La elusiva y fascinante historia del agua en la Luna

por Daniel Marín

La odisea del agua en la Luna no es tan repetitiva como la del agua en Marte, pero casi. Cada cierto tiempo aparece un estudio sobre la presencia de oxidano en nuestro satélite y, como es normal en estos tiempos que corren en los que la capacidad de atención es prácticamente nula, siempre se arma cierto revuelo. Naturalmente, si queremos entender esta historia necesitamos un poco de contexto. La Luna no tiene atmósfera ni, a diferencia de Marte, nunca ha tenido una digna de tal nombre. Eso significa que el agua jamás ha podido fluir por la superficie. Pero es que además la cantidad de agua presente en el suelo lunar es prácticamente nula, otra diferencia significativa con el planeta rojo. Entonces, ¿de dónde viene la idea de que nuestro árido y yermo satélite puede tener agua?

Depósitos de hielo superficiales en el polo sur lunar (izquierda) y polo norte según los datos de la sonda india Chandrayaan 1 (NASA).

Ya en una fecha tan temprana como 1961 algunos astrónomos propusieron que el agua podría acumularse en forma de hielo dentro de algunos cráteres polares cuyo fondo siempre está en sombra. La oscuridad en el fondo de estos cráteres es fruto de la pequeña inclinación del eje de rotación de la Luna, que solo es de 1,5º. Muy bien, ¿pero de dónde procedería esta agua si la Luna es más seca que una mojama? Pues del choque de cometas y asteroides con alto contenido en volátiles. El agua se sublimaría en la colisión con la Luna y se dispersaría por gran parte de la superficie en forma gaseosa. Con el tiempo desaparecería para perderse en el espacio, pero una pequeña cantidad podría acumularse en el fondo de estos cráteres que nunca ven la luz del Sol.

Mosaico de imágenes del polo sur de la Luna visto por la sonda Clementine. Se aprecian las zonas en sombra (NASA/DoD).

Desgraciadamente, a pesar de las numerosas misiones espaciales que se lanzaron en los años 60 y 70, no sería hasta los años 90 cuando pudimos disponer de un mapa del relieve lunar lo suficiente detallado como para estimar la superficie de los cráteres polares que se hallan en sombra permanente, que hoy sabemos que ronda los 13.000 kilómetros cuadrados. Tuvimos que esperar a 1994 para que la sonda Clementine —un curioso proyecto en el que colaboraron la NASA y el Departamento de Defensa— pudo fotografiar por primera vez las hasta el momento hipotéticas regiones de sombra perpetua. Pero una cosa es que haya cráteres donde se puede acumular el hielo permanentemente y otra cosa muy distinta es que realmente lo haga.

La sonda Clementine (NASA).

La propia sonda Clementine intentó detectar hielo en el fondo de los cráteres polares usando una ingeniosa técnica de reflexión de radio, pero los resultados no fueron concluyentes. Aunque la mayoría de investigadores de la misión afirmó en su momento que la pequeña nave había detectado agua, la comunidad científica no se mostró muy impresionada. En 1998 la NASA lanzó la sonda Lunar Prospector para detectar hielo en los polos como uno de sus objetivos principales. Y, efectivamente, el espectrómetro de neutrones de la sonda detectó indirectamente la presencia de hidrógeno en el fondo de los cráteres polares. Instrumentos similares a bordo de sondas marcianas fueron los encargados de descubrir los gigantescos depósitos de hielo bajo la superficie, pero los datos de la Lunar Prospector tampoco fueron concluyentes. El problema es que el hidrógeno podía provenir no solo de moléculas de agua —lo más probable—, sino también de grupos hidroxilo (OH) y átomos de hidrógeno. O sea que sí, había agua en la Luna, pero nadie podía decir cuánta exactamente ni a qué profundidad, ni tampoco si había acumulaciones de hielo puro en el fondo de los cráteres. Los científicos de la Lunar Prospector estimaron que debían existir unas tres mil millones de toneladas (3 x 1012 kg) de hielo en los polos lunares. Ahora bien, obviamente no es lo mismo que este hielo se encuentre en forma de depósitos prístinos sobre la superficie que el que esté mezclado con el regolito lunar.

Sonda Lunar Prospector (NASA).

Datos de la Lunar Prospector sobre la concentración de hidrógeno en los polos lunares (NASA).

La diferencia es fundamental porque en el primer caso estamos hablando de un recurso que se podría usar para sustentar una base lunar. El agua se puede emplear para generar oxígeno e hidrógeno mediante hidrólisis, o sea, por el mismo precio tenemos asegurado el suministro de agua, oxígeno y combustible. En el segundo caso, sin embargo, la explotación del hielo sería mucho más compleja con la tecnología actual y el uso de tecnologías ISRU (In-Situ Resource Utilization) no sería tan atractiva. Los estudios de radar realizados con observatorios terrestres a principios de la pasada década favorecían la última opción, pero, una vez más, no eran concluyentes. Hacían falta más datos. En 2005 la administración Bush Jr. dio luz verde al Programa Constelación con el objetivo de poner un ser humano en la Luna en 2020. Como paso previo había que aclarar de una vez por todas varios misterios lunares, incluyendo el polémico asunto del hielo polar. Más que nada porque el Programa Constelación preveía la instalación de una base lunar cerca del polo sur para aprovechar el supuesto hielo. Como resultado, en 2009 la NASA desarrolló y lanzó las sondas LCROSS (Lunar CRater Observation and Sensing Satellite) y LRO (Lunar Reconnaisance Orbiter).

Las sondas LRO (arriba, plateada) y LCROSS (naranja) antes del lanzamiento (NASA).

LCROSS se estrelló a propósito contra el polo sur lunar para ver si la etapa Centaur que previamente había chocado contra la zona del cráter Cabeus levantaba algo de agua en el impacto. Los resultados fueron, para variar, no concluyentes. Parecía haber hielo, pero muy poco. Después de múltiples análisis los investigadores llegaron a la conclusión de que el regolito de los polos lunares contenía un 5,6% de hielo aproximadamente. Poco a poco la hipótesis de que el hielo lunar estaba mezclado con el regolito se fue imponiendo. Eran malas noticias para una base lunar, aunque no importó mucho porque el Programa Constelación sería cancelado al año siguiente.

Antes y después del impacto de la etapa Centaur contra el polo sur de la Luna (NASA).

El polo sur lunar y un planeta habitable visto por la sonda japonesa Kaguya. Se aprecia el cráter Shackleton, en cuyo borde la NASA quería instalar una base lunar aprovechando el hielo de su fondo (NHK/JAXA).

Por su parte, LRO comenzó a buscar evidencias del elusivo hielo lunar usando todos los recursos posibles. Por un lado se usó el altímetro láser LOLA para comprobar si la reflectividad del suelo de los cráteres en los polos era homogénea o no. Por otro, se empleó un radar. En ambos casos, adivinen la respuesta, los resultados fueron confusos. El instrumento ruso LEND confirmó y refinó los datos del espectrómetro de neutrones de la Lunar Prospector, mientras que el instrumento DIVINER de la sonda demostró que la temperatura el fondo de los cráteres polares se mantenía entre los —234 y los —121 ºC, más que suficiente para permitir la presencia de hielo. Pero en realidad ya se sabía desde 2007 que los cráteres en sombra permanente no tenían grandes depósitos de hielo puro sobre su superficie merced a las imágenes de la sonda japonesa Kaguya.

Datos del espectrómetro de neutrones ruso LEND a bordo de la sonda LRO sobre la presencia de hidrógeno en el polo sur lunar (NASA/Roscosmos).

El fondo del cráter Shackleton del polo sur lunar, sumido en sombra perpetua, visto por Kaguya usando la luz dispersa por las zonas iluminadas. No hay grandes depósitos de hielo puro (JAXA).

Temperaturas de los cráteres del polo sur lunar durante el día y la noche según la LRO (NASA).

Así que a principios de esta década estaba claro que el hielo lunar era escaso y se hallaba mezclado en su mayor parte con el regolito. Algunos optimistas seguían pensando que podían existir pequeños depósitos de hielo puro en la superficie del fondo de los cráteres polares, pero había que demostrarlo. ¿Y por qué es tan esquivo el hielo lunar? Principalmente porque las observaciones —en el visible, en el ultravioleta, usando altímetros láser y con espectrómetros de neutrones— no son capaces de discriminar claramente la presencia de agua —o sea, hielo— de la de hidrógeno y grupos hidroxilos mezclados con el regolito. Los grupos hidroxilo y el hidrógeno pueden provenir del agua, sí, pero también del viento solar (formado principalmente por protones). Llegados a este punto conviene separar el enigma del hielo en los polos con la detección de moléculas de agua y radicales hidroxilo en otras partes iluminadas de la Luna, un tema que también ha sido noticia en el pasado. Este «agua» procede de la interacción del regolito con el viento solar y, aunque se trata de un fenómeno muy interesante, se encuentra en forma gaseosa y en cantidades insignificantes.

Tampoco debemos confundirnos con el agua encontrada en el interior de las rocas lunares. Efectivamente, ahora sabemos que las rocas selenitas contienen hasta un 0,005% de agua. Sin duda es muy poco y no es aprovechable, pero estas trazas de agua han puesto en jaque el modelo tradicional de formación de la Luna. Según este modelo la Luna nació de la colisión entre la prototierra y un protoplaneta del tamaño de Marte —o más pequeño— denominado Theia. Pero de acuerdo con las versiones más simples de este modelo la Luna debería estar completamente seca, que no es el caso, así que debemos revisar los procesos de formación de nuestro satélite (la hipótesis más aceptada hoy en día es que el choque con Theia tuvo lugar, pero primero se formó una estructura de material fundido denominada sinestia). En cualquier caso, estas otras «aguas» no tienen nada que ver con el hielo polar.

Sonda india Chandrayaan 1 (ISRO).

¿Cómo aclarar este embrollo de una vez por todas? Pues una solución pasa por observar en el infrarrojo cercano. En estas longitudes de onda la firma espectral del agua es meridianamente clara. En 2008 la sonda india Chandrayaan 1 llegó a la Luna provista del espectrómetro infrarrojo M3 (Moon Mineralogy Mapper), suministrado por la NASA, dispuesta a resolver el misterio para siempre. El instrumento detectó agua, pero lamentablemente el rango de longitudes de onda en el que trabajaba no era lo suficientemente amplio como para distinguir inequívocamente el agua de los grupos hidroxilos. Y así quedaron las cosas hasta que el pasado 20 de agosto un grupo de investigadores publicó los resultados de un nuevo análisis de los datos del instrumento M3 tomados hace casi una década. La novedad es que los investigadores han podido aprovechar la luz indirecta que incide en las regiones de sombra de los cráteres permanente para detectar la firma espectral del agua. En su momento este análisis no se pudo hacer por el ruido sistemático de las observaciones, pero los investigadores, liderados por Shuai Li, han ideado una nueva técnica que permite obtener espectros viables.

Instrumento estadounidense M3 a bordo de la Chandrayaan 1 (NASA).

La conclusión es que existen depósitos de hielo lunar en varios cráteres con sombra permanente alejados hasta un máximo de 20º de cada polo lunar. Vamos, algo que ya era conocido. Pese a lo que han señalado muchos medios, la «noticia» es de todo menos nueva. Como hemos visto, desde finales de la década pasada sabíamos con seguridad que existía agua en la Luna. O, mejor dicho, hielo en los cráteres polares. La novedad es que en este caso estamos ante una prueba definitiva —el espectro del agua no miente— de que existe hielo puro sobre la superficie de los cráteres. Evidentemente, y como ya demostraron las sondas LRO y Kaguya, la extensión de los depósitos tiene que ser muy pequeña, pero algo es algo. Por poco que sea, el hielo puro superficial puede ser fácilmente aprovechado por humanos y máquinas para la exploración espacial. O, lo que es lo mismo, supone la diferencia entre explorar la Luna o no hacerlo.

Los depósitos de hielo puro a partir de los datos combinados de las sondas Chandrayaan y LRO (Shua Li et al.).

Pero persiste la duda de cuánto hielo hay en la Luna. La estimación de tres mil millones de toneladas contrasta con la cantidad de hielo descubierta en los cráteres polares de Mercurio, que se cree debe ser mil veces superior (!). Sí, como lo oyes, el planeta más cercano al Sol tiene en sus polos mucho más hielo —y hielo negro, para más inri— que nuestro satélite, a pesar de que la superficie en sombra permanente es inferior (0,12% en Mercurio y 0,16% en la Luna). La mayor gravedad de Mercurio y las intensas interacciones con el viento solar pueden estar detrás de esta diferencia. Además se cree que la Luna ha sufrido cambios en la inclinación de su eje de rotación que habrían destruido parte de sus depósitos de hielo originales. Curiosamente, el planeta enano Ceres es el tercer cuerpo del sistema solar en el que sabemos con total seguridad que existe hielo en los cráteres polares.

Cráteres del polo norte de Mercurio con sombra permanente con depósitos de hielo (Deutsch et al.).

En definitiva, sí, hay hielo en la Luna y sí, parte del mismo se encuentra en acumulaciones relativamente puras sobre la superficie. Ahora queda averiguar cuánta cantidad estamos hablando y qué entendemos por «puro». Pero no cabe duda de que la posibilidad de utilizar el hielo lunar de cara a la exploración de nuestro satélite y del resto del sistema solar es a día de hoy mucho más sólida.

Fuente: danielmarin.naukas.com