I ricercatori cinesi hanno fatto una scoperta inattesa nella polvere portata a casa dalla missione Chang’e-5: la presenza di sottili strati di carbonio, noti come grafene. L’analisi spettroscopica ha confermato che si tratta di grafene multistrato, una struttura di carbonio con uno spessore che varia dai due ai dieci atomi.
Per Wei Zhang, l’autore principale dello studio, questa scoperta potrebbe stravolgere le teorie sulla formazione della Luna e influenzare le future strategie per lo sfruttamento delle sue risorse.
Nuove prospettive sulla composizione lunare
La conferma del primo ritrovamento di grafene naturale nel suolo lunare apre nuove domande sul comportamento del carbonio in ambienti planetari privi di atmosfera. Fino a poco tempo fa, si pensava che la Luna fosse povera di carbonio, un’idea supportata dai campioni delle missioni Apollo che ne contenevano pochissimo. Gli scienziati ritenevano che la Luna si fosse formata dopo un violento impatto tra la Terra primordiale e un altro corpo celeste, un evento che avrebbe vaporizzato il carbonio.
Questa teoria ha iniziato a vacillare nel 2020, quando la sonda giapponese Kaguya ha rilevato tracce di carbonio su quasi tutta la superficie lunare. La conferma della sua presenza è cruciale, poiché il carbonio influenza la chimica vulcanica e la produzione di potenziali combustibili.
La scoperta ha un impatto notevole sia sul dibattito scientifico che sulla pianificazione delle future missioni. Gli ingegneri che progettano impianti per la produzione di ossigeno sulla Luna dovranno ripensare i loro piani, considerando la possibilità di utilizzare questo carbonio per creare plastiche o gas essenziali. Le tracce di carbonio aiutano inoltre a ricostruire l’origine di un corpo celeste: dato che il carbonio tende a vaporizzare negli impatti ad alta temperatura, la sua conservazione sulla Luna restringe il campo delle ipotesi sulla sua formazione e sulla sua storia antica.
L’analisi dei campioni lunari
La missione Chang’e-5 ha riportato sulla Terra circa 1,7 kg di materiale lunare dalla regione di Oceanus Procellarum. Il team di ricerca di Zhang ha esaminato un minuscolo granello di polvere utilizzando un laser speciale non invasivo. Questa analisi ha rivelato una struttura di carbonio simile alla grafite, con strati di alta qualità. Immagini ad alto ingrandimento hanno confermato la presenza di strati sottili, da due a sette, con una distanza di 0,35 nanometri l’uno dall’altro, del tutto paragonabile alla grafite terrestre.
Accanto a ogni strato di grafene sono state trovate nanoparticelle di ferro. La loro presenza suggerisce che dei catalizzatori metallici abbiano giocato un ruolo nella formazione del carbonio durante brevi periodi di riscaldamento. La Luna, priva di atmosfera, è costantemente bombardata dai protoni del vento solare, che possono liberare atomi e creare lampi di plasma che riscaldano la polvere a temperature elevate.
Il team di Zhang ipotizza che i gas di carbonio trasportati dal vento solare si siano attaccati alla polvere lunare calda e ricca di ferro, formando così gli strati di grafene. È possibile che antiche eruzioni vulcaniche nella zona abbiano mantenuto la temperatura abbastanza alta da permettere la formazione di rivestimenti più spessi. Questo meccanismo di crescita è supportato da studi di laboratorio che mostrano come il grafene possa formarsi sul ferro a temperature simili a quelle lunari.
La presenza di altri elementi come azoto, zolfo e molibdeno negli stessi grani suggerisce un processo chimico complesso e non un singolo evento isolato. Questa scoperta non solo fornisce un indizio sulla storia della Luna, ma potrebbe anche ispirare nuovi metodi per produrre grafene di alta qualità sulla Terra in modo più economico ed efficiente, sfruttando i principi della catalisi minerale.
Le implicazioni sul ritrovamento del grafene lunare
L’ipotesi classica della formazione della Luna, nota come impatto gigante, suggerisce che un corpo delle dimensioni di Marte abbia colpito la Terra 4,51 miliardi di anni fa. Questo evento avrebbe espulso roccia del mantello che, raffreddandosi, avrebbe formato una Luna povera di carbonio. Tuttavia, il ritrovamento di grafene nel basalto lunare indebolisce questa teoria, poiché la presenza di carbonio indigeno suggerisce che l’elemento sia sopravvissuto all’evento o si sia accumulato in seguito.
Una teoria alternativa propone un lento accumulo di polvere all’interno dell’orbita terrestre, che avrebbe intrappolato naturalmente il carbonio. Un’altra ipotesi accetta l’impatto gigante, ma sostiene che il vapore generato avrebbe successivamente riassorbito il carbonio dal vento solare durante una lunga fase di oceano di magma. Gli autori dello studio ritengono che la Luna potrebbe ancora catturare carbonio, modificando la nostra comprensione della sua composizione e della sua storia. Per confermare se questo processo si limita alla superficie o si estende in profondità, saranno necessarie future missioni con campionamenti più approfonditi.
Il grafene si distingue per la sua resistenza e le sue proprietà elettriche, rendendolo un materiale prezioso da estrarre sulla Luna insieme all’ossigeno. I fogli di grafene, spessi solo pochi atomi, potrebbero essere usati per rinforzare gli scudi antiradiazioni, per rivestire gli elettrodi dei supercondensatori o per filtrare l’acqua nei primi habitat lunari.
La produzione del grafene direttamente sulla Luna eviterebbe i costi elevati e le difficoltà di trasportare materiali come i nanotubi di carbonio o la plastica dalla Terra. I sistemi di estrazione potrebbero combinare la separazione magnetica, data la presenza di ferro, con una delicata sonicazione per staccare le scaglie, senza dover inviare attrezzature fragili. Il team di Zhang intende ora analizzare le proprietà meccaniche e termiche del grafene naturale per valutarne l’efficacia rispetto ai materiali prodotti in laboratorio. Ogni nuovo dato contribuirà a rafforzare la spinta verso un programma internazionale per mappare il carbonio lunare in tre dimensioni.
Lo studio è stato pubblicato sulla National Science Review.
