Simulazione Secondaria di secondo grado Massimo Iavernaro Esplorazione Spaziale Tecnologia

Simuliamo in classe il suolo marziano

Un esperimento di laboratorio da fare in classe per ricreare il suolo marziano e studiarne le caratteristiche.

Aggiornato il 19 Dicembre 2022

Nell’impossibilità di studiare in classe campioni reali provenienti da Marte, possiamo ricreare in laboratorio un simulante di regolite marziano. Per realizzare questo simulante, utilizzeremo polveri di ossidi con percentuali in peso che fanno riferimento ai dati ottenuti dai telescopi terrestri e dalle analisi di missioni spaziali ottenute in varie regioni del pianeta rosso.

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Obiettivi

L’obiettivo di questa attività è quello di realizzare una replica del suolo della superficie di Marte in base alle informazioni ottenute dalle osservazioni dei telescopi terrestri e delle passate missioni spaziali. Il simulante marziano è assemblato a partire dai singoli composti chimici con l’obiettivo di ricreare semplicemente l’aspetto della superficie marziana oppure per realizzare svariati esperimenti didattici. Le varie tipologie di simulante in funzione della zona da ricreare si possono ottenere cambiando la percentuale dei composti.
Grazie a questo simulante sarà possibile realizzare numerosi esperimenti didattici come realizzare un braccio robotico calibrato per la perforazione e la raccolta del simulante (raffreddato a temperature al di sotto dello 0 °C), oppure esperimenti di astrobiologia come la sopravvivenza di colonie microbiche, muffe e licheni in ambiente marziano simulato e la coltivazione di diverse piante (segui EduINAF per la pubblicazione di altre schede didattiche sull’argomento).

Informazioni preliminari

La superficie tipica di Marte è costituita da frammenti di roccia e dalla regolite, cioè l’insieme eterogeneo di polvere e frammenti di materiale che compongono lo strato più esterno della superficie. I processi di formazione del regolite sono vari: frammenti delle eruzioni vulcaniche,  flussi di lava, prodotti degli agenti atmosferici e depositi sedimentari.
Il colore della regolite marziana varia da arancio brillante al rosso più scuro e al grigio. Le differenze di colore sono principalmente dovute alle variazioni nella mineralogia del ferro, al grado di alterazione e alle dimensioni e forme delle particelle. Il suolo marziano ha infatti una composizione mineralogica i cui principali elementi sono riportati nella Tabella 1 come ossidi.

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Tabella 1

Le dimensioni delle particelle del regolite dipendono dai processi geologici che hanno operato nella regione: impatti di meteoriti e comete, vulcanismo, erosione del vento, dell’acqua, erosione chimica causata dai fluidi e dagli ossidanti. A differenza della Terra, l’acqua era presente allo stato liquido fino a circa 3.5 miliardi di anni fa e viene quindi esclusa l’attività biologica come componente importante della composizione e dei processi di miscelazione del suolo.
Queste dimensioni delle particelle sono variabili (vedi Tabella 2 che si riferisce alla composizione del sito Rocknest del cratere Gale) e nelle regioni scure del pianeta, sono per la maggior parte tra 0.1 e 0.5 mm. La componente di polvere più fine del regolite (diametro <0.04 mm) è in genere fortemente ossidata e composta da ossido ferrico Fe2O3 e viene distribuita nelle tempeste, omogeneizzando globalmente la superficie del pianeta e conferendo un colore rosso-arancio uniforme su tutto il pianeta.

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Tabella 2

Cosa c’è sotto allo strato di regolite più superficiale? Nell’immagine rappresentata in Schema 1 è mostrata una sezione trasversale della superficie di Marte in funzione della profondità (la sezione è relativa al cratere di Gusev). La composizione prevede in genere cinque strati: lo strato più in alto è un deposito sottile (<1 mm) di polvere, poi un deposito di sabbia grossolana e granuli, sotto i quali si trova uno strato di frammenti più grandi pochi millimetri, successivamente una crosta coesiva di diversi millimetri di spessore ed uno strato scuro che forma il fondo del regolite.

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Schema 1

Materiali necessari

Gli strumenti e materiali da utilizzare sono:

  • Calibro digitale (in alternativa un foglio di carta millimetrata)
  • Batteria di setacci (opzionale), con diametri delle maglie 0.5, 1, 2 mm
  • Bilancia (per pesare i vari composti)
  • pH-metro (per la misura dell’acidità del simulante)
  • Termometro-igrometro
  • Bacinella di ceramica
  • Colino a retina fitta
  • Contenitore con coperchio trasparenti
  • Stufa per essiccazione
  • Biossido di silicio SiO2
  • Alluminio ossido idrato Al(OH)3
  • Ossido di magnesio MgO
  • Ossido ferroso-ferrico nero Fe3O4
  • Ossido Ferrico giallo Fe2O3
  • Ossido Ferrico rosso Fe2O3
  • Ossido di calcio CaO
  • Cloruro di Potassio KCl
  • Fosfato tricalcico Ca3(PO4)2
  • Biossido di titanio TiO2
  • Metasilicato di sodio Na2SiO3
  • Zolfo in polvere S
  • Biossido di manganese MnO2
  • Ossido di cromo verde Cr2O3

Procedimento

Nell’esperienza che segue, si procederà inizalmente alla realizzazione del simulante delle due componenti che compongono il suolo marziano: la frazione rocciosa della superficie del pianeta e il regolite, le cui composizioni sono indicate in Tabella 3 e in Tabella 4.

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Tabella 3
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Tabella 4
NOTA BENE: Per la pericolosità e la difficile reperibilità, alcuni composti sono stati sostituiti, rimanendo comunque entro gli intervalli di concentrazione ottenuti dalle analisi in situ del suolo e delle rocce. Non sono state considerate le impurità presenti nei composti commerciali. Na2O è stato sostituito dal metasilicato di sodio Na2SiO3. L’anidride fosforica P2O5 è stata sostituita dal fosfato di calcio Ca3(PO4)2. K2O e il perclorato ClO4– sono stati sostituiti dal cloruro di potassio KCl. L’anidride solforica SO3 è stata sostituita dallo zolfo in polvere.

Per creare la frazione rocciosa si mescolano i composti della Tabella 3 con acqua distillata e metasilicato di sodio Na2SiO3 (un legante chiamato vetro solubile) in un rapporto 1000 g : 400 g : 126 g rispettivamente. Per creare la regolite si mescolano i composti della Tabella 4 in un rapporto 1000 g : 400 g : 66.9 g.
Sia in un caso che nell’altro, si versano i composti in una bacinella di ceramica per l’essiccazione in stufa.
Per la regolite, nella miscela si aggiunge il quantitativo di ossido ferrico giallo Fe2O3 pari alla concentrazione indicata nella Tabella 4.
Alla polvere di quarzo (SiO2) si mescolano per bene tutti gli altri elementi, aggiungendo infine 400 g di acqua distillata e il metasilicato di sodio (vedi Figura 1).

NOTA BENE: La manipolazione degli ossidi in polvere per riprodurre la roccia e la regolite mista all’ossido ferrico ocra deve essere eseguita seguendo le indicazioni delle relative schede di sicurezza.
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Figura 1. a) Aspetto della miscela di ossidi. b) La miscela dopo aver aggiunto acqua distillata e metasilicato di sodio.

Per rimuovere l’acqua, l’impasto deve essere messo in stufa ad una temperatura di 120 ◦C per un tempo pari a 24 ore. Con il riscaldamento e l’asciugatura, il metasilicato di sodio forma una rete polimerica che funge da legante, in modo tale che si formi un blocco solido.
Si procede dunque alla produzione della componente rocciosa e sabbiosa che utilizzeremo per ricreare il simulante marziano (vedi figura 2).
Per riprodurre la componente rocciosa, si creano pezzi delle dimensioni comprese fra 30 e 3 mm di diametro (ghiaia e ghiaia molto fine) tramite un mortaio e si misurano con un calibro o disponendoli su un foglio di carta millimetrata.
Per ottenere la frazione sabbiosa con granelli di diametri specifici, dopo le operazioni di frantumazione, si può utilizzare una batteria di setacci con diametro delle maglie rispettivamente di 2, 1 e 0.5 mm. Altrimenti per un risultato approssimato si frantuma il composto fino ad ottenere una sabbia con granelli di vari diametri.

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Figura 2 – a) Frazione rocciosa ottenuta dalla miscela dei composti della Tabella 3. b) frazione sabbiosa ottenuta dalla miscela dei composti della Tabella 4.

Si procede dunque alla realizzazione del simulante marziano. La Tabella 5 riporta le dimensioni e le percentuali della frazione rocciosa e sabbiosa per la formazione del simulante.
Alcuni accorgimenti aggiuntivi: osserviamo dalle immagini di Marte che la roccia è di colore grigio scuro, mentre il regolite ha una tonalità giallo ocra per la presenza dell’ossido ferrico Fe2O3.
Per simulare la presenza della polvere superficiale dal caratteristico colore arancio si miscela il Fe2O3 giallo con il Fe2O3 rosso in rapporto 5 : 2.
Per la parte grigia superficiale caratteristica delle regioni scure si utilizza la frazione rocciosa frantumata senza l’aggiunta dell’ossido ferrico giallo.
Per simulare l’azione degli agenti atmosferici, alcuni frammenti di roccia possono anche essere strofinati con la polvere di ossido ferrico tramite un pennello.

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Tabella 5- Quantità dei composti costituenti la frazione rocciosa e sabbiosa del simulante per un campione del peso di 1000 g.

A questo punto siamo pronti a simulare l’aspetto del paesaggio marziano in varie zone del pianeta.
Per fare questo, si dispone la parte sabbiosa in una teca con coperchio (possibilmente trasparenti), poi si aggiungono le rocce ed infine si spolvera la superficie con un colino a retina fitta (in maniera non uniforme), con la polvere ocra dell’ossido ferrico, escludendo la zona di sabbia scura (vedi Figura 3).
Questo ci permetterà di simulare vari paesaggi del pianeta Marte, che come possiamo vedere dall’immagine in Figura 4, sono estremamente variabili da zona a zona.

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Figura 3- Il risultato finale della riproduzione della superficie di Marte che include regioni scure, sabbia, roccia e polvere di ossido ferrico. A destra la procedura con il colino e i dettagli in cui si notano le rocce scure con il colore caratteristico del basalto.
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Figura 4- a) Regione MC-19 Margaritifer Sinus, ripresa dal Viking Orbiter 1 (foto: NASA/JPL/USGS). b) Tratto di sabbia e roccia denominato Rocknest nel cratere Gale (foto: NASA/JPL-Caltech/MSSS, 28 settembre 2012).
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Figura 4- c) Dune di sabbia scura nella posizione denominata Ogunquit Beach, sul fianco nord-occidentale alla base del Monte Sharp nel cratere Gale (foto: NASA/JPL-Caltech/MSSS, 4 maggio 2017). d) Rocknest, cratere Gale. I colori nell’immagine a sinistra sono immodificati, mostrando la scena come apparirebbe su Marte, che ha un’atmosfera polverosa di colore rosso. L’immagine a destra è stata bilanciata in bianco per mostrare come sarebbe la stessa area in condizioni di illuminazione sulla Terra (foto: NASA/JPLCaltech/MSSS).

 

L’autore ringrazia la classe 5H di Scienze applicate del Liceo Scientifico “Battaglini” di Taranto che ha permesso la realizzazione di questa attività didattica.