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Die Wasserspeicher des Mondes

In der grauen Mondwüste zerfallen Jahrzehnte alte Gewissheiten zu Staub: Wo nie ein wärmender Sonnenstrahl hinkommt, gibt es überraschend viel Wassereis.

Ozean der Stürme, REGENMEER und See der Freude – der Mond scheint von Gewässern übersät zu sein. Doch der Eindruck täuscht. Die Namen sind ein Überbleibsel aus der Zeit, als die ersten Mondbeobachter am Fernrohr ihrer Fantasie freien Lauf ließen. Tatsächlich ist der Mond sehr trocken. Jahrzehntelang waren sich Experten sogar einig, dass es dort praktisch gar kein Wasser gibt. Dies sei die Konsequenz der gewaltsamen Mondgeburt beim Aufprall eines Urplaneten auf die junge Erde. In der Hitze dieses „Giant Impact“ sei alles Wasser verdampft (bild der wissenschaft, 3/2013, „Der schlimmste Tag der Erde“).

Doch viele aktuelle Studien widerlegen das Bild vom gänzlich trockenen Erdtrabanten. Die Raumfahrtagenturen hoffen, eines Tages davon zu profitieren, wenn wieder Mondlandungen anstehen.

Bereits auf der Urerde gab es Wasser, vermutet Alberto Saal von der Brown University im US-Bundesstaat Rhode Island. Der Geowissenschaftler hatte im Mai 2013 zusammen mit anderen Kollegen im Fachmagazin Science die Ergebnisse neuer Analysen publiziert. „Etwas Wasser scheint den Giant Impact überstanden zu haben, und dieses Wasser sehen wir heute auf dem Mond“, meint Saal. In ihrer Studie untersuchten die US-Forscher Proben, die die amerikanischen Mondfahrer zur Erde gebracht hatten. Daraus präparierten sie glasartige Perlen heraus, die Kristalle des gesteinsbildenden Minerals Olivin enthalten. Solche Kristalle bergen manchmal winzige Einschlüsse aus einst geschmolzenem Magma. Diese nur Tausendstel Millimeter kleinen Schmelzeinschlüsse stammen aus der Tiefe des Mondes, dem lunaren Mantelgestein, und gelten als eine Art Tresor für Wasser.

Fingerabdruck im MONDWASSER

Um den Ursprung des Tiefenwassers zu klären, maßen die Forscher seinen Gehalt an Deuterium. Bei diesem schweren Isotop des Wasserstoffs enthält der Atomkern neben dem Proton des regulären Wasserstoffs zusätzlich noch ein Neutron. Wie man weiß, weist Wasser, das sich in verschiedenen Regionen des Sonnensystems aus dem dortigen Wasserstoff und Sauerstoff gebildet hat, jeweils einen unterschiedlichen Gehalt an Deuterium auf. Im Allgemeinen gilt: Je näher an der Sonne das Wasser entstanden ist, desto weniger Deuterium ist darin enthalten.

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Der Isotopen-Fingerabdruck im Mondwasser deutet klar auf einen bestimmten Typ von Meteoriten hin. Diese „kohligen Chondriten“ stammen etwa von dort, wo heute der Planet Jupiter kreist. Sie gehören zu den ältesten Objekten im Sonnensystem. Erik Hauri von der Carnegie Institution in Washington/DC, der ebenfalls an der Science-Studie beteiligt war, zieht den überraschenden Schluss: „ Unserer Daten geben klare Hinweise darauf, dass diese kohlenstoffhaltigen Chondriten die gemeinsame Quelle für die volatilen Stoffe auf Erde und Mond sind, möglicherweise sogar für die im gesamten inneren Sonnensystem.“ Mit „volatilen“ (flüchtigen) Stoffen meint Haury in erster Linie Wasser.

Doch nicht nur das Innere des Mondes ist wasserhaltig, sondern auch seine Oberfläche. „Mehrere Raumsonden haben dort in den vergangenen Jahren die spektrale Signatur von Wasser gefunden. Kaum ein Experte zweifelt noch an diesem Befund“, sagt Ralf Jaumann vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR).

ABSICHTLICHER ABSTURZ

Besonders spektakulär war der Absturz des LCROSS-Satelliten (Lunar Crater Observation and Sensing Satellite), den die NASA 2009 am Ende der Mission absichtlich herbeiführte: Er sollte dafür sorgen, dass sich das da-bei aufgewirbelte Mondmaterial aus sicherer Entfernung spektroskopisch untersuchen ließ. Ziel des Kamikaze-Finales war der Cabeus-Krater am Mond-Südpol.

Und tatsächlich ergaben zwei unabhängige Messmethoden, dass drei bis neun Gewichtsprozent des Bodens dort aus Wassereis bestehen. Wichtige Daten dazu stammten von dem russischen LEND-Instrument (siehe Kasten rechts „Wassersuche mit Neutronen“ ). Zwar konnten alle bisherigen Messungen nur Eis bis in wenige Meter Tiefe aufspüren, doch es ist durchaus möglich, dass es auch noch tiefere Vorkommen gibt.

Viele tiefe Krater in den lunaren Polgebieten sind den Planetologen schon lange verdächtig, denn in ihr Inneres kann das Licht der flach stehenden Sonne nicht vordringen. Extrem tiefe Temperaturen sind die Folge: fast minus 240 Grad Celsius. Für solche Temperaturen muss man ansonsten bis zum Rand des Sonnensystems reisen (bild der wissenschaft 6/2013, „Plutos böser Zwilling“). In der enormen Kälte könnten Eisvorkommen Milliarden Jahre überdauern. Doch wie könnte Wasser dorthin gelangt sein?

„Wie die Erde wurde auch der Mond einst von wasserhaltigen Himmelskörpern getroffen“, erklärt Planetengeologe Jaumann. Das können sowohl Kometen als auch Planetoiden gewesen sein (bild der wissenschaft 12/2010, „Die Meere kamen aus dem All“). Auf der von der Sonne erhitzten Mondoberfläche verdampften die Wassermoleküle schnell, gefroren aber wieder, als sie sich an schattigen Stellen der Oberfläche niederschlugen. Sobald die ersten wärmenden Sonnenstrahlen diese Plätze erreichten, verdampfte das Eis erneut. Dieses ständige Hin und Her ließ die Wassermoleküle gleichsam über die Mondoberfläche hüpfen. Jaumann erklärt: „Wenn die Moleküle in der Polregion auf die ewig dunklen Krater trafen, wurden sie dort quasi eingefangen. Aus diesen Kältefallen gab es kein Entrinnen.“ Zwar klingt dieses Szenario einleuchtend, doch die Details müssen noch weiter untersucht werden, räumt der DLR-Forscher ein.

Eisfallen AUSSERHALB DER POLE

Möglicherweise sind die Eisfallen andernorts sogar noch effektiver. Denn die Rekordkälte an den ewig umnachteten Polkratern könnte aktuellen Berechnungen von US-Forschern zufolge zu extrem sein, um größere Mengen Eis in der Tiefe speichern zu können. Demnach wären die Wassermoleküle zu kalt, also zu wenig mobil, um tief in den Boden zu gelangen. Doch ewige Dunkelheit herrscht auch außerhalb der Polgebiete – ein neuer Aspekt bei diesem Thema.

Wie kürzlich Andrew McGovern von der Johns Hopkins University im US-Bundesstaat Maryland im Fachmagazin Icarus berichtete, gibt es auch näher am Äquator, ab 58 Grad nördlicher und südlicher Breite, weite Gebiete, wo die Mondnacht endlos ist. Die Forscher hatten die Daten des US- Satelliten Lunar Reconnaissance Orbiter ausgewertet – insbesondere von einem Instrument, das mit Laser-Reflexen die Topografie der Mondoberfläche abtastet. Für die Analyse verwendeten sie dabei Methoden, die sonst für dreidimensionale Computergrafiken benutzt werden.

Gebiete ewiger Dunkelheit

Das Ergebnis überrascht: Die Gebiete ewiger Dunkelheit überdecken insgesamt über 40 000 Quadratkilometer – mehr als das Doppelte der Fläche des Freistaats Sachsen. Die Temperaturen dort sind relativ „mild“. Jüngsten Messungen zufolge betragen sie zwischen minus 150 und minus 200 Grad. Und die Geländeformen sind vielfältig: die sonnenabgewandten Wälle großer Krater, kleine Krater am Boden tiefer Einschlagskrater sowie Zentralberge in großen Kratern. Ein Beispiel ist der 145 Kilometer große Krater Pythagoras am nordwestlichen Rand der Vorderseite, der etwa auf dem 63. Breitengrad liegt. In seinem Zentrum erhebt sich ein Bergmassiv, das bis zu drei Kilometer in den schwarzen Mondhimmel aufragt. Teile der Berghänge sind ewig umnachtet. Viele solche Gebiete in gemäßigteren Breiten dürften für künftige Raumsonden leichter zugänglich sein als die Mondpole, wo die extreme Kälte jedes technische Gerät an seine Grenze bringt.

Eishaltiger Staub

Woher stammt das Wasser in den oberflächennahen Schichten unseres Trabanten? Es könnte durchaus mehrere Quellen geben. Neben Einschlägen von Kometen oder Meteoriten nennt Arlin Crotts von der Columbia University interne Quellen. Der Astrophysiker weist auf die nur mäßige Übereinstimmung zwischen dauerhaft dunklen Stellen und den Messungen des LEND-Instruments hin. Selbst in einigen sonnenbeschienenen Gebieten wurde der Neutronendetektor fündig. Wasser könnte demnach auch in Form wasserhaltiger Minerale oder durch Ausgasungen an die Oberfläche dringen. Vielleicht rieselt auch eishaltiger Staub aus dem Sonnensystem oder aus dem interstellaren Raum auf den Mond.

Eine weitere Quelle, die Crotts für wahrscheinlich hält, ist die Sonne, genauer: der Sonnenwind. Er besteht hauptsächlich aus positiven Wasserstoff-Ionen. Sie dringen ständig in den Mondboden ein und könnten sich dort mit Sauerstoff chemisch zu H2O verbinden.

Weitere Messungen könnten für Klarheit sorgen. Das ist ein wichtiger Grund, weshalb über neue Missionen zum Mond diskutiert wird (siehe auch das Interview mit Astronaut Eugene Cernan ab S. 66). Zwar wurde das hauptsächlich von Deutschland unterstützte Lunar-Lander-Projekt der Europäischen Weltraumbehörde ESA kürzlich verworfen. Doch inzwischen ist der Mond auch im Visier der USA sowie von Indien, China, Japan und Russland.

Rene Pischel vom ESA-Büro in Moskau beobachtet aufmerksam die russischen Aktivitäten. Er betont: „Der Mond ist ein zentrales Element im russischen Raumfahrtprogramm. Nach Orbitern und Landegeräten in der zweiten Hälfte dieses Jahrzehnts ist später sogar der Transport von Mondproben zur Erde geplant.“

NEUE MONDLANDUNGEN

Dreimal zwischen 1972 und 1976 war der ehemaligen Sowjetunion ein solcher Geniestreich gelungen. Zuletzt landete Luna 24 mit 170 Gramm Mondmaterial im Ural. Nun, etwa vier Jahrzehnte später, soll daran angeknüpft werden. Das Motiv ist diesmal die Wassersuche. Den Anfang soll Luna 25 mit einer weichen Landung im Jahr 2015 machen. „Bei dieser Mission ist das wichtigste Ziel, die Landetechnik zu prüfen. Es geht vor allem um eine sichere Landung. Da haben wissenschaftlich besonders interessante Stellen möglicherweise das Nachsehen“, sagt Igor Mitrofanov vom Institut für Weltraumforschung in Moskau. Zielgebiet ist das südliche Polargebiet. Die genaue Landestelle wird demnächst feststehen. Weitere Landungen sollen folgen.

Pischel hofft bei diesen ambitionierten russischen Projekten auf Kooperationen mit der ESA. Doch bevor die Russen mit ihren unbemannten Sonden glänzen können, müssen sie zunächst die aktuelle Pannenserie ihrer Raketen aufklären. ■

THORSTEN DAMBECK ist promovierter Physiker und regelmäßiger bdw-Autor. Das Gespräch mit dem letzten Mann auf dem Mond (ab S. 66) hat ihn sehr beeindruckt.

von Thorsten Dambeck

Kompakt

· Bis zu neun Prozent Wasser fanden US-Sonden an ständig dunklen Stellen im Cabeus-Krater am Mond-Südpol.

· Nicht nur in den Polarregionen herrscht vielerorts Nacht: In gemäßigteren Breiten summieren sich die dunklen Areale auf fast 40 000 Quadratkilometer.

Wassersuche mit Neutronen

Bei der Suche nach dem Mondwasser setzt die NASA auf ein russisches Messinstrument: den „Lunar Exploration Neutron Detector“ (LEND). Dieses Neutronenspektrometer umkreist zurzeit auf dem amerikanischen LRO-Satelliten den Erdtrabanten. Mit einem ähnlichen Instrument wurden bereits vor einem Jahrzehnt großräumige Eisvorkommen im Marsboden entdeckt. Die Neutronen, die LEND misst, entstehen, sobald die kosmische Strahlung auf Staub und Gestein der Mondoberfläche trifft. Gibt es dort Wasserstoff, so verändert sich die Energie der detektierten Neutronen. Wasserstoffhaltige Moleküle – zum Beispiel Wasser – hinterlassen sozusagen einen „Fingerabdruck“.

LEND kann anders als frühere Versionen den Neutronenfluss vom Boden mit einer hohen räumlichen Auflösung von rund zehn Kilometern analysieren. Das ist wichtig, um die stark variierenden Licht-Schatten-Verhältnisse auf der Mondoberfläche genau zu erfassen. Chefwissenschaftler von LEND ist Igor Mitrofanov vom Institut für Weltraumforschung in Moskau. Das Instrument (im Bild) wiegt knapp 26 Kilogramm.

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LESEN

Verständliche Übersicht, von Experten verfasst: Ralf Jaumann, Ulrich Köhler DER MOND Fackelträger, Köln 2009, € 29,99

Spannender Bericht des Apollo-17-Astronauten: Eugene Cernan, Don Davis THE LAST MAN ON THE MOON St. Martin“s Griffin, New York 1999, € 13,99

INTERNET

Übersichtsartikel von A. Crotts zu den Quellen des Mondwassers: arxiv.org/abs/1205.5598

Interview mit Astronaut Eugene Cernan: www.youtube.com/watch?v=5-jhXcTM3Es www.youtube.com/watch?v=ECOxucDWwDY

Der Lunar Reconnaissance Orbiter: lunar.gsfc.nasa.gov/

Die japanische Mondsonde Kaguya: www.selene.jaxa.jp/en/index.htm

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