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Astronomie+Physik

Der Mond rostet

Mond-Hämatit
Vorkommen von Hämatit (rot) auf der lunaren Vorderseite (Bild: Shuai Li)

Vom Mars kennt man es und von der Erde auch: Wenn Eisen mit Sauerstoff in Kontakt kommt, bildet es oft das Eisenoxid Hämatit – es rostet. Doch nun haben Planetenforscher auch auf dem Mond Hämatit entdeckt. Spektrale Daten der Mondsonde Chandrayaan-1 belegen die Existenz von Hämatit in den lunaren Polargebieten und vor allem auf der uns zugewandten Seite. Bislang galt die Bildung dieses Eisenoxids auf dem Mond aufgrund der stark reduzierenden Bedingungen und dem Sauerstoffmangel auf der Mondoberfläche als unwahrscheinlich. Eine mögliche Erklärung liefert jedoch der Einfluss unserer Erde, denn sie könnte dem Mond den nötigen Sauerstoff geliefert haben.

Auf den ersten Blick wirkt der Mond kalt, öde und tot. Denn er besitzt keine Atmosphäre und auch kein Magnetfeld. Seine Oberfläche ist deshalb der harten Strahlung des Weltalls, den Einschlägen unzähliger Meteoriten und auch dem Sonnenwind ungeschützt ausgesetzt. Die im Sonnenwind enthaltenen Protonen fördern zudem reduzierende chemische Reaktionen im Regolith, weshalb er eher elementare oder wenig oxidierende Metalle enthält. Sauerstoff, das Gas, das Oxidationsreaktionen anstößt, fehlt dagegen auf dem Erdtrabanten. Deshalb dürfte es auf dem Mond auch keinen Rost beispielsweise in Form des Eisenoxids Hämatit (Fe2O3) geben. Denn dieses Mineral entsteht nur, wenn Eisen Kontakt mit Sauerstoff und Wasser hat. Zwar wurden in einigen Mondgesteinsproben der Apollo-Missionen winzige Spuren von Hämatit nachgewiesen. Dabei blieb jedoch strittig, ob es sich nicht doch um eine irdische Kontamination oder nachträgliche Reaktion handelte.

Hämatit in lunaren Polargebieten

Doch nun liefern Daten des Moon Mineralogy Mapper an Bord der indischen Mondsonde Chandrayaan-1 den Beweis dafür, dass es tatsächlich Hämatit auf dem Mond gibt. Auch der Erdtrabant rostet demnach. „Als ich Daten für die lunaren Polargebiete auswertete, fand ich einige spektrale Signaturen, die sich von denen der niedrigeren Breiten und der Apollo-Gesteinsproben unterschieden“, berichtet Erstautor Shuai Li von der University of Hawaii in Manoa. Eine nähere Analyse der Spektren ergab, dass diese Signaturen von Hämatit stammen mussten. „Zuerst konnte ich das gar nicht glauben. Denn unter den Bedingungen auf dem Mond dürfte es dieses Mineral dort nicht geben“, sagt Co-Autorin Abigail Fraeman vom Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA. Doch nähere Analysen bestätigten, dass es auf der Mondoberfläche Hämatit gibt. „Hämatit-ähnliche Absorptions-Spektren nahe 0,85 Mikrometer sind in den hohen Breiten des Mondes verbreitet“, so die Forscher. Demnach konzentriert sich das Eisenoxid in den lunaren Polargebieten. Außerdem ist es auf der uns zuwandten Seite des Mondes häufiger als auf der abgewandten.

Damit scheint klar, dass es entgegen den bisherigen Annahmen doch „Rost“ auf dem Mond gibt. Das allerdings wirft die Frage auf, wie er unter den eher reduzierenden Bedingungen des Erdtrabanten entstanden sein kann. „Die Tatsache, dass es mehr Hämatit auf der uns zugewandten Seite gibt, deutet auf einen Zusammenhang mit der Erde hin“, sagt Li. Wie er erklärt, haben Messungen der japanischen Mondsonde Kaguya schon vor einiger Zeit gezeigt, dass Plasma und Sauerstoff aus der oberen Erdatmosphäre auch bis zum Mond gelangen können. Dieser Transfer geschieht vor allem bei Vollmond, wenn der Mond von der Sonne aus gesehen hinter der Erde steht. Dann taucht er in den lang ausgezogenen Magnetschweif der Erde ein und bekommt im Schnitt 26.000 Sauerstoff-Ionen pro Quadratzentimeter und Sekunde, wie die Forscher ermittelten. „Das reicht aus, um rund fünf bis neun Gewichtsprozent an Hämatit zu bilden“, sagen Li und sein Team.

Gleichgewicht von Oxidation und Reduktion

Ein weiter Faktor ist die Tatsache, dass der reduzierende Sonnenwind den Mond nicht überall gleich stark trifft. So ist der Einstrom dieser energiereichen Partikel in der Äquatorregion und den niedrigen Breiten besonders hoch, in den höheren Breiten dagegen um bis zu 90 Prozent geringer. „Das spricht für eine weniger reduzierende Umgebung in den hohen lunaren Breiten“, so Li und seine Kollegen. Hinzu kommt, dass der Mond zu bestimmten Zeiten sogar fast ganz gegenüber dem Sonnenwind abgeschirmt ist: Bei Vollmond zieht er hinter der Erde vorbei und taucht dabei in die Ausläufer ihres Magnetschweifs ein. Dies verringert den Sonnenwind-Einstrom auf weniger als ein Prozent, wie die Wissenschaftler erklären. Zu diesen Zeiten könnte im Mondregolith noch eine weitere Reaktion ablaufen, die letztlich zu Hämatit führt: Das im Mond-Regolith gebundene Wasser könnte mit den winzigen Eisenkörnchen zu Eisenhydroxidoxid (FeOOH) reagieren. Dieses wird dann durch die Sonneneinstrahlung und die Einschläge von Mikrometeoriten in Hämatit umgewandelt. Dieser Prozess könnte vor allem auf der erdabgewandten Seite des Mondes zum Tragen kommen. „Denn interessanterweise gibt es auch dort Hämatit, wenn auch weniger“, sagt Li.

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Insgesamt spricht all dies dafür, dass es auf dem Mond ein komplexes Gleichgewicht aus der oxidierenden Wirkung des irdischen Sauerstoffs und lunaren Wassers auf der einen Seite und der reduzierenden Wirkung des Wasserstoffs im Sonnenwind auf der anderen Seite gibt. Und vor allem auf der uns zugewandten Seite und in den lunaren Polargebieten fällt dieses Gleichgewicht offenbar zugunsten der Oxidation und damit für das Hämatit aus. „Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass in unserem Sonnensystem komplexere chemische Prozesse ablaufen, als wir bislang gedacht haben“, sagt Co-Autorin Vivian Sun vom JPL.

Quelle: Shuai Li (University of Hawaii, Manoa), et al., Science Advances, doi: 10.1126/sciadv.aba1940

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