Spirit weist Karbonatvorkommen auf dem Mars nach

Aktuelle Auswertungen der Messungen des Marsrovers Spirit liefern einen erneuten Nachweis für das Vorhandensein von Karbonatablagerungen auf der Oberfläche unseres Nachbarplaneten. Im Gegensatz zu früheren Untersuchungen konnten solche Ablagerungen dabei erstmals direkt analysiert werden.

Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: JPL, Arizona State University, Johannes Gutenberg Universität Mainz, Wikipedia.

Aufgrund der von den verschiedenen Orbiter-, Lander- und Rovermissionen gesammelten Daten gilt es heute als gesichert, dass unser äußerer Nachbarplanet, der Mars, in seiner Frühzeit über eine dichtere Atmosphäre verfügt haben muss, welche in Kombination mit höheren Temperaturen das Vorhandensein von flüssigem Wasser ermöglicht hat. Auf den Bildern der Orbiter erkennen wir gewaltige Canyons und Flussdeltas, deren Entstehung sich am besten durch die direkte Einwirkung von Oberflächenwasser erklären lässt. Die Analysen der Lander und Rover haben das Vorkommen verschiedener Mineralien bewiesen, welche zumindestens auf der Erde nur in Verbindung mit Wasser entstehen. Ein Rätsel für die Wissenschaftler war hierbei allerdings immer das Fehlen eines Minerals, welches unter solchen ehemaligen Bedingungen eigentlich in größeren Mengen auftreten sollte.

Die Atmosphäre des Mars besteht gegenwärtig zu 95,3 Prozent aus Kohlendioxid. Außerdem treten noch 2,7 Prozent Stickstoff, etwa 1,6 Prozent Argon und Spuren von weiteren Gasen auf. Eine Welt, deren Klima durch Kohlendioxid und Wasser bestimmt wird, sollte jedoch auch über deutlich erkennbare Karbonatablagerungen verfügen. Karbonate sind Salze der Kohlensäure, welche freigesetzt werden, sobald Kohlendioxid mit Wasser reagiert. Auf der Erde finden sich solche Karbonatvorkommen zumeist in Form von Kalziumkarbonat, welches besser unter der Bezeichnung Kalk bekannt ist. Als vor etwa 3,7 Milliarden Jahren ein Großteil der Marsatmosphäre aus bisher nicht genau bekannten Gründen verflüchtigte und das Oberflächenwasser aufgrund des dadurch bedingten Abfalls des Luftdrucks verdampfte, hätte sich das kohlensäurehaltige Wasser mit den im Boden vorkommenden Kalzium-, Eisen- und Magnesiumablagerungen verbinden und als Karbonat niederschlagen müssen. Trotzdem konnten im Verlauf der bisherigen Untersuchungen des Mars bis heute nur geringe Spuren dieses Minerals auf dessen Oberfläche nachgewiesen werden.

Der Grund hierfür, so die Wissenschaftler, dürfte in einem hohen Säuregehalt des früher auf dem Mars befindlichen Wassers zu finden sein. Noch heute finden sich hohe Konzentrationen an Schwefeldioxid, welches einst durch gewaltigen Vulkanausbrüche in die Marsatmosphäre gelangt ist. In Kombination mit Luftfeuchtigkeit bildete sich aus diesem Schwefeldioxid Schweflige Säure, aus welcher dann bei einer weiteren chemischen Reaktion Schwefelsäure entstand. Sobald Karbonatgestein mit Schwefelsäure in Berührung kommt, wird dieses allerdings wieder in das Kohlendioxid, aus welchem es sich ursprünglich bildete, und in Sulfate zersetzt. Die zahlreichen sulfathaltigen Ablagerungen, welche durch die verschiedenen Forschungsmissionen auf der Marsoberfläche nachgewiesen werden konnten, dürften somit höchstwahrscheinlich die Verwitterungsprodukte von Schwefelsäure sein. Auch die Funde anderer Mineralien passen in dieses Bild über die Frühzeit des Mars. So entsteht zum Beispiel das ebenfalls auf dem Roten Planeten nachgewiesene Mineral Jarosit ausschließlich in einer extrem sauren Umgebung.

Für die Entstehung von Leben, so die allgemein anerkannte Meinung, ist das Vorhandensein von flüssigem Wasser nötig. Der vermutete hohe Säuregehalt des früheren Marswassers, so viele Astrobiologen, hat dabei allerdings die Entstehung und Entwicklung eventueller Lebensformen zumindestens behindert und sehr wahrscheinlich sogar gänzlich unmöglich gemacht. Der Mars wäre nach dieser Auffassung kein geeigneter Kandidat für die Suche nach ehemaligen oder sogar noch heute existenten außerirdischen Lebensformen.

Im Jahr 2003 fand man jedoch bei der Auswertung von Spektrometerdaten des Orbiters Mars Global Surveyor geringe Mengen von Karbonaten auf der Marsoberfläche, welche im dortigen Staub enthalten waren. Im Dezember 2008 publizierte eine Wissenschaftlergruppe um Scott Murchie von der Johns Hopkins University einen weiteren Nachweis. Mit Hilfe des Compact Reconnaissance Imaging Spectrometer for Mars (CRISM) an Bord der NASA-Sonde Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) konnte man Karbonatvorkommen innerhalb von intaktem Marsgestein nachweisen. Diese Vorkommen bedecken im Bereich des Nili Fossae eine Fläche von etwa 10 Quadratkilometern. Auch in der näheren Umgebung wurden bei diesen Messungen weitere Vorkommen entdeckt.

Ebenfalls im Jahr 2008 gelang ein weiterer Nachweis von Karbonaten, diesmal in der Nordpolregion des Mars. Die Auswertung der Messergebnisse des TEGA-Instruments des Marslanders Phoenix lässt hierbei auf einen Anteil von drei bis fünf Gewichtsprozenten von Kalziumkarbonat in den dort untersuchten Bodenproben schließen. Und auch durch die Analyse der von dem Marsrover Spirit gewonnenen Daten konnte dieses Mineral jetzt erneut nachgewiesen werden.

Der Marsrover Spirit und sein baugleicher Zwillingsrover Opportunity untersuchen die Oberfläche des Mars mittlerweile seit dem Januar 2004. Das Hauptziel dieser Mars Exploration Rover-Mission ist es, die geologischen Bedingungen auf der Planetenoberfläche zu erforschen und dabei speziell nach Hinweisen auf das einstige Vorhandensein von Wasser zu suchen. Aufgrund ihrer Instrumentierung werden die beiden Rover dabei von der für diese Mission verantwortlichen amerikanischen Weltraumbehörde NASA auch als Roboter-Geologen bezeichnet.
Spirit landete am 4. Januar 2004 im 166 Kilometer durchmessenden Gusev-Krater etwa 14,6 Grad südlich des Marsäquators. Dieser Krater entstand vor schätzungsweise rund vier Milliarden Jahren infolge eines Asteroideneinschlages auf der Planetenoberfläche. Nach der Meinung der Mehrheit der Wissenschaftler gelangte in der Folgezeit durch den von Süden her in den Gusev-Krater einmündenden Canyon Ma’adin Vallis ein Gemisch aus Eis, Geröllmassen und Wasser in das Innere des Kraters. Möglicherweise, so die Wissenschaftler, wurde der Gusev-Krater in früheren Zeiten dabei sogar vollständig überflutet. Der im Kraterinneren durch Spirit erfolgte Nachweis von Goethit wird von den Forschern mittlerweile als ein sicherer Hinweis dafür interpretiert, dass sich hier über einen längeren Zeitraum Wasser befunden haben muss, denn dieses Eisenmineral bildet sich auf der Erde nur unter der direkten Einwirkung von Wasser.

Im Rahmen seiner Forschungsmission erreichte Spirit am 19. Dezember 2005, dem Missionstag Sol 697, eine Gesteinsformation, welche von den an der Mission beteiligten Wissenschaftlern den Namen Comanche erhielt. Der Rover nahm eine Position an einem Felsvorsprung von Comanche ein, welcher für das Fahrzeug in Anbetracht der dort vorherrschenden Geländeneigung sicher erreichbar war und führte vom 20. bis zu 25. Dezember ausführliche Untersuchungen an dieser Felsformation durch. Zu diesem Zweck wurde der Felsen zuerst mit den bildgebenden Instrumenten des Rovers dokumentiert.

Anschließend suchte man zwei spezielle Ziele auf der Oberfläche des Felsens aus, welche mit den Namen Horseback und Palomino belegt wurden, und untersuchte diese mit den am Instrumentenarm des Rovers montierten Analysegeräten. Zuerst reinigte man die Gesteinsoberfläche an diesen Stellen mit einer speziellen Bürste von Staubablagerungen, um die anschließenden Messergebnisse nicht zu verfälschen. Danach führte man mit zwei Spektrometern Messungen durch, mit welchen die exakte Zusammensetzung von Comanche bestimmt werden sollte. Parallel dazu wurden Aufnahmen mit einem Mikroskop angefertigt, um diese Messungen in einen wissenschaftlichen Kontext zu versetzen.

Bei dem ersten Spektrometer handelte es sich dabei um ein APXS-Spektrometer. Dieses Instrument verfügt an seinem Kopfende über ein Ringstück, durch welches das radioaktiv strahlende Isotop Curium-244 abgegeben wird. Bei den Messungen wird dieses Kopfstück direkt auf dem zu untersuchenden Objekt aufgesetzt. Die Isotopenquelle sendet bei der Messung eine Alphastrahlung in Form von Heliumkernen aus, welche aus zwei Protonen und zwei Neutronen bestehen. Sobald diese Heliumkerne in dem zu untersuchenden Objekt auf andere Atomkerne treffen, werden sie dabei abhängig von der Atommasse der getroffenen Atome auf eine charakteristische Art und Weise gestreut und abgelenkt. Misst man dabei den Winkel der erfolgten Ablenkung, so erhält man genaue Daten zur Masse der für die Ablenkung verantwortlichen Atomkerne und kann so auch die dafür verantwortlichen Elemente bestimmen. Aus der sich so ergebenden Zusammensetzung der verschiedenen Elemente kann wiederum auf das zugrunde liegende Mineral und daraus auf die Gesamtzusammensetzung des Untersuchungsobjektes geschlossen werden. Die beiden APXS-Spektrometer der Mars Exploration Rover-Mission wurden am Max-Planck-Institut für Chemie in Mainz entwickelt.

Bei dem zweiten Instrument handelt es sich um ein Moessbauer-Spektrometer. Dieses Gerät macht sich den sogenannten Moessbauer-Effekt zunutze, um bei der Analyse von Gesteins- und Bodenproben eisenhaltige Mineralien nachzuweisen und auf diese Weise Aussagen über frühere Wasseraktivitäten zu treffen. Das Gerät sendet dabei mittels einer radioaktiven Quelle, in diesem Fall handelt es sich um Cobalt-57, Gamma-Strahlen aus, welche auf das zu untersuchende Material treffen und von diesem reflektiert werden. Die Differenz zwischen dem ursprünglich ausgesandten und dem anschließend wieder empfangenen Spektrum gibt Auskunft über die genaue Zusammensetzung der eisenhaltigen Mineralien auf dem Mars, welche übrigens auch für die rötliche Färbung der Oberfläche des Mars verantwortlich sind. Das „MIMOS II“ genannte Moessbauer-Spektrometer der Rover-Mission wurde unter der Leitung von Dr. Göstar Klingelhöfer am Institut für Anorganische und Analytische Chemie an der Johannes-Gutenberg-Universität in Mainz entwickelt und gebaut.

Bereits eine erste Sichtung der im Dezember 2005 gewonnenen Messdaten ließ darauf schließen, dass man bei Comanche auf etwas besonderes gestoßen war. „Wie bereits die vorherigen Untersuchungsobjekte zeigt auch Comanche kaum Anzeichen einer erfolgten Erosion und verfügte zudem über einen hohen Anteil an Olivin“, so Steve Squyres, der wissenschaftliche Leiter der Mars Exploration Rover-Mission von der Cornell University in Ithaca/USA Ende Dezember 2005. „Aber die Zusammensetzung unterscheidet sich von den anderen Objekten. Wahrscheinlich haben wir hier einen vollkommen neuen Typ von Felsgestein innerhalb des Gusev-Kraters gefunden.“

Jetzt begann für die Wissenschaftler der schwierigste Teil ihrer Arbeit. In einer langjährigen Prozedur haben der NASA-Wissenschaftler Richard Morris vom Johnson Space Center in Houston/USA und sein Team die Daten der verschiedenen Instrumente überprüft und in einen wissenschaftlichen Kontext gesetzt. Heraus kam ein überraschendes Ergebnis. Die Felsformation Comanche besteht zu etwa 16 bis 34 Prozent aus Magnesium-Eisen-Karbonat. „Wir benutzten bei der Auswertung in einer geradezu detektivischen Arbeit die verschiedenen Messdaten“, so Morris. „Die Daten der Instrumente gaben uns dabei verschiedene und ineinander greifende Möglichkeiten, um die Existenz der Magnesium-Eisen-Karbonate zu bestätigen.“

Diese hohe Karbonatkonzentration deutet dabei auf eine sehr starke Wasseraktivität bei einem nahezu neutralem pH-Wert in einer dichten, warmen und feuchten Kohlendioxid-Atmosphäre während ihrer Bildung hin. „Dies ist eine der bisher wichtigsten Entdeckungen dieses Rovers“, so Steve Squyres. „Eine eindeutige Karbonat-Ablagerung im Grundgestein des Mars sagt uns, dass an diesem Ort Bedingungen geherrscht haben müssen, welche für die Entwicklung von Leben zu diesem Zeitpunkt relativ günstig waren.“ Ebenfalls sehr erfreut über diese Entdeckung ist man in Mainz. „Nach diesem Karbonat haben wir immer gesucht“, so Dr. Göstar Klingelhöfer. „Das Mössbauer-Team hat jetzt gemeinsam mit einer internationalen Gruppe zum ersten Mal Karbonatgestein vor Ort auf der Oberfläche des Mars nachgewiesen. Danach war lange gesucht worden, um die jahrzehntelangen Spekulationen, dass in den Anfangszeiten des Planten einmal ein warmes, feuchtes Klima geherrscht hat, zu untermauern.“

Für die extrem komplizierte und mehr als vier Jahre andauernde Auswertung der Daten ist nicht zuletzt ein Problem mit einem weiteren Instrument von Spirit verantwortlich. Bei dem dritten Spektrometer des Rovers handelt es sich um das Mini-TES-Spektrometer. Dieses unter der Leitung von Professor Philip Christensen an der Arizona State University entwickelte Instrument bildet die zu untersuchende Umgebung im infraroten Wellenbereich ab. Dabei lässt sich anhand der gemessenen Wärmestrahlung erkennen, ob der untersuchte Oberflächenbereich von Karbonaten, Silikaten oder in Wasser entstandene Mineralien bedeckt ist. Das wissenschaftliche Hauptziel des Instrumentes besteht dabei in der Suche nach charakteristischen Mineralien, welche unter dem Einfluss von Wasser entstanden sind. Somit ist das Mini-TES auch bestens dazu geeignet, um hohe Konzentrationen von Karbonaten auf der Marsoberfläche direkt nachzuweisen.

Leider wurde die Optik dieses Instrumentes bereits mehrere Monate vor dem Erreichen der Felsformation Comanche durch Staubablagerungen auf der äußeren Linse verschmutzt. „Es war, als wenn man durch verschmutzte Brillengläser blickt“, so Steve Ruff von der Arizona State University. „Wir konnten erkennen, das dort etwas anders ist, konnten jedoch nicht sagen, um was es sich dabei genau handelt.“ In einem langwierigen Prozess entwickelte das Mini-TES-Team ein Verfahren, um die durch die Staubablagerungen auf der Optik erzeugten Verfälschungen der spektroskopischen Aufnahmen zu eliminieren und das Instrument anschließend neu zu kalibrieren. Durch die Zuführung der jetzt fehlerfreien Messungen dieses Instrumentes konnten die Daten zu dem hier kurz angerissenen Gesamtbild zusammen gefügt werden, welches am 3. Mai 2010 in der Ausgabe des Wissenschaftsmagazins „Science“ publiziert wurde.

Das im Gusev-Krater nachgewiesene Karbonat, so die Wissenschaftler, wurde dort vermutlich unter hydrothermalen Bedingungen aus einer karbonathaltiger Lösung abgeschieden. Ähnliche Bedingungen findet man auf der Erde zum Beispiel im Bereich der heißen Quellen auf Island, dem Yellowstone-Nationalpark oder am Grund der Ozeane. Dort erstrecken sich im Verlauf der mittelozeanischen Grabenbrüche ganze Ketten von hydrothermalen Quellen, welche auch als Schwarze beziehungsweise Weiße Raucher bekannt sind.

Diese Annahme verträgt sich auch sehr gut mit der Theorie, dass sich das Gebiet südlich von Comanche, das Home Plate, in Folge vulkanischer Aktivitäten entwickelt hat. Bei diesem etwa 80 Meter durchmessenden Plateau, so die gegenwärtig gängige Theorie, handelt es sich sehr wahrscheinlich um eine erodierte Fumarole. Die dort befindlichen Gesteinsschichtungen wären demzufolge aufgrund einer explosiv erfolgten Interaktion zwischen vulkanischer Lava und Wasser entstanden.

Trotz der verständlichen Begeisterung über die jüngsten Funde von Karbonatgesteinen darf man aber nicht außer Acht lassen, dass sich diese Vorkommen anscheinend nicht über den gesamten Planeten erstrecken. Diese bisher lediglich regional begrenzt nachgewiesenen Vorkommen legen die Vermutung nahe, dass zum Zeitpunkt der Bildung dieser Karbonatvorkommen auf dem Mars deutliche regionale Unterschiede geherrscht haben müssen. Besonders die Gebiete mit den bisher nachgewiesenen Karbonat-Funden erscheinen dabei aus der heutigen Sicht für zukünftige Missionen auf die Marsoberfläche, welche dann auch direkt nach Anzeichen für früheres Leben auf dem Mars suchen werden, besonders interessant.

Der Marsrover Spirit ist am 23. April 2009 durch eine dünne Kruste gebrochen, welche einen vorher nicht erkennbaren kleinen Krater am Westrand der Home Plate bedeckt. Alle anschließend erfolgten Versuche der für die Steuerung des Rovers verantwortlichen Roverdriver, das Fahrzeug wieder aus seiner misslichen Lage zu befreien, blieben bisher leider erfolglos. Die NASA gab daher am 12. Februar 2010 bekannt, dass die Befreiungsversuche für den Rover aufgrund der sich zunehmend verschlechternden Energiesituation eingestellt werden (Raumfahrer.net berichtete). Bis zu diesem Zeitpunkt hatte Spirit eine Distanz von 7.730,50 Meter auf der Oberfläche des Mars überbrückt. Ende März 2010 konnte schließlich zum bisher letzten Mal ein Kontakt mit dem Rover hergestellt werden. Am für die Steuerung des Rovers verantwortlichen Jet Propulsion Laboratory (JPL) geht man seitdem davon aus, dass der Rover sich in einem energiebedingten Hibernation-Modus befindet. Aufgrund der unzureichenden Energieversorgung des ausschließlich durch Sonnenenergie betriebenen Rovers hat dieser demzufolge sämtliche Aktivitäten eingestellt und ist in eine Art „Winterschlaf“ gefallen.

Erst ab dem Herbst 2010, so die Verantwortlichen am JPL, ist damit zu rechnen, dass sich Spirit aufgrund der bis dahin erfolgten Verbesserung des Sonnenstandes auf dem Mars und der dadurch bedingten besseren Energieversorgung durch die Solarpaneele bei seinem Kontrollzentrum zurück melden wird. Erst nach einer solchen Rückmeldung wird Spirit seine wissenschaftlichen Aktivitäten wieder aufnehmen können. Und auch eine Fortsetzung der „Befreiungsversuche“ wird mittlerweile nicht mehr ausgeschlossen. Unabhängig davon dürfte diese bisher letzte Veröffentlichung in Zusammenhang mit den Messungen von Spirit zeigen, dass auch in Zukunft noch mit weiteren Erkenntnissen zu rechnen ist, welche auf die bisher sechsjährigen Aktivitäten dieses überaus erfolgreichen Robotergeologen zurück zu führen sind.

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