Akademia Górniczo Hutnicza

Wydział Geologii, Geofizyki i Ochrony Środowiska

Praca dyplomowa
Geofizyka Stosowana

Badania geofizyczne w trakcie załogowej eksploracji Księżyca w ramach programu Apollo.

Mateusz Matt Harasymczuk

Promotor pracy
Prof. dr hab. inż. Kaja Pietsch

2.6. Heat Flow Experiment (HFE)

Tab. 10. Heat Flow Experiment (HFE)

Ośrodek badawczy

Columbia University, USA

Misje

Apollo 15, Apollo 16 (nieskutecznie), Apollo 17

Nazwa eksperymentu (j. ang.)

Heat Flow Experiment

Nazwa eksperymentu (j. pol.)

Badanie przepływu ciepła

Dziedzina

Radiometria

2.6.1. Przedmiot badania

Wymianę ciepła określa II zasada termodynamiki. Ciepło przebiega z obszarów o większej temperaturze do obszarów o mniejszej temperaturze w celu osiągnięcia równowagi termodynamicznej.

Wnętrze Księżyca jest znacznie cieplejsze niż jego powierzchnia. Z tego powodu znaczna ilość ciepła z wnętrza jest wypromieniowywana w kosmos. Źródłem ciepła jest głównie rozpad radionukleotydów pochodzenia naturalnego takich jak tor, uran czy potas. Proces emisji promieniowania jest odpowiedzialny za zwiększanie temperatury we wnętrzu Księżyca.

Prędkość utraty ciepła w postaci wypromieniowywania w kosmos jest znaczącym czynnikiem wpływającym na tektonikę (tworzenie się uskoków i fałdowań powierzchni na skutek deformacji wewnętrznej) oraz na aktywność wulkaniczną.

Heat Flow Experiment (HFE) wykonany w trakcie Apollo 15 i Apollo 17 miał na celu pomiar utraty ciepła przez Księżyc na skutek promenowania. Eksperyment próbowano wykonać również podczas misji Apollo 16, lecz ze względu na przerwany kabel łączący urządzenie nie funkcjonowało [BEC+72].

Wyniki eksperymentu posłużyły do określenia poziomu radioaktywności jako źródła długotrwałego generowania temperatury we wnętrzu oraz określenia parametrów dla modelu termicznej historii Księżyca [PBB+73].

2.6.2. Materiały i metody

../_images/HFE-color.jpg

Ryc. 11. Diagram przedstawia eksperyment Heat Flow Experiment (HFE). Źródło: [Lin08].

../_images/HFE-photo.jpg

Ryc. 12. Zdjęcie przedstawia eksperyment Heat Flow Experiment (HFE). Źródło: NASA/AS17-134-20493 [Lin08].

2.6.3. Przebieg eksperymentu

Eksperyment polegał na stworzeniu dwóch otworów wiertniczych w regolicie księżycowym o głębokości od 1,6 m do 2,3 m. Drugi otwór wiertniczy miał za zadanie potwierdzić pomiary pierwszego. Za pomocą platynowych termometrów oporowych dokonano pomiarów temperatury na wielu poziomach każdego z otworów. Część termometrów umieszczono w dolnych partiach otworu, a pozostałe znajdowały się u jego wylotu [PBB+73].

Otwory wiertnicze zostały wykonane za pomocą drążonego wiertła z zamkniętym otworem na dole. Proces odwiertu spowodował zwiększenie temperatury, lecz efekt ten zanikł z czasem samoczynnie. Po osiągnięciu zamierzonej głębokości wewnątrz otworu umieszczono próbnik wieloczujnikowy i osłonę termiczną wokół kabla łączącego sensor z układem elektronicznym HFE.

Za pomocą termopar określono prędkość wzrostu temperatury wraz z głębokością. Temperatura w górnych partiach regolitu ma charakter fluktuacyjny ze względu na zmienną aktywność słoneczną oraz intensywność promieniowania cieplnego ze słońca w cyklach dobowych (dób księżycowych). Poprzez monitorowanie temperatury w otworach wiertniczych w trakcie długiego procesu obserwacji możliwe było wyeliminowanie tego wpływu. Pozwoliło to na wniesienie poprawki temperatury powierzchniowej i otrzymanie prawidłowych wyników.

Tylko jeden z dwóch sensorów HFE podczas misji Apollo 15 został umieszczony w odpowiedni sposób na zamierzonej głębokości. Było to spowodowane zatkaniem ciągu wiertniczego w otworze nr 2. Przypuszcza się, że było to spowodowane oddzieleniem dwóch rdzeni, które nastąpiło kiedy astronauci próbowali sforsować zablokowanie wiertła w otworze [Jon95].

Przeprojektowanie łączeń drążonego wiertła pozwoliło wyeliminować problem dla misji Apollo 16 i 17.

2.6.4. Rezultaty

Eksperyment Heat Flow Experiment (HFE) pozwolił na określenie temperatury powierzchni Księżyca w trakcie cyklu nocy i dnia. Wartość ta wyniosła odpowiednio 76 K (-197ºC) w trakcie nocy, oraz 358 K (+85ºC) w ciągu dnia. Temperatura pod powierzchnią regolitu księżycowego na głębokości 1,5 m była stała i przyjmowała wartość 253 K (-20ºC).

Powyższe dane pozwoliły na określenie właściwości regolitu księżycowego jako izolatora termicznego o bardzo dobrej sprawności [AAB+72], [PBB+73].

Wyniki pomiarów generowane były w jednostkach mili Wat na metr kwadrat (mW/m2). Podczas eksperymentu określono wartości przepływu ciepła na poziomie 21 mW/m2 dla miejsca lądowania Apollo 15, 16 mW/m2 dla obszaru Taurus-Littrow z misji Apollo 17. Dla porównania średni strumień cieplny dla Ziemi wynosi 87 mW/m2 [AAB+72], [PBB+73].

Niski poziom przepływu cieplnego był oczekiwany, ze względu na mniejszy rozmiar Księżyca w porównaniu z Ziemią. Ponadto wpływ na takie wartości ma również brak procesów wulkanicznych w ciągu ostatnich 3 mld lat.

Dane z misji Apollo 16 zostały utracone na skutek przerwania wiązki kabli urządzenia HFE. Kable zostały przypadkowo odcięte od stacji centralnej. Podczas misji Apollo 17 otrzymano dobrej jakości dane, które potwierdziły obserwacje dokonane podczas Apollo 15.

Ze względu na to, iż pomiarów dokonano jedynie w dwóch miejscach, brak jest statystycznie znaczących danych aby móc określić średnią dla całej powierzchni. Obydwie wartości zostały określone w pobliżu styku mórz księżycowych oraz wyżyn. Z tego powodu przypuszcza się, iż wartość oczekiwana przepływu cieplnego może być wyższa o 10-20% od przeciętnej dla pozostałych terenów [Lin08].