Experimento sobre la composición atmosférica lunar

El Experimento de Composición Atmosférica Lunar ( LACE ) era un espectrómetro de masas de deflexión magnética en miniatura (espectrómetro de masas neutro). El objetivo del experimento era estudiar la composición y las variaciones de la atmósfera lunar . El único despliegue de LACE fue como parte del Paquete de Experimentos de la Superficie Lunar del Apolo (ALSEP) en el Apolo 17 dentro del valle Taurus-Littrow . ^{[ 1 ] [ 2 ]}

LACE fue una continuación de los medidores de cátodo frío que se utilizaron en las misiones Apolo 14 y Apolo 15. [ ^{3 ] Esos} experimentos demostraron la existencia de una tenue atmósfera lunar y determinaron los límites superiores de la densidad atmosférica lunar durante el día y la noche lunares, pero dejaron su composición desconocida. ^{[ 3 ]}

Cuando las moléculas de gas entran en la abertura del experimento, se ionizan por bombardeo de electrones . Estos iones de gas se coliman en un haz y se dirigen a través de un analizador magnético hasta el detector. ^{[ 3 ]} Las fuentes de electrones e iones constan de dos filamentos, compuestos de 99 % de tungsteno y 1 % de renio . ^{[ 4 ]} Se podían escanear simultáneamente múltiples rangos de masas de iones variando el voltaje a través de la fuente de electrones e iones. Cada rango de masas tenía un sistema independiente para el conteo de iones. Cada sistema constaba de un multiplicador de electrones , un amplificador de pulsos, un discriminador y un contador. ^{[ 3 ]} El experimento podía detectar iones de 28 y 64 unidades de masa atómica al mismo tiempo, lo que permitía la medición simultánea de monóxido de carbono y dióxido de azufre . ^{[ 3 ]}

La precisión de registro del instrumento LACE se mantuvo en 1% para todos los conteos de 21 bits. Durante la calibración del instrumento, se descubrió que el flujo de iones, que incide en el detector a más de5 × 10 ⁵  cuentas/seg , resultó en la saturación del contador. ^{[ 3 ]}

LACE fue desplegado por los astronautas del Apolo 17 el 12 de diciembre de 1972, aproximadamente a las 05:00 UTC. La abertura de entrada se desplegó hacia arriba para medir el flujo descendente de gases en la superficie lunar. ^{[ 4 ]} Una pantalla antipolvo de nailon cubría la abertura orientada hacia arriba para protegerla durante las actividades de la misión en la superficie. Esta pantalla antipolvo se retiró por radio después de que la tripulación despegara y se detonaran las cargas sísmicas. El instrumento se activó por control terrestre a las 18:07 UTC del 27 de diciembre de 1972; aproximadamente 50 horas después de la primera puesta de sol tras el despliegue. ^{[ 2 ]}

Al amanecer, se observó que el calentamiento del sitio experimental y de los instrumentos de LACE producía altas tasas de desgasificación. Esto obligó a limitar el funcionamiento de LACE durante el día, salvo una breve comprobación cerca del mediodía. Las persistentes altas tasas de desgasificación diurna restringieron gravemente el funcionamiento de los instrumentos a lo largo de su historia, por temor a que las altas tasas de fondo degradaran su sensibilidad con el tiempo. ^{[ 2 ] [ 3 ]}

Debido al funcionamiento del filamento iónico, los aumentos de temperatura provocaron una evaporación inesperada de tungsteno en el filamento. Como resultado, durante el funcionamiento de LACE, se desactivaba la fuente de iones para permitir el enfriamiento del instrumento. Esto reducía la desgasificación interna y producía espectros de masas limpios. ^{[ 3 ]} La ventaja de esta evaporación de tungsteno era que permitía una comprobación constante de la sensibilidad del instrumento, que se mantenía estable. ^{[ 2 ]}

El experimento identificó positivamente que la tenue atmósfera lunar consistía en helio , neón y argón . Las concentraciones de helio coincidieron con las predicciones que asumían que la mayor parte del helio lunar provenía de los vientos solares y que el helio no se congela en la superficie lunar. ^{[ 3 ] [ 4 ]} Se detectó argón ( ³⁶ Ar y ⁴⁰ Ar ). Dado que el aumento de las concentraciones de argón ocurrió justo antes del amanecer, se demostró que el argón era probablemente un gas condensable. Se propuso que el argón se congela y se adsorbe en la superficie lunar durante la noche. A medida que la noche da paso al día, este argón congelado se vuelve móvil y migra delante y junto con el terminador del amanecer. Esto se denominó coloquialmente en el informe científico preliminar del Apolo 17 como una "brisa preamanecer". ^{[ 4 ]} Dado que la fuente de ⁴⁰ Ar era probablemente la desintegración radiactiva del potasio ( ⁴⁰ K ), su presencia detectada por LACE proporcionó evidencia de un verdadero gas lunar nativo. ^{[ 3 ]}

La densidad total de todos los gases conocidos detectados por LACE coincide con la encontrada por los medidores de cátodo frío. ^{[ 3 ]}

Se identificaron otras especies, como hidrógeno molecular , cloro , oxígeno , cloruro de hidrógeno y dióxido de carbono . Las concentraciones de estas disminuyeron a lo largo del experimento y se sospecha que constituían contaminantes del instrumento. ^{[ 4 ]} Esta conclusión se alcanzó debido a que, a diferencia del argón, la detección de estos contaminantes aumentó bruscamente de forma simultánea con el amanecer local, en lugar de precederlo. ^{[ 4 ]} Las concentraciones de neón fueron 20 veces menores de lo previsto y la razón de esto no se comprendió en ese momento. ^{[ 4 ]}

Durante el décimo mes lunar de funcionamiento de LACE, el experimento presentó un problema en la sección de alto voltaje del instrumento. El alto voltaje de barrido cayó a cero el 17 de octubre de 1973 a las 17:32 UTC. La salida normal de 2900 voltios se redujo a varios cientos de voltios, y el instrumento dejó de funcionar. Se intentaron numerosas medidas correctivas, pero ninguna tuvo éxito. ^{[ 2 ]}