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Immagine ripresa durante la missione Apollo 11 sulla Luna, che dà evidenza dello strato di polvere a grana fine che la ricopre.

La regolite è l'insieme eterogeneo di sedimenti, polvere e frammenti di materiale che compongono lo strato più esterno della superficie[1] della Terra o di corpi celesti come la Luna e Marte.

Sulla Terra la regolite ha origine dalla degradazione del substrato roccioso causata dall'azione degli organismi che vi si installano e dall'attività erosiva degli agenti esogeni.[2] Le motivazioni della sua presenza su suolo lunare e marziano sono invece da ricercarsi in primo luogo negli impatti con meteoroidi e nella conseguente frammentazione di grandi rocce in detriti di dimensioni sempre più modeste.[3] Si tratta di un processo graduale nel tempo, che porta alla generazione di svariati strati caratterizzati dalla disomogeneità di proprietà. A seconda del luogo considerato, lo spessore di tali strati può variare da pochi metri a decine di metri.[3]

La regolite extraterrestre viene correntemente identificata con il suolo del corrispettivo corpo celeste, anche se il suolo è più propriamente la parte più esterna di essa.[4]

Etimologia

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Il termine regolite è la traduzione italiana dell'inglese regolith. Il vocabolo fu coniato nel 1987 dal geologo George Perkins Merrill,[5] e deriva dall'unione dei termini greci rêgos (mantello) e lithos (pietra).[6]

La regolite sulla Luna e su Marte

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Regolite lunare

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Campione di regolite lunare dalla missione Apollo 17, conservato al National Museum of Natural History

Sulla Luna, che non possiede un'atmosfera nel senso proprio del termine, la formazione della regolite avviene principalmente a seguito dell'impatto di meteoroidi con la superficie e dell'azione del vento solare su di essa. Particelle cariche provenienti da altre stelle possono contribuire in maniera secondaria.[7]

Pressoché tutte le informazioni disponibili sul satellite terrestre provengono dalla regolite, che ha permesso inoltre di comprendere, almeno parzialmente, la composizione ed il passato del Sole, le caratteristiche dei raggi cosmici e la storia e la velocità degli impatti di meteoroidi e polvere cosmica con il suolo lunare avvenuti nel passato.[8] Diversi campioni di materiale lunare sono stati portati sulla Terra: ciò che è attualmente noto riguardo alla regolite lunare è stato ottenuto non solo tramite la loro analisi, ma anche grazie a misurazioni e caratterizzazioni in situ compiute durante le missioni lunari.[9]

Lo strato di regolite che ricopre la superficie della Luna possiede una colorazione grigia, uno spessore che varia tipicamente tra i 5 m ed i 10 m, ed una densità approssimativa di 1.5 g/cm3; circa la metà delle particelle da cui è formato non supera i 100 micron di grandezza.[10] La sua composizione varia a seconda del sito considerato, ma i minerali più abbondanti sono l'olivina, il pirosseno ed il plagioclasio, indicati nella tabella sottostante insieme ad altri materiali presenti in quantità inferiore.[11]

Minerali presenti nella regolite lunare[11]
Minerali principali Minerali secondari
Formula chimica
olivina Mg2SiO4 spinelli
Fe2SiO4 armalcolite
pirosseno CaSiO3 silici
MgSiO3 ferro
FeSiO3 troilite
plagioclasio CaAl2Si2O8 ilmenite
NaAl2Si2O8
 
Immagini SEM di agglutinati lunari

Si è riscontrata inoltre la presenza di frammenti vetrosi, giustificata dai bombardamenti meteorici e dalle eruzioni vulcaniche avvenute nel passato.[10] Un esempio significativo è dato dagli agglutinati lunari, che racchiudono particelle di varia natura, minuscole goccioline di ferro e troilite e gas provenienti dal vento solare. La parte vetrosa che fa da legante è probabilmente frutto della fusione di regolite preesistente, successivamente all'impatto con sciami micrometeorici ad alta velocità. Risulta inoltre importante sottolineare che uno dei requisiti necessari alla formazione di tali agglomerati è l'assenza di atmosfera.[12]

La composizione chimica media nei siti di atterraggio delle missioni Apollo 11, Apollo 15, Apollo 16 e Apollo 17 è presentata nella tabella sottostante.[13] Nella regolite sono presenti anche atomi di sostanze provenienti dal Sole (idrogeno ed elio) e dai raggi cosmici originatisi al di fuori del sistema solare.[10]

Composizione chimica media del suolo lunare nei siti di atterraggio di alcune missioni Apollo[13]
Sostanza Massa%
Apollo 11 Apollo 15 Apollo 16 Apollo 17
SiO2 42.2 46.8 45 43.2
TiO2 7.8 1.4 0.54 4.2
Al2O3 13.6 14.6 27.3 17.1
Cr2O3 0.3 0.36 0.33 0.33
FeO 15.3 14.3 5.1 12.2
MnO 0.2 0.19 0.3 0.17
MgO 7.8 11.5 5.7 10.4
CaO 11.9 10.8 15.7 11.8
Na2O 0.47 0.39 0.46 0.4
K2O 0.16 0.21 0.17 0.13
P2O3 0.05 0.18 0.11 0.12
S 0.12 0.06 0.07 0.09

Un aspetto interessante è dato dagli studi condotti per la determinazione di alcune proprietà ingegneristiche della regolite, tra cui la comprimibilità, la permeabilità e la resistenza a taglio.[14] Per esempio, quest'ultima è stata scrupolosamente analizzata poiché da essa dipendono importanti caratteristiche del suolo lunare, quali la capacità portante e la transitabilità. Per caratterizzarla è stato utilizzato il modello di Mohr-Coulomb[15]:

 

dove   indica la resistenza a taglio, σ lo sforzo normale,   rappresenta il contributo coesivo, e   è l'angolo di attrito.[15]

Sfruttando i dati dalle prove penetrometriche statiche eseguite sia in situ durante le missioni lunari (in particolare le missioni Apollo e Lunochod 1e 2), sia in laboratorio (i primi test in assoluto furono quelli condotti sui campioni provenienti dalla missione Apollo 11[16]), il professore James Mitchell[17] dell'Università di Berkeley ed i suoi collaboratori elaborarono il Modello Apollo[15]:

 

Regolite marziana

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A differenza della Luna, Marte possiede un'atmosfera: in aggiunta agli impatti con meteoroidi, menzionati nella parte introduttiva, fenomeni come l’erosione ed i processi meteorologici contribuiscono quindi alla formazione della regolite.[18]

Attualmente non è possibile analizzare direttamente la regolite marziana, poiché nessun campione è stato riportato sulla Terra. Le caratteristiche del suolo marziano sono tuttavia note grazie alle informazioni ottenute tramite diverse missioni spaziali, tra le quali vanno ricordate Viking, Pathfinder, Spirit e Opportunity.[19][20][21] Grazie ad esse è stato possibile determinare le dimensioni medie delle particelle di regolite (dai 70 agli 800 micron)[3] e la sua composizione chimica. La tabella sottostante fornisce informazioni sulla composizione media in peso del suolo e della polvere marziani, che possono essere assimilati alla regolite stessa.[21] La presenza di perclorati, clorati ed altri composti simili ha suscitato interesse a causa dei loro possibili effetti negativi sugli astronauti e sulle prestazioni delle apparecchiature nella prospettiva di future missioni con equipaggio umano.[21]

Composizione media del suolo e della polvere marziani[21]
Ossido Suolo Polvere
Peso%
SiO2 46.52±0.57 44.84 ± 0.52
TiO2 0.87 ± 0.15 0.92 ± 0.08
Al2O3 10.46 ± 0.71 9.32 ± 0.18
FeO 12.18 ± 0.57 7.28 ± 0.70
Fe2O3 4.20 ± 0.54 10.42 ± 0.11
MnO 0.33 ± 0.02 0.33 ± 0.02
MgO 8.93 ± 0.45 7.89 ± 0.32
CaO 6.27 ± 0.23 6.34 ± 0.20
Na2O 3.02 ± 0.37 2.56 ± 0.33
K2O 0.41 ± 0.03 0.48 ± 0.07
P2O5 0.83 ± 0.23 0.92 ± 0.09
Cr2O3 0.36 ± 0.08 0.32 ± 0.04
Cl 0.61 ± 0.08 0.83 ± 0.05
SO3 4.90 ± 0.74 7.42 ± 0.13
 
Simulante JSC MARS-1A

L'impossibilità di condurre studi ed analisi di laboratorio su campioni effettivi di regolite ha portato alla creazione di diversi materiali artificiali, chiamati simulanti, che tentano di riprodurne le caratteristiche. Alcuni esempi sono[22]:

I simulanti sono di fondamentale importanza poiché permettono, tra le altre cose, di condurre esperimenti volti alla comprensione di svariati fenomeni, allo studio di applicazioni quali l'astrobotanica o all'analisi delle prestazioni delle apparecchiature su suolo marziano.[22]

Importanza e applicazioni

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La possibilità di stabilire una base su suolo lunare è un passo necessario alla preparazione e all'acquisizione delle conoscenze e competenze richieste per realizzare missioni di esplorazione spaziale di lunga durata e con equipaggio umano. In aggiunta a tale aspetto, la Luna risulta tuttora estremamente interessante dal punto di vista scientifico.[23]

D'altro canto, la vicinanza e la relativa somiglianza di Marte alla Terra rendono tale pianeta un'inevitabile meta per l'esplorazione scientifica e, possibilmente, la colonizzazione da parte dell'uomo. Lo studio approfondito della sua evoluzione e delle sue caratteristiche potrebbe portare alla comprensione dello sviluppo di altri pianeti del sistema solare, e della possibilità di esistenza di forme di vita extraterrestri.[24]

Le future missioni di esplorazione e colonizzazione umana del suolo lunare e marziano avranno bisogno di strutture spaziali ed habitat a costo contenuto, alta affidabilità e autonomia rispetto alla Terra.[25] Poiché i materiali e le tecnologie tradizionali non sono tipicamente in grado di soddisfare tali requisiti, in tempi recenti sono state introdotte e parzialmente sviluppate nuove soluzioni di progetto.[26] Uno degli aspetti più significativi è legato allo sfruttamento delle risorse locali di un corpo celeste, definito spesso con l'acronimo inglese ISRU (In-Situ Resource Utilization).[19] A tal proposito, le regoliti possono essere utilizzate per l'ottenimento di materiali con le proprietà più disparate tramite mezzi quali la stampa 3D in ambiente extraterrestre.[27][28]

Uno dei materiali più promettenti nel contesto degli habitat spaziali è il calcestruzzo, caratterizzato da ottima resistenza e durata. La sua produzione su Marte e sulla Luna sarebbe possibile grazie alla presenza nelle rispettive regoliti di sostanze quali l'allumina, l'ossido di calcio ed il silicato.[19] Per ovviare al problema della scarsità, inesistenza o difficile accessibilità dell'acqua (componente fondamentale nei calcestruzzi classici), si è pensato a sostanze che potessero sostituirla. Un esempio è dato dai geopolimeri ottenibili dalla regolite, che hanno l'ulteriore vantaggio di fornire un certo livello di protezione dalle radiazioni.[29]

 
Struttura ottenuta tramite la stampa 3D di simulante lunare, esposta all'ESTEC

Altre famiglie di materiali che possono essere ottenute dal suolo (e quindi dalla regolite) sono i metalli e le loro leghe, utilizzabili per la fabbricazione di componenti strutturali. Tra di essi vi sono l'alluminio ed il magnesio, che possiedono buone prestazioni meccaniche e sono di facile processabilità grazie ai loro bassi punti di fusione. L'alluminio può inoltre essere integrato nel calcestruzzo come suo costituente, mentre il magnesio è utile nei sistemi di schermatura contro gli impatti e le radiazioni.[30] Una buona protezione dalle radiazioni è fornita anche dall'idrogeno contenuto nella regolite,[31] che può essere inoltre sfruttata in sistemi di controllo termico passivo grazie alle sue proprietà isolanti.[32]

Infine, l'elevata disponibilità di basalto lo rende interessante per future tecnologie di stampa 3D. Dalla sua estrusione è possibile ottenere fibre simili a quelle di vetro e di carbonio, con buona resistenza a trazione, alla corrosione ed alle sollecitazioni termiche.[33]

La stampa 3D è forse il metodo di produzione in situ più promettente[27]: permette di processare molti materiali, ottenendo geometrie complesse in un ampio range di dimensioni, maggior leggerezza e minor spreco di materie prime.[34] Tuttavia attualmente il suo livello tecnologico è talmente basso da non consentirne in pratica l'utilizzo.[35] Nei prossimi decenni sarà tuttavia possibile osservarne lo sviluppo, fino alla realizzazione di habitat e costruzioni di vario tipo.[35] Secondo teorie recenti sarà anche possibile sfruttare tale tecnologia per ottenere materiali plastici a partire dalla regolite marziana ed altre sostanze quali l'acqua, l'anidride carbonica, il basalto e l'etilene.[28]

Altre proposte di sistemi di produzione sono:

  • Sinterizzazione solare e a laser, che consistono nel riscaldamento di un materiale poroso al di sopra del suo punto di fusione con lo scopo di produrre oggetti in ambiente secco. Le sorgenti utilizzate sono la luce solare o un laser[36]
  • Sinterizzazione a microonde, in cui l'utilizzo di microonde a frequenza elevata permette di convertire energia elettromagnetica in energia termica utilizzata per processare materiali ceramici e polveri metalliche[36]
  • Metodi Dry-Mix/Steam-Injection (DMSI) e Enhanced Dry-Mix/Steam-Injected (E-DMSI) per l'ottenimento di oggetti in calcestruzzo con buona resistenza a compressione sfruttando l'esposizione a vapori ad alta temperatura[36]
  • Quench Module Insert (QMI) e Diffusion Module Insert (DMI), forni pensati per operare su metalli e leghe tra i 400°C ed i 1600°C in condizioni di gravità ridotta[37]

Di recente sono inoltre stati studiati dei metodi di estrazione di ferro,[38] ossigeno e leghe metalliche[39] dalla regolite lunare, e di acqua[40] dalla regolite marziana.

Effetti sulle strutture spaziali e sull'organismo umano

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La frazione di regolite costituita da particelle estremamente fini viene chiamata polvere e rappresenta una minaccia per gli astronauti e le apparecchiature utilizzate nelle missioni sulla Luna e su Marte.[41][42]

Nelle missioni Apollo si osservò una rapida degradazione della strumentazione e delle tute spaziali durante le attività extraveicolari, ad opera della polvere che era rimasta aderente ad esse.[43] Tale polvere venne anche inconsapevolmente trasportata all'interno del modulo lunare dagli astronauti, ponendo seriamente a rischio la loro salute.[41]

 
Tessuto beta contaminato dalla polvere lunare (Apollo 16)

Il fatto che la polvere lunare sia estremamente fine ed elettricamente carica la porta ad aderire alle superfici e a penetrare nei meccanismi e nelle fessure.[41] La sua carica è data dall'interazione con il vento solare e la radiazione ultravioletta,[41] e l'assenza di fenomeni atmosferici fa sì che le particelle che la compongono siano estremamente taglienti.[43] Tutto ciò può portare non solo a danni significativi alle tute spaziali e ai componenti elettronici, ma anche a problemi nei sistemi di comunicazione.[43]

La polvere può esercitare un'azione particolarmente negativa sul sistema respiratorio, che si infiamma a seguito dell'interazione con le specie reattive dell'ossigeno da essa generate.[44] Ulteriori effetti si potrebbero avere sull'apparato cardiovascolare, e le proprietà abrasive delle particelle rappresentano una minaccia significativa per la pelle e gli occhi.[44] Diversi studi sono stati condotti per cercare di comprendere l'effettivo livello di rischio dato dall'esposizione dell'organismo umano alla polvere lunare. Da un'analisi degli effetti di simulanti lunari sui polmoni di ratti si è scoperto che la polvere potrebbe causare la fibrosi polmonare,[45] mentre un secondo studio ha dimostrato che l'interazione tra simulanti simili e cellule neuronali e polmonari porta alla morte di tali cellule e al danneggiamento del DNA associato.[46]

Per quanto riguarda la regolite marziana, si hanno attualmente a disposizione informazioni meno dettagliate, ma un fattore di differenziazione rispetto al caso lunare è dato dalla presenza di un'atmosfera. L'azione del vento può quindi favorire lo spostamento della polvere e la sua adesione alle superfici di strumentazione, strutture e tute.[42] Per poter comprendere gli effetti su tali sistemi e sugli astronauti è necessario approfondire la conoscenza delle proprietà meccaniche e tossicologiche della polvere marziana; uno degli approcci più efficaci consiste nell'utilizzo di simulanti e procedure sperimentali comuni, e nel successivo confronto dei dati ottenuti da più laboratori e gruppi di ricerca.[42]

Note

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  1. ^ La biodiversità dei suoli, su Istituto Superiore per la Protezione e la Ricerca Ambientale. URL consultato il 26 giugno 2020.
  2. ^ erosione nell'Enciclopedia Treccani, su www.treccani.it. URL consultato il 26 giugno 2020.
  3. ^ a b c (EN) M. Z. Naser, Space-native construction materials for earth-independent and sustainable infrastructure, in Acta Astronautica, vol. 155, 1º febbraio 2019, pp. 264–273, DOI:10.1016/j.actaastro.2018.12.014.
  4. ^ Meyer, p. 54
  5. ^ (EN) Taylor, G. (Graham), Regolith geology and geomorphology, J. Wiley, 2001, ISBN 0-471-97454-4, OCLC 46937447.
  6. ^ Zingarelli, Nicola, 1860-1935., Lo Zingarelli : vocabolario della lingua italiana, Zanichelli, 2003, ISBN 88-08-15478-5, OCLC 53058583.
  7. ^ Heiken, p. 285
  8. ^ Heiken, pp. 286-287
  9. ^ Heiken, p. 286
  10. ^ a b c Meyer, pp. 46-48
  11. ^ a b (EN) D.S. Mckay e D.W. Ming, Developments in Soil Science, vol. 19, Elsevier, 1990, pp. 449–462, DOI:10.1016/s0166-2481(08)70360-x, ISBN 978-0-444-88302-5.
  12. ^ Heiken, p. 296
  13. ^ a b Heiken, p. 346
  14. ^ Heiken, p. 476
  15. ^ a b c Heiken, p. 506
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  17. ^ (EN) The James K. Mitchell Legacy Website, su mitchell.geoengineer.org. URL consultato il 26 giugno 2020.
  18. ^ (EN) Soare, Richard J.,, Conway, Susan J., e Clifford, Stephen Mark, 1952-, Introduction, in Dynamic Mars : recent and current landscape evolution of the red planet, ISBN 978-0-12-813019-3, OCLC 1048255062.
  19. ^ a b c Naser, Chehab, p. 76
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  21. ^ a b c d (EN) D. W. Ming e R. V. Morris, Chemical, mineralogical, and physical properties of Martian dust and soil (PDF), 2017.
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  28. ^ a b Yashar, p. 4
  29. ^ Naser, Chehab, p. 77
  30. ^ Naser, Chehab, p. 78
  31. ^ Yashar, p. 8
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  33. ^ Yashar, p. 6
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  36. ^ a b c Naser, Chehab, p. 81
  37. ^ Naser, Chehab, p. 82
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  42. ^ a b c (EN) Levine, Joel S., editor. Winterhalter, Daniel, editor. Kerschmann, Russell L., editor., Dust in the atmosphere of Mars and its impact on human exploration, ISBN 978-1-5275-1172-9, OCLC 1040629937.
  43. ^ a b c (EN) Kavya K. Manyapu, Pablo De Leon e Leora Peltz, Proof of concept demonstration of novel technologies for lunar spacesuit dust mitigation, in Acta Astronautica, vol. 137, 2017-08, pp. 472–481, DOI:10.1016/j.actaastro.2017.05.005.
  44. ^ a b (EN) Dag Linnarsson, James Carpenter e Bice Fubini, Toxicity of lunar dust, in Planetary and Space Science, vol. 74, n. 1, 2012-12, pp. 57–71, DOI:10.1016/j.pss.2012.05.023.
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  46. ^ (EN) Rachel Caston, Katie Luc e Donald Hendrix, Assessing Toxicity and Nuclear and Mitochondrial DNA Damage Caused by Exposure of Mammalian Cells to Lunar Regolith Simulants, in GeoHealth, vol. 2, n. 4, 2018-04, pp. 139–148, DOI:10.1002/2017GH000125.

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