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Astronomie+Physik

Mehr Wasser auf dem Mond

Mond
Blick auf die Mondoberfläche im Südpolargebiet. (Bild: NASA/GSFC, Scientific Visualization Studio)

Schon länger deuten Daten von Raumsonden und Gesteinsanalysen darauf hin, dass es auf dem Mond Wassereis und im Gestein gebundenes Wasser gibt. Jetzt zeigen zwei neue Studien, dass die Mondoberfläche deutlich mehr und weiter verteilte Vorkommen von Wassereis und molekularem Wasser aufweist als bislang angenommen. Demnach existiert Wassereis nicht nur in wenigen großen Kratern, sondern in Schattenzonen auf gut 40.000 Quadratkilometer Gesamtfläche. Zudem scheint ein Teil des im Mondregolith gebundenen Wassers nicht als Hydroxyl-Molekül (OH), sondern als molekulares Wasser (H2O) vorzukommen.

Weil der Mond keine Atmosphäre hat, bleibt Wasser in flüssiger oder gasförmiger Form auf seiner Oberfläche nicht erhalten – es entweicht sofort ins All oder wird von der harten Strahlung photochemisch zersetzt. Doch seit rund zehn Jahren weiß man, dass es einige Refugien für das Lebensmolekül gibt. Daten von Raumsonden zufolge könnte es in den permanent beschatteten, sehr kalten Bereichen großer polarer Krater sogar meterdicke Wassereisschichten geben. Ob es solche Kältefallen auch in kleineren Schattenzonen gab, war jedoch bislang unklar. Spektroskopische Messungen deuten zudem darauf hin, dass im Mondgestein höherer Breiten auch gebundenes Wasser vorhanden ist. „Ob es sich bei diesem Wasser um molekulares Wasser in Form von H2O handelt oder um Hydroxyl (OH), ist jedoch unbekannt“, erklären Casey Honniball von der University of Hawaii in Manoa und ihre Kollegen.

H2O statt OH im Mondgestein

Antworten auf diese Fragen liefern nun gleich zwei Studien. In der ersten werteten Honniball und ihr Team Beobachtungsdaten des Flugzeugteleskops SOFIA (Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy) aus. Mit diesem hatten sie die lunare Oberfläche im August 2018 nach Infrarotstrahlung im Bereich von sechs Mikrometer Wellenlänge abgetastet. „Eine fundamentale Vibration des Wassermoleküls erzeugt bei sechs Mikrometern eine Spektralsignatur, die von keiner anderen Hydroxyl-Verbindung geteilt wird“, erklären die Forscher. Dadurch erlaubt es diese Messung zu unterscheiden, ob das schon länger bekannte, im Regolith gebundene Wasser als H2O-Molekül oder als OH-Molekül vorliegt. Für ihre Studie analysierten sie SOFIA-Daten für eine Kraterregion im Südpolargebiet und eine Vergleichsfläche am lunaren Äquator.

Es zeigte sich, dass die Mondoberfläche in den polaren Breiten Infrarotstrahlung im Bereich von sechs Mikrometer Wellenlänge abgibt. „Auf Basis unserer Vergleiche schreiben wir dieses Signal der Präsenz von molekularem Wasser zu“, berichten Honniball und ihre Kollegen. Ihren Berechnungen zufolge könnte der lunare Regolith in den hohen Breiten rund 100 bis 400 Mikrogramm H2O pro Gramm Gesteinsmaterial enthalten. Der größte Teil dieses molekularen Wassers liegt dabei nicht als Wasserhülle oder Wasserschicht auf der Regolith-Oberfläche vor, sondern ist im Gesteinsmaterial verborgen. „Das von SOFIA nachgewiesene Wasser sitzt im Inneren der lunaren Gesteinskörnchen oder ist zwischen Körnchen gefangen, die von der harschen Mondumgebung abgeschirmt sind“, erklären die Wissenschaftler. Noch ist zudem nicht klar, wie weit verbreitet dieses molekulare Wasser auf dem Mond ist.

Wassereis selbst in kleinen Schattenzonen

Eine andere Wasserquelle haben dagegen Paul Hayne von der University of Colorado in Boulder und sein Team untersucht – das Wassereis in lunaren „Kältefallen“. „Wenn Sie sich vorstellen, auf der Mondoberfläche in der Nähe eines der Pole zu stehen, würden Sie überall Schatten sehen“, erklärt Hayne. Denn das in den Polarregionen nur schräg einfallende Licht erreicht viele Kraterränder, aber auch kleine Bodensenken und Rinnen nie. Sie liegen daher dauerhaft im Schatten. Bisher war aber unklar, ob solche kleineren Schattenzonen auch kalt genug bleiben, damit sich dort dauerhaft oder zumindest längere Zeit Wassereis halten kann. Um das zu klären, haben Hayne und sein Team Daten der NASA-Raumsonde Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) herangezogen, um auf deren Basis ein detailliertes Modell der lunaren Topografie und der dort vorkommenden Temperaturen zu erstellen. Daraus ermittelten sie, wie viele potenziell eishaltige Kältefallen es in den Größenbereichen von einem Kilometer bis zu einem Zentimeter auf dem Mond gibt.

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Die Auswertung ergab, dass 0,15 Prozent der Mondoberfläche permanent im Schatten liegt. Von diesen Dauerschattenzonen könnten rund zwei Drittel kalt genug sein, um Eisvorkommen zu bergen. Sie liegen größtenteils in den lunaren Polargebieten oberhalb von 80 Grad Breite. Entgegen früheren Annahmen finden sich diese Kältefallen jedoch nicht nur in großen Kratern, sondern können auch in kleinsten, wenige Zentimeter oder Meter großen Schattenzonen liegen, wie die Forscher berichten. Insgesamt könnten rund 40.000 Quadratkilometer der Mondoberfläche von solchen Kältefallen bedeckt sein – das ist gut doppelt so viel wie zuvor angenommen. „Wenn wir damit richtig liegen, dann könnte Wasser für künftige Mondmissionen weit zugänglicher sein als gedacht“, sagt Hayne. „Astronauten müssten dann nicht in die dunklen, tiefen Kraterschatten hinabsteigen, sondern könnten einfach umherlaufen und Schattenzonen suchen, die einen Meter groß sind – dort könnte Eis genauso wahrscheinlich sein.“

Quelle: Nature Astronomy; Casey Honniball (University of Hawaii, Manoa) et al, doi: 10.1038/s41550-020-01222-x; Paul Hayne (University of Colorado, Boulder) et al., doi: 10.1038/s41550-020-1198-9

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