geologie. Daarin brachten professoren Greeley, Oberbeck en Quaide het argument naar voren dat de vorming van bochtige rillen verband hield met de ineenstorting van lavastroombuizen en dat er nog steeds stabiele zouden kunnen bestaan. Berekenend voor een dak met platte balken, vond hun werk een maximale lavabuismaat van iets minder dan 400 m.
"Onze modellen gebruiken een geometrie die meer lijkt op wat we zien in lavabuizen op aarde", zei Blair, "een soort half-elliptische vorm met een gebogen dak. Het feit dat een gebogen dak een grotere lavabuis laat staan, is logisch: mensen weten al sinds de oudheid dat gebogen daken toestaan dat tunnels of bruggen blijven staan met grotere overspanningen. ”
Het Purdue-onderzoek bouwt ook voort op eerdere onderzoeken die zijn uitgevoerd door JAXA en NASA, waar afbeeldingen van "dakramen" op de maan - d.w.z. gaten in het maanoppervlak - de aanwezigheid van grotten van minstens enkele tientallen meters breed bevestigden. De gegevens van NASA's Lunar Gravity Recovery And Interior Laboratory (GRAIL) - die grote variaties in de dikte van de korst van de maan vertoonden, worden nog steeds geïnterpreteerd, maar kunnen ook een indicatie zijn van grote ondergrondse uitsparingen.
Dientengevolge heeft Blair er vertrouwen in dat hun werk nieuwe en haalbare verklaringen biedt voor veel verschillende soorten observaties die eerder zijn gedaan. Voorheen was het onpeilbaar dat er grote, stabiele spelonken op de maan konden bestaan. Maar dankzij de theoretische studie van zijn team is nu bekend dat het onder de juiste omstandigheden het minst mogelijk is.
Een ander opwindend aspect van dit werk zijn de implicaties die het biedt voor toekomstige verkenning en zelfs kolonisatie op de maan. De bescherming tegen straling is al een groot probleem. Aangezien de maan geen atmosfeer heeft, zullen kolonisten en landbouwactiviteiten geen natuurlijke afscherming hebben tegen kosmische straling.
"Geologisch stabiele lavabuizen zouden absoluut een zegen zijn voor de verkenning van de menselijke ruimte," merkte Blair op. 'Zo'n spelonk zou echt een ideale plek kunnen zijn om een maanbasis te bouwen, en in het algemeen om een blijvende menselijke aanwezigheid op de maan te ondersteunen. Door zelfs maar een paar meter onder de oppervlakte te gaan, verlicht je plotseling veel van de problemen bij het bewonen van het maanoppervlak. ”
Kortom, naast bescherming tegen straling, zou een ondergrondse basis de problemen van micrometeorieten en de extreme temperatuurveranderingen die veel voorkomen op het maanoppervlak, omzeilen. Bovendien kunnen stabiele, ondergrondse lavabuizen de taak om een basis voor menselijke bewoning gemakkelijker onder druk te zetten, ook vergemakkelijken.
"Mensen hebben al deze dingen eerder bestudeerd en erover gesproken," voegde Blair eraan toe, "maar ons werk laat zien dat dit soort mogelijkheden mogelijk kunnen bestaan - nu moeten we ze gewoon vinden. Mensen leven sinds het begin in grotten, en het zou ook logisch kunnen zijn op de maan! ”
Naast Melosh, Blair en Bobet omvatten teamleden Loic Chappaz en Rohan Sood, afgestudeerde studenten aan de School of Aeronautics and Astronautics; Kathleen Howell, Purdue's Hsu Lo hoogleraar luchtvaart- en ruimtevaarttechniek; Andy M. Freed, universitair hoofddocent aard-, atmosferische en planetaire wetenschappen; en Colleen Milbury, een postdoctorale onderzoeksmedewerker bij de afdeling Earth, Atmospheric and Planetary Sciences.
