Zkoumání vzorků z Měsíce u nás

Vladimír Wagner

V době čtyřicátého výročí přistání lidí na Měsíci je dobré si připomenout, že i čeští vědci se podíleli na zkoumání vzorků měsíčních hornin získaných výpravami v rámci projektu Apollo i automatickými stanicemi Luna.

V tomto roce se slaví čtyřicáté výročí prvního přistání lidí na Měsíci. Součástí vzpomínek na tuto událost je i výstava „Návrat na Měsíc“, která probíhá od 21. července ve Štefánikově hvězdárně v Praze na Petříně. Vystavuje se zde i vzorek horniny z Apolla 11. Čtyři velmi malinké úlomky z Měsíce věnoval "československému lidu" tehdejší americký prezident Richard Nixon a byly spolu s československou vlajkou, kterou sebou američtí astronauti na Měsíc vzali, pouze symbolickým darem. Zajímavým tématem pro tuto chvíli je připomenutí toho, že se na území tehdejšího Československa vyskytovala i větší množství měsíčních hornin. Měsíční vzorky se tu dokonce velice intenzivně zkoumaly. Nejdříve bych připomenul, že v roce 1970 byl v Ondřejově vystavován kus horniny z Apolla 11 o hmotnosti 21,3 g. To šlo pouze o vystavení, ale jiné měsíční horniny naši vědci i studovali.

Za součást oslav výročí startu Apolla 11 u nás lze považovat návštěvu astronauta Andrewa Feustela, který byl účastníkem posledního letu k Hubblova teleskopu. Andrew Feustel s manželkou Indirou, která má i české kořeny, a knihou Jana Nerudy Písně kosmické. (Foto: Petr Hloušek, Právo)

Vzorky z Apolla 11 a 12

Počátky výzkumů měsíčních hornin u nás jsou spojeny s Miloslavem Vobeckým, Zdeňkem Řandou a Jaroslavem Fránou. Jsou založeny na jejich pokrocích ve využití jaderně-chemických metod pro zjišťování i velmi malých množství jednotlivých prvků v geologických vzorcích v druhé polovině šedesátých let. V článku o meteorech a meteoritech jsem popsal metodu neutronové aktivační analýzy. Při jejím použití se vzorek ozáří v reaktoru přesně známým množstvím neutronů. Radioaktivní jádra vzniklá reakcemi neutronů se rozpadají a při tom vyzařují i záření gama s přesně danými energiemi, které umožňují identifikovat jednotlivé prvky i izotopy.

Právě v polovině šedesátých let se na Oddělení jaderné spektroskopie Ústavu jaderné fyziky Akademii věd začaly využívat polovodičové germaniové detektory záření gama. Československo bylo jednou z prvních zemí, kde se tyto detektory i vyráběly. Polovodičové detektory měly dramaticky lepší energetické rozlišení než dříve využívané detektory scintilační. A právě určení přesné energie linek vyzařovaných aktivovaným vzorkem umožňuje zmíněnou identifikaci jednotlivých prvků a izotopů.

Sběr vzorku po přistání Apolla 12 na Měsíci (zdroj NASA).

Skupina v Řeži měla z dřívější doby široké zkušenosti v oblasti jaderné spektroskopie a využití metod jaderné chemie při studiu velmi vzácných radioizotopů. Na rozhraní padesátých a šedesátých let bylo jen velmi málo velkých urychlovačů i kvalitních chemických a detektorových laboratoří. V Spojeném ústavu jaderných výzkumů (SÚJV) v Dubně nedaleko Moskvy začal relativně nově pracovat velký urychlovač, který umožňoval urychlovat protony na kinetickou energie, která byla více než polovina hodnoty energie spojené s jeho hmotností. Takový svazek protonů se nechal dopadat na tantalový terč, kde docházelo k tříštivým reakcím a vzniku široké palety i velmi vzácných radioaktivních jader. Řada z nich byla v té době jen velmi málo známa nebo nebyla známa vůbec. Po ozáření se tantalové terče převezly na letiště v Moskvě a letadlem (v té době byly zahájeny proudové lety TU 104) se dopravily na letiště do Prahy. Z letiště pak do Řeže, kde se chemicky z terčů separovaly a potom zkoumaly různé vzácné i relativně krátce žijící izotopy různých prvků.

Kromě zkušeností s měřením záření gama bylo další důležitou podmínkou pro používání neutronové aktivační analýzy existence reaktoru v areálu řežského ústavu. Od reaktoru do měřící místnosti s germaniovými detektory záření gama vedla potrubní pošta, která ozářený vzorek přepravila během pár desítek sekund k detektorům. Bylo tak možné měřit záření i velmi krátce žijících jader. V Řeži tak byly zahájeny první měření pomocí metody nedestrukční neutronové aktivační analýzy a rozvoj této metody. V té době se vyskytovala jen ojedinělá sdělení o použití této metody a pouze v USA. Bylo třeba zjistit možnosti metody a její ověření na pozemských horninách. Tomu se řežská skupina ve spolupráci s Ústavem nerostných surovin v Kutné Hoře věnovala.

Ukázka jednoho ze spekter měřeného po ozáření jednoho z měsíčních vzorků neutrony z reaktoru (zdroj Z. Řanda et al.: Journal of Radioanalytical Chemistry 11(1973)305).

Své zkušenosti skupina nabídla návrhem analýzy vzorků měsíčních nerostů pro projekt „Lunar Sample Analysis Program“ (LSAP) vyhlášený organizací NASA. Schválení českého návrhu bylo oznámeno v únoru 1970. V červenci tak Miloslav Vobecký převzal tři gramové vzorky z Apolla 11 a 12, propůjčené pro účely těchto výzkumů. Jednalo se o jeden sypký vzorek z Apolla 11 pocházející z Moře klidu a jeden sypký vzorek a jeden vzorek pevné horniny z Apolla 12 získaný z Oceánu bouří. K jedné analýze bylo potřeba pouze 50 mg vzorku, tak se ve spolupráci s mineralogem a geochemikem Jaroslavem Bauerem provádělo oddělování jednotlivých kousků minerálů k samostatné analýze.

Samotný výzkum se podařilo podle dohody provést velice rychle. Ve vzorcích se určila množství okolo čtyřicítky různých prvků. Zajímavé bylo zjištění, že složení vzorků z různých míst se lišilo daleko méně, než je tomu u vzorků pozemských. Už tehdy se autoři zajímali o tektity (vltavíny a další), takže pro ně bylo důležitou informací, že složení tektitů je mnohem bližší pozemským horninám než těm měsíčním.

Souborný referát byl připraven a odeslán na konferenci „Second Lunar Science Conference“ konané v Houstonu v lednu 1971. Bohužel, v té době se už naplno začala rozbíhat normalizace. Miloslavu Vobeckému nebylo povoleno na konferenci vycestovat. Vzorky měsíčních hornin se podle dohody vrátily do USA. Vyzvu z NASA pro pokračování výzkumu i se vzorky z dalších výprav projektu Apollo už mu bylo zakázáno přijmout a spolupráce s Američany byla z politických důvodů zastavena. Jen se stihl časopisecky publikovat celkový přehled výsledků analýzy.

Obrázek Luny 16, která přistála v Moři hojnosti (Zdroj Zarya web).

Vzorky z Luny 16, Luny 20 a Luny 24 i vzorky z dalších misí Apollo

Podobný výzkumný program navrhl Miloslav Vobecký pro účast v lunárním programu prováděném automatickými sondami. Sověti na tento návrh velice rychle zareagovali, protože v té době ještě neměli skupinu, která by prováděla nedestruktivní neutronovou aktivační analýzu. V roce 1971 tak dostala Akademie věd část měsíčního vzorku o hmotnosti 1,07 g odebraného sondou Luna 16 z mořské oblasti Měsíce. Od výzkumu tohoto vzorku už byl Miloslav Vobecký odstaven a zakrátko musel opustit i pracoviště v Řeži, přešel do Geologického ústavu Akademie věd.

Protože se jednalo zase o poměrně velký vzorek a větší časový prostor, byl výzkum rozšířen i do jiných oblastí, než jsou jaderné metody určování množství jednotlivých prvků. Zúčastnilo se ho tak okolo desítky různých institucí patřících nejen pod Akademii věd. Podařila se pořídit řadu mikrofotografií různých úlomků měsíčních hornin nebo velice podrobné fotografie pomocí rastrovacího elektronového mikroskopu. Uplatnila se řada dalších fyzikálních i chemických metod. Pochopitelně se prováděl i výzkum prvkového složení jednotlivých částí pomocí neutronové aktivační analýzy a dalších jaderně chemických metod v Ústavu jaderné fyziky Akademie věd.

Pouzdro se vzorky hornin s Luny 24 po dopravě na Zemi. Podařilo se dopravit zhruba 170 g horniny z hloubky až 2,6 m. (zdroj Zarya web).

Automatická sonda Luna 16 přistála v oblasti Moře hojnosti. Obdržený vzorek pocházel z hloubky 30 cm pod povrchem. Nejhrubší části získaného mořského regolitu byl sypký písčitý prach, složený z drobných zrnek tmavošedé až černošedé barvy. Obsahoval úlomky rozmanitých hornin, minerálů, skel i skleněných kuliček. Nacházely se v něm původní měsíční krystalické horniny (mořské bazaltické i pevninské anortozitické) i sekundární měsíční horniny, které prodělaly přeměnu na měsíčním povrchu například během dopadů těles z vesmírného prostoru (brekcie, škváry, strusky a skla). Tvary skleněných kuliček, vzniklých přetavením materiálu během dopadu vesmírných těles, se formovaly při jejich chladnutí během letu nad povrchem Měsíce.

Na základě velice dobrých výsledků výzkumů byly pak do Československa dovezeny vzorky (0,5 g) z Luny 20, která naopak přistála v pevninské oblasti Měsíce. Naskytla se tak výborná možnost srovnat vzorky z pevninské a mořské části Měsíce. Ještě později bylo možno zkoumat vzorky z Luny 24, která v roce 1976 přistála v Moři krizí, tedy opět možnost zkoumat mořské horniny, tentokrát i z dosti velké hloubky. Zároveň byly z ruské strany poskytnuty vzorky ze všech šesti výprav Apolla, které na Měsíci přistály. Ruská strana je obdržela od americké výměnou za své vzorky z automatických sond Luna. Celý program výzkumů se stal docela rozsáhlým a probíhal pod hlavičkou organizace Interkosmos až do začátku devadesátých let. Čeští vědci se tak dostali ke vzorkům ze všech expedic lidí i automatů, které z Měsíce horniny přivezly. Mezinárodní spolupráce tak přispěla k rozšíření našich znalostí o složení materiálů na našem nejbližším vesmírném sousedovi. Zároveň tak přispěla i u nás k velmi intenzivnímu rozvoji metod, které umožňují studovat velmi malá množství velice vzácných materiálů hlavně nedestruktivními metodami.

Kuličky přetaveného materiálu, jsou vidět dutiny vzniklé unikajícím plynem(zdroj. V. Hulinský et al.: Kristall und Technik (1973)1287)

Zkoumání měsíčních hornin u nás je dokladem toho, že se zde prováděl špičkový výzkum a naši vědci byli a jsou na vynikající úrovni. Popsal jsem jen některé části široké oblasti výzkumu a nebylo mým cílem podat úplný jeho přehled. Proto jsem řadu zajímavých výsledků i jmen musel vynechat. Jako jaderný fyzik jsem se zaměřil hlavně na velice úspěšnou oblast jaderných metod používaných pro nedestruktivní určení množství prvků a izotopů v hornině. Zde se podařilo zanechat znatelnou stopu při zavedení i rozvoji těchto metod. Ty jsou v současné době využívány při řešení obrovské škály problémů od ekologie přes geologii a astrofyziku, až po archeologii a restaurátorství.

Zmíněná historie zároveň ukazuje, jak drasticky destrukčním způsobem může zasáhnout politika do vědeckého výzkumu. A je třeba ji připomínat právě v době, kdy se někteří politici opět snaží o neméně drastické zásahy do naší vědy.

O využití při zkoumání meteoritů jsem na Oslovi psal. Tyto současné výzkumy ukazují, že naše skupiny zkoumající vzácné vzorky materiálu vesmírného původu jaderně-chemickými metodami jsou stále na špičkové úrovni. Další rozvoj těchto metod může být velmi důležitý pro studium malých vzorků materiálů i z jiných těles Sluneční soustavy, než je Měsíc. Jsme dnes členy ESA a naši odborníci jsou zapojeni do mezinárodní kosmické spolupráce. Je tak možné, že následovníci Miloslava Vobeckého, Zdeňka Řandy a Jardy Frány, jejichž rukama prošly vzorky z Měsíce, si sáhnou třeba na vzorky z Marsu.

Tento článek je třetí ze série o zajímavých výzkumech, které se provádějí v ústavech Akademie věd České republiky. Rád bych jej věnoval nestorům využití jaderně- chemických metod pro studium nejen vzorků z Měsíce Miloslavovi Vobeckému, Zdeňkovi Řandovi a Jaroslavovi Fránovi.

V Řeži 6. srpna 2009

---