Kosmochemie

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 7. října 2021; kontroly vyžadují 7 úprav .

Kosmochemie ( řecky κόσμος kósmos, „vesmír“ a χημεία khemeía, „chemie“ ) nebo Chemická kosmologie  je odvětví chemie , které studuje chemické složení hmoty ve vesmíru a procesy, které k tomuto složení vedly [1] . Kosmochemie zkoumá převážně „studené“ procesy na úrovni atomicko-molekulárních interakcí látek, zatímco „horké“ jaderné procesy ve vesmíru – plazmatický stav hmoty, nukleosyntéza (proces vzniku chemických prvků) uvnitř hvězd je astrofyzika . Kosmochemie si klade za úkol především studovat chemické složení objektů ve sluneční soustavě , zejména meteoritů , prvních těles kondenzovaných z rané sluneční mlhoviny .

Historie kosmochemie

Vznik a rozvoj kosmochemie je spojen především s díly Victora Goldschmidta , G. Ureyho a A.P. Vinogradova . Nor Viktor Goldshmidt v období 1924-1932 poprvé formuloval zákonitosti rozložení prvků v meteoritové hmotě a našel základní principy rozložení prvků ve fázích meteoritů (křemičitanové, sulfidové, kovové). V roce 1938 Victor Goldshmidt a jeho kolegové na základě analýzy několika pozemských a meteoritových vzorků sestavili seznam „kosmické hojnosti“ [2] , což znamenalo začátek kosmochemie.

Americký fyzik Harold Urey , který je nazýván „otcem kosmochemie“ [1] , provedl v 50. a 60. letech mnoho výzkumů , které vedly k pochopení chemického složení hvězd.

Studium chemických procesů ve vesmíru a složení kosmických těles se až do druhé poloviny 20. století provádělo především hmotnostní spektrometrií Slunce , hvězd a částečně i vnějších vrstev atmosféry planet. Jedinou přímou metodou pro studium kosmických těles byla analýza chemického a fázového složení meteoritů. Rozvoj kosmonautiky otevřel kosmochemii nové příležitosti k přímému studiu hornin Měsíce v důsledku odebírání vzorků půdy. Vozidla s automatickým sestupem umožnila studovat hmotu a podmínky její existence v atmosféře a na povrchu jiných planet Sluneční soustavy a asteroidů , v kometách (viz Seznam prvních přistání na nebeských tělesech ). Všechna mistrovství v této oblasti v polovině 20. století patřila SSSR a na konci 20. a začátku 21. století. — USA , EU a Japonsko .

V roce 1960 americký fyzik, hmotnostní spektrometr John Reynolds, analýzou nuklidů s krátkou životností v meteoritech určil, že prvky sluneční soustavy vznikly dříve než samotná sluneční soustava, což znamenalo počátek stanovení časového měřítka pro procesy rané sluneční soustavy [3] .

Sovětský geochemik , akademik Akademie věd SSSR ( 1953 ) a její místopředseda od roku 1967 A.P. Vinogradov provedl přístrojová stanovení chemického složení planetárních těles, podle údajů získaných pomocí meziplanetárních vesmírných stanic, poprvé prokázal přítomnost hornin čedičového složení na povrchu Měsíce (" Luna-10 ", 1966 ) a poprvé určila přímým měřením chemické složení atmosféry Venuše (" Venus-4 ", 1967 ) [4] . Pod vedením akademika Vinogradova byla provedena studie vzorků měsíční půdy dodané v roce 1970 na území SSSR z plochého povrchu Moře hojnosti návratovým aparátem sovětské automatické meziplanetární stanice Luna . -16 ", a vzorky z kontinentální oblasti Měsíce, dodané stanicí " Luna-20 " do roku 1972 . SSSR však další vesmírný závod prohrál. Na začátku 21. století, poté, co se Čína ujala vedení v průzkumu Měsíce obecně, a odvrácené strany Měsíce zvláště, se stala uchazečem o vítězství ve druhém lunárním závodě .

Meteority

Meteority jsou jedním z nejdůležitějších nástrojů pro vesmírné chemiky ke studiu chemické povahy sluneční soustavy. Mnoho meteoritů pochází z materiálu starého jako samotná sluneční soustava a poskytuje vědcům informace o rané sluneční mlhovině . Uhlíkaté chondrity jsou obzvláště primitivní, což znamená, že si od svého vzniku před 4,56 miliardami let zachovaly mnoho svých chemických vlastností [5]  , a proto jsou středem zájmu kosmochemického výzkumu.

Nejprimitivnější meteority také obsahují malé množství materiálu (<0,1 %), který je nyní rozpoznán jako předsluneční zrno , starší než samotná Sluneční soustava, a který pocházel přímo ze zbytků jednotlivých supernov , zásobujících prach, ze kterého vznikla sluneční soustava. Tato zrna jsou rozpoznatelná svým exotickým chemickým složením cizím sluneční soustavě (např. grafit , nanodiamant , karbid křemíku ). Často mají také poměr izotopů, který se liší od poměru izotopů ve zbytku Sluneční soustavy (zejména Slunce), což naznačuje zdroje v řadě různých explozí supernov. Meteority mohou také obsahovat zrna mezihvězdného prachu, která se shromažďují z neplynných prvků v mezihvězdném prostředí jako druh kosmického prachu ("hvězdný prach").

Objevy NASA z roku 2011 , založené na studiích meteoritů nalezených na Zemi, naznačují, že složky DNA a RNA ( adenin , guanin a příbuzné organické látky ), stavební kameny pro život, by se mohly tvořit ve vesmíru [6] [7] .

Komety

V roce 2009 vědci NASA poprvé identifikovali jeden ze základních chemických stavebních kamenů života (aminokyselina glycin ) v kometě v materiálu vyvrženém z komety 81P/Wild v roce 2004 a přijatém sondou NASA Stardust [8] [9] .

V roce 2015 vědci oznámili, že po historicky prvním přistání evropského přistávacího modulu Philae na povrchu komety 67P/Churyumov-Gerasimenko byla zahájena měření přístrojem, který je kombinovaným plynovým chromatografem a hmotnostním spektrometrem COSAC a přístrojem pro měření poměru stabilní izotopy [cs ] v klíčových těkavých složkách komety Ptolemaiova jádra identifikovaly 16 organických sloučenin, z nichž čtyři byly poprvé detekovány na kometě ( acetamid , aceton , methylisokyanát a propionaldehyd ). Na vzniku zařízení a jeho vybavení se podílely Rakousko , Finsko , Francie , Německo , Maďarsko , Itálie , Irsko , Polsko , Velká Británie a Rusko .

Mezihvězdný prostor

V mezihvězdném prostoru se v extrémně nízkých koncentracích nacházejí atomy a molekuly mnoha prvků , dále minerály ( křemen , silikáty , grafit a další), různé složité organické sloučeniny se syntetizují z primárních slunečních plynů H 2 , CO , NH 3 , O 2 , N 2 , S a další jednoduché sloučeniny za rovnovážných podmínek za účasti záření .

V roce 2004 ohlásili američtí vědci objev anthracenu a pyrenu v ultrafialovém záření mlhoviny Červený obdélník , která se nachází ve vzdálenosti 1000 světelných let od Země (žádné jiné podobné složité molekuly nebyly dříve ve vesmíru nalezeny) [10] .

V roce 2010 byly v mlhovinách objeveny fullereny (neboli „  buckyballs “), které se  pravděpodobně podílely na vzniku života na Zemi [11] .

V roce 2011 hongkongští vědci oznámili, že kosmický prach obsahuje složité organické látky („amorfní organické pevné látky se smíšenou aromatickou a alifatickou strukturou“), které mohou být přirozeně a rychle vytvořeny hvězdami [12] [13] [14] .

V roce 2012 astronomové z Kodaňské univerzity ohlásili objev specifické molekuly cukru, glykolaldehydu , ve vzdáleném hvězdném systému kolem protohvězdné dvojhvězdy IRAS 16293-2422 , 400 světelných let od Země. Glykolaldehyd je nezbytný pro tvorbu RNA . Bylo navrženo, že složité organické molekuly se mohou tvořit ve hvězdných systémech před vznikem planet a nakonec dorazit na mladé planety na začátku jejich formování [15] Vědci NASA oznámili, že polycyklické aromatické uhlovodíky (PAH) umístěné v laboratorních podmínkách, simulující mezihvězdné prostředí (teplota minus 268 stupňů Celsia, bombardováno ultrafialovým zářením podobným tomu, které vyzařují hvězdy) se přeměňuje hydrogenací , okysličováním a hydroxylací na složitější organické sloučeniny – „krok k aminokyselinám a nukleotidům “ [16] [17] .

V roce 2013 projekt ALMA objevil v obřím plynovém oblaku asi 25 000 světelných let od Země možné prekurzory klíčové složky DNA , kyanomethaniminu, který produkuje adenin , jednu ze čtyř dusíkatých bází tvořících nukleové kyseliny . Předpokládá se, že další molekula, zvaná ethanamin, hraje roli při tvorbě alaninu , jedné z dvaceti aminokyselin v genetickém kódu . Dříve se vědci domnívali, že k takovým procesům dochází ve velmi řídkém plynu mezi hvězdami. Nové objevy však naznačují, že ke vzniku těchto molekul nedocházelo v plynu, ale na povrchu ledových zrn v mezihvězdném prostoru [18] [19] .

Měsíc

Průzkum Měsíce pomocí kosmických lodí začal ve 20. století. Povrch Měsíce 14. září 1959 poprvé dosáhla sovětská automatická meziplanetární stanice Luna-2 . Sovětský geochemik Vinogradov A.P. nejprve zjistil přítomnost hornin čedičového složení na povrchu Měsíce („ Luna-10 “, 1966 ), později v roce 1970 studoval měsíční horniny Sea of ​​Plenty ( Luna-16 ), v roce 1972 - vzorky z pevninské oblasti Měsíce ( Luna-20 ) .

Byly identifikovány převládající minerály na měsíčním povrchu, včetně klinopyroxenu, ortopyroxenu, olivínu , plagioklasu , ilmenitu , aglutinátů a vulkanických skel . Na Měsíci byly objeveny různé minerály - železo , hliník , titan , byla objevena přítomnost vodního ledu na měsíčním povrchu (možnost vytvoření kyslíkovo-vodíkového paliva na jeho základě).

V roce 2020 dopravila čínská sonda Chang'e-5 na Zemi měsíční půdu z oblasti Měsíce s vysokým obsahem KREEP [20] . Po dvou letech výzkumu Čínská národní vesmírná agentura a Čínský úřad pro atomovou energii (CAEA) oznámily objev nového, šestého minerálu objeveného lidmi na Měsíci – dostal jméno chan'ezite – (Y) ( anglicky changesite – (Y), "Chang'e stone"). Čína se stala třetí zemí na světě, která objevila nový měsíční minerál klasifikovaný jako fosfátový minerál.

Plány na těžbu helia-3 na Měsíci

Helium-3 je vzácný izotop , který stojí přibližně 1 200 dolarů za litr plynu, který je potřebný v jaderné energetice k zahájení fúzní reakce . Teoreticky (pro srovnání můžeme zhodnotit úskalí a problémy projektu International Experimental Thermonuclear Reactor ), při hypotetické fúzní reakci, při které 1 tuna helia-3 reaguje s 0,67 tuny deuteria , se uvolní energie ekvivalentní spalování 15 milionů tun ropy, což by obyvatelstvu naší planety vystačilo na pět tisíciletí [21] . Helium-3 je vedlejším produktem reakcí probíhajících na Slunci a nachází se v určitém množství ve slunečním větru a meziplanetárním prostředí. Helium-3 vstupující do zemské atmosféry z meziplanetárního prostoru se rychle rozptýlí zpět, jeho koncentrace na Zemi a v její atmosféře je extrémně nízká. Obsah helia-3 v měsíčním regolitu je mnohem vyšší než na Zemi ~ 1 g na 100 tun, k extrakci jedné tuny tohoto izotopu by se mělo na místě zpracovat minimálně 100 milionů tun půdy. Obsah hélia-3 v lunárním regolitu v roce 2007 odhadla NASA na přibližně 0,5 milionu tun [22] až 2,5 milionu tun [23] .

Čínská mise Chang'e-1 si v roce 2009 stanovila za úkol odhadnout hloubkové rozložení prvků pomocí mikrovlnného záření ke zpřesnění rozložení helia-3 a odhadu jeho obsahu.

V roce 2022 Čínská národní vesmírná agentura a Čínský úřad pro atomovou energii (CAEA) na základě studií měsíční půdy dodané kosmickou lodí Chang'e-5 oznámily, že podle výpočtů čínských vědců je až 1,1 milionu tun helium-3 jsou obsaženy na povrchu Měsíce [24] .

Během prvního lunárního závodu v 60. letech měly dvě vesmírné supervelmoci, USA a SSSR, plány na vybudování lunárních základen, které se neuskutečnily. Sovětský lunární program byl omezen. Na počátku 21. století podnítil objev ledových ložisek na pólech Měsíce start druhého měsíčního závodu mezi Spojenými státy ( program Artemis ), Čínou (čínský lunární program ), Ruskem ( ruský lunární program ), Evropská unie ( program Aurora ), Japonsko a Indie. Všechny tyto programy zajišťují vytvoření základen na Měsíci.

Hlavní vědec Čínského lunárního programu, geolog, kosmolog-chemik Ouyang Ziyuan , je od roku 2008 iniciátorem rozvoje lunárních rezerv ( titan a další cenné kovy a helium-3 jako palivo pro budoucí termonukleární energii).

Mars

Podle analýzy sbírky marťanských meteoritů se povrch Marsu skládá převážně z čediče .

Od roku 2003 probíhá program Mars Express Evropské vesmírné agentury , který je určen ke studiu Marsu . Podle výsledků pozorování ze Země a dat ze sondy Mars Express byl v atmosféře Marsu detekován metan .

Od roku 2011 probíhá mise NASA Mars Science Laboratory .

V roce 2014 vozítko NASA Curiosity detekovalo výbuch metanu v atmosféře Marsu a detekovalo organické molekuly ve vzorcích získaných z horniny Cumberland [25] .

V roce 2017 byl pomocí laserové jiskrové emisní spektrometrie nalezen bór v půdě v kráteru Gale pomocí přístroje ChemCam [en] , což je argument na podporu obyvatelnosti Marsu v minulosti [26] [27] .

V roce 2020 byly na Mars vyslány expedice Mars 2020 ( NASA ), Al Amal ( SAE Space Agency) a Tianwen-1 ( China National Space Administration ) . Všechny tři expedice dosáhly Marsu v únoru 2021.

Viz také

Literatura

Poznámky

  1. ↑ 1 2 Harry Y. McSween Jr Jr a Gary R. Huss. Kosmochemie . - 2010. - ISBN 978-0-521-87862-3 .
  2. ↑ Goldschmidt, Victor (1938). Geochemische Verteilungsgestze der Elemente IX . Oslo: Skrifter Utgitt v Det Norske Vidensk. Akad.
  3. ↑ Reynolds, JH Isotop Composition of Primordial Xenon  //  Physical Review Letters. - 1960. - Duben. - doi : 10.1103/PhysRevLett.4.351 .
  4. ↑ Akademik A.P. Vinogradov, Yu.A. Surkov, K.P. Florenskij, B.M. Andreychikov. Stanovení chemického složení atmosféry Venuše meziplanetární stanicí "Venera-4"  // AKADEMIE VĚD SSSR. Astronomie. - 1968. - T. 179 , č. 1 .
  5. ↑ McSween, HY Jsou uhlíkaté chondrity primitivní nebo zpracované?  (anglicky)  // Recenze geofyziky a vesmírné fyziky. - 1979. - srpen ( č. 17(5) ). — S. 1059-1078 . - doi : 10.1029/RG017i005p01059 .
  6. ↑ Callahan, poslanec; Smith, K. E.; Cleaves, HJ; Růžička, J.; Stern, JC; Glavin, D.P.; House, CH; Dworkin, JP Carbonaceous meteority obsahují širokou škálu mimozemských nukleobází  //  Proceedings of the National Academy of Science. - 2011. - srpen ( č. 108(34) ). — S. 13995–13998 . - doi : 10.1073/pnas.1106493108 .
  7. ↑ Výzkumníci z NASA : Stavební bloky DNA lze vyrobit ve vesmíru  . https://www-nasa-gov (08.08.2011).
  8. ↑ V kometě byla zjištěna „chemikálie života“  . https://news-bbc-co-uk (18. 8. 2009).
  9. ↑ Aminokyselina byla poprvé objevena v ohonu komety . https://lenta.ru (18.08.2009).
  10. ↑ Stephen Battersby. Vesmírné molekuly ukazují na organický  původ . https://www-newscientist-com (01/09/2004).
  11. ↑ NANCY ATKINSONOVÁ. Buckyballs by mohlo být ve  vesmíru hojné . https://www-universetoday-com (27.10.2010).
  12. ↑ Sun Kwok, Yong Zhang. Smíšené aromaticko-alifatické organické nanočástice jako nosiče neidentifikovaných  vlastností infračervené emise . https://www-nature-com (26.10.2011). doi : 10.1038/příroda10542 .
  13. ↑ Astronomové objevují složitou organickou hmotu, která existuje v celém  vesmíru . https://www-sciencedaily-com (27.10.2011).
  14. ↑ Denise Chow. Discovery: Kosmický prach obsahuje organickou hmotu z  hvězd . https://www-space-com (26.10.2011).
  15. ↑ Jørgensen, JK; Favre, C. Detekce nejjednoduššího cukru, glykolaldehydu, v protohvězdě slunečního typu pomocí ALMA  // The Astrophysical Journal. - č. 757 (1) . - doi : 10.1088/2041-8205/757/1/L4 .
  16. ↑ Gudipati, Murthy S.; Yang, Rui. Sondování n-situ zářením indukovaného zpracování organických látek v astrofyzikálních ledových analogech – nová laserová desorpce Laserová ionizace hmotnostní spektroskopické studie s časem letu  //  The Astrophysical Journal Letters. - 2012. - 17. srpna ( č. 756 (1) ). - doi : 10.1088/2041-8205/756/1/L24 .
  17. ↑ NASA vaří ledové organické látky, aby napodobila  původ života . https://www-space-com (20.09.2012).
  18. ↑ Loomis, Ryan A.; Zaleski, Daniel P.; Steber, Amanda L.; Neill, Justin L.; Muckle, Matthew T.; Harris, Brent J.; Hollis, Jan M.; Jewell, Philip R.; Lattanzi, Valerio; Lovas, Frank J.; Martinez, Oscar; McCarthy, Michael C.; Remijan, Anthony J.; Pate, Brooks H.; Corby, Joanna F. Detekce mezihvězdného etaniminu (Ch3Chnh) z pozorování pořízených během průzkumu Gbt Primos  //  The Astrophysical Journal. - 2013. - Duben ( č. 765 (1): L9 ). - doi : 10.1088/2041-8205/765/1/L9 .
  19. ↑ Dave Finley. Objevy doporučují ledový kosmický start pro aminokyseliny a složky DNA  . https://www-nrao-edu (28.02.2013).
  20. ↑ Honglei Lin. In situ detekce vody na Měsíci přistávacím modulem Chang'E-5  //  Science Advances. - 2022. - 7. ledna ( roč. 8 , č. 1 ). - doi : 10.1126/sciadv.abl9174 .
  21. ↑ Těžba helia-3 na Měsíci poskytne pozemšťanům energii na 5 tisíc let . https://ria.ru (25.07.2012).
  22. ↑ Ivan Vasiliev. Kolonizace sluneční soustavy je zrušena . https://3dnews.ru (06/03/2007).
  23. ↑ ODHAD PRAVDĚPODOBNÝCH ZÁSOB HÉLIA-3 V LUNÁRNÍM REGOLITU  //  Lunární a planetární věda XXXVIII. — 2007.
  24. ↑ Ramis Ganiev. Na Měsíci byl nalezen nový minerál a zdroj „energie pro všechny lidi na Zemi“ . https://hi-news.ru (13.09.2022).
  25. ↑ Grotzinger, John P. Habitability, Taphonomy, and the Search for Organic Carbon on Mars   // Science . - 2014. - doi : 10.1126/science.1249944 . - .
  26. ↑ Patrick J. Gasda, Ethan B. Haldeman, Roger C. Wiens, William Rapin, Thomas F. Bristow. In situ detekce boru pomocí ChemCam na Marsu  (anglicky)  // Geophysical Research Letters. - 2017. - ISSN 1944-8007 . - doi : 10.1002/2017GL074480 .
  27. ↑ Dmitrij Trunin. Kuriozita objevila bor v půdě Marsu . https://nplus1.ru (09/07/2017).


  Přejděte na položku Wikidata  Slovníky a encyklopedie
V bibliografických katalozích