Quelle: Universität Bayreuth 29. September 2023.

29. September 2023 – Die US-amerikanische Weltraumagentur hat die Proben dem Bayerischen Geoinstitut (BGI) der Universität Bayreuth für wissenschaftliche Untersuchungen zur Verfügung gestellt.

Unter der Leitung von Prof. Dr. Audrey Bouvier, einer international renommierten Expertin für extraterrestrisches Gestein, werden die Proben in den kommenden Jahren mit massenspektrometrischen High-Tech-Verfahren auf ihre chemische Zusammensetzung hin analysiert. Für diese Untersuchungen verfügt das BGI nicht nur über neueste Forschungstechnologien, sondern auch über spezielle Reinräume, die gewährleisten, dass das Mondgestein nicht unter dem Einfluss von Staub oder Feuchtigkeit verändert wird. Bei den von der NASA gelieferten Gesteinsproben handelt es sich um kleine Gesteinsstücke und polierte Anschliffe von der Größe eines Daumenabdrucks. Sie sollen jetzt mit hoher räumlicher Auflösung im Detail analysiert werden. Die Astronauten von Apollo 16 und 17 haben einen großen Teil dieser Proben mit Hilfe des batteriegetriebenen Mondautos „Lunar Roving Vehicle“ eingesammelt, mit dem sie Exkursionen im Umkreis der Landestelle unternehmen konnten.

Analysen von Mondgestein sind nicht nur aufschlussreich für die Entstehung des Mondes, sondern bieten ebenso Einblicke in die Entstehung und die Frühgeschichte der Erde, die durch eine hohe Einschlagsdichte von Asteroiden geprägt war. Frühere Untersuchungen haben bereits gezeigt, dass die Entstehung der Erde in ihrer heutigen Gestalt und die Entstehung ihres Trabanten aufgrund einer Kollision der Erde mit einem unbekannten Planeten eng miteinander verknüpft waren. Doch während alle Gesteine auf der Erdoberfläche infolge der Plattentektonik und unter dem Einfluss von Klima, Wetter und weiteren geologischen Prozessen ständigen Veränderungen unterworfen waren, blieb das Mondgestein weitgehend konserviert. Es ähnelt bis heute sehr stark dem Gestein, wie es sich vor mehr als drei Milliarden Jahren bei der Entstehung des Mondes herausgebildet hat.

„Die Untersuchung bestimmter Mondgesteine, so genannter Impaktbrekzien, ermöglicht uns eine Zeitreise in die Vergangenheit: Sie zeigen uns, wie die Erde einst aussah. Diese Gesteine enthalten Spuren des intensiven planetarischen Bombardements, das auf der Mondoberfläche und dementsprechend auch auf der Erde stattfand. Diese Erkenntnisse sind vor allem deshalb besonders interessant, weil sie Rückschlüsse auf chemische und physikalische Gegebenheiten erlauben, unter denen vor ungefähr 3,7 Milliarden Jahren das Leben auf der Erde entstand. Besonders wertvoll sind dabei Isotopenanalysen, die wir hier am BGI mit Forschungstechnologien durchführen können, die es zur Zeit der Apollo-Missionen noch gar nicht gab“, sagt Prof. Dr. Audrey Bouvier, Professorin für experimentelle Planetologie an der Universität Bayreuth.

Dem von ihr geleiteten Forschungsteam am BGI gehört auch Ran Zhao M.Sc. an. Er hat an der Universität Bayreuth den Masterstudiengang „Experimental Geosciences“ absolviert und nimmt nun im Rahmen seiner Doktorarbeit an den Analysen der Gesteinsproben teil. Die Untersuchungen werden sich auch auf die Analysen von Mondgestein erstrecken, das in Form von Meteoriten auf der Erde eingeschlagen ist. Mondmeteoriten liefern Stichproben von Gestein an anderen Orten auf der Mondoberfläche. Ihre chemischen und physikalischen Eigenschaften sind jedoch während ihres Eintritts in die Erdatmosphäre und infolge der Verwitterung auf der Erde in den letzten Zehntausenden von Jahren – bis zu ihrer Entdeckung in der Sahara-Wüste – stark verändert worden. Daher können sie nicht mehr als frisches Mondmaterial angesehen werden.

In Vorbereitung: Analysen des Gesteins eines Marsmonds
Prof. Dr. Audrey Bouvier wurde kürzlich von der Europäischen Weltraumorganisation ESA als europäisches Mitglied eines der „Science Strategy Teams“ ausgewählt, die an der bevorstehenden Raumfahrtmission zur Erforschung der Marsmonde unter japanischer Leitung beteiligt sind. Eine Raumsonde der japanischen Raumfahrtagentur JAXA wird im Herbst 2024 zum Mars starten, um die beiden Marsmonde Phobos und Deimos genau zu beobachten und mindestens zehn Gramm Regolith-Gestein von der Phobos-Oberfläche einzusammeln. Die Gesteinsproben sollen 2029 auf der Erde eintreffen, aber internationale Strategieteams bereiten sich schon jetzt auf die Gesteinsanalysen vor. Die JAXA wird einen Teil der Proben dem BGI zur Verfügung stellen. Das Team von Prof. Bouvier beschäftigt sich dabei vor allem mit der Frage, welche Erkenntnisse über die Entstehung des frühen Sonnensystems und der terrestrischen Planeten aufgrund der Analysen von Marsmondgestein gewonnen werden können.

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• Apollo-Programm

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Quelle: Universität Bayreuth 7. Oktober 2022.

7. Oktober 2022 – Die Einschläge führten dazu, dass die noch junge Erde und andere Planetesimale zwischen vier und 20 Prozent ihrer Masse verloren. Sie trugen wesentlich zur heutigen chemischen Zusammensetzung der Erde bei.

Vor mehr als 4,56 Milliarden Jahren bildeten sich die ersten kleinen Planeten des Sonnensystems aus Staubwolken, die durch die Kondensation von Gasen entstanden. Diese Asteroiden verschmolzen später zu größeren festen Körpern, den so genannten Protoplaneten, die die Forscher auch als Planetesimale bezeichnen. Diese Planetesimale waren die Bausteine der Erde und anderer terrestrischer Planeten. Um mehr über die chemische Zusammensetzung dieser frühen Himmelskörper zu erfahren, untersuchte Prof. Dr. Audrey Bouvier vom Bayerischen Geoinstitut (BGI) der Universität Bayreuth zusammen mit dem ehemaligen Cotutelle-Doktoranden Dr. Paul Frossard und Forschungspartnern in Clermont-Ferrand eine Reihe von chondritischen Meteoriten. Dabei handelt es sich um Gesteinsproben, die wahrscheinlich seit der Frühzeit des Sonnensystems unverändert geblieben sind. Diese Meteoriten ähneln in ihrer chemischen Zusammensetzung wahrscheinlich den frühen primitiven Asteroiden, aus denen sich Planetesimale und die junge Erde entwickelt haben. Die massenspektrometrischen Analysen konzentrierten sich insbesondere auf Neodym (Nd) und Samarium (Sm). Diese Elemente, die zu den Metallen der Seltenen Erden gehören, sind für die geochemische Forschung von besonderem Interesse: Das Isotop ¹⁴⁶Sm ist radioaktiv und zerfällt mit einer für geologische Zeiträume kurzen Halbwertszeit von 103 Millionen Jahren in das Isotop ¹⁴²Nd. Es ist daher in den letzten vier Milliarden Jahren im Sonnensystem verschwunden. Die Forscher bestimmten zunächst, wie der Anteil des Isotops ¹⁴²Nd an den Neodym-Atomen – kurz: die ¹⁴²Nd-Häufigkeit – in den Staubkomponenten verschiedener Chondrite variiert.

Die Ergebnisse der Chondriten-Analysen präzisieren einen rätselhaften Befund, der in der Forschung schon seit längerem diskutiert wird: Die ¹⁴²Nd-Häufigkeit im Erdinneren ist deutlich höher als in den Chondriten. In dieser Hinsicht stimmt die chemische Zusammensetzung der Erde nicht mit der chemischen Zusammensetzung primitiver Asteroiden überein, die sich durch Gravitationskräfte zu Planetesimalen – den Bausteinen der Erde – entwickelten. „Durch die Kombination der Ergebnisse unserer Messungen mit etablierten astrophysikalischen Modellen, die die Entstehung der chemischen Elemente in Sternen beschreiben, konnten wir nun eine plausible Erklärung für die unterschiedliche ¹⁴²Nd-Häufigkeit auf der Erde und in primitiven Asteroiden finden“, sagt Prof. Dr. Audrey Bouvier, Mitautorin der neuen Studie.

Ausgangspunkt der neuen Erklärung ist die Verteilung der chemischen Elemente in den frühen Planetesimalen, die sich aus primitiven Asteroiden gebildet haben. Es kam zu einer fortschreitenden Erhitzung und chemischen Differenzierung: Siderophile Elemente, die Eisen an sich binden, konzentrierten sich im Zentrum der Planetesimale, wodurch ein metallischer Kern entstand. Lithophile Elemente hingegen, die eine Affinität zu Silikaten haben, reicherten sich eher in den oberen Schichten – Mantel und Kruste – der Planetesimale an. Dieser Prozess führte zur Bildung von zwei verschiedenen Reservoiren, die sich in ihren Sm- und Nd-Anteilen unterschieden. Im Laufe der Zeit nahm die ¹⁴²Nd-Häufigkeit auf der Erde aufgrund des radioaktiven Zerfalls zu und wurde höher als die ¹⁴²Nd-Häufigkeit in den primitiven Asteroiden. Das Forscherteam in Bayreuth und Clermont-Ferrand schlägt auf der Grundlage seiner Messungen ein sehr klares Szenario vor: Das Planetesimal, das den Vorläufer der frühen Erde bildete, kollidierte im entstehenden Sonnensystem wiederholt mit anderen Planetesimalen. Dabei wurden immer wieder große Mengen an Material aus seiner Kruste herausgesprengt. Gemeinsam kommen die Autor*innen der neuen Studie zu dem Schluss, dass durch Kollisionen mit Planetesimalen etwa vier bis 20 Prozent der Masse der jungen Erde und anderer Planetesimale herausgesprengt wurden.

„Es ist sehr wahrscheinlich, dass auch andere Elemente von dem enormen kollisionsbedingten Materialverlust betroffen waren. Daher stellt sich erneut die Frage, welche Mengen an radioaktiven Elementen wie Uran, Kalium und Thorium heute im Erdinneren vorhanden sind und zu ihrem Wärmehaushalt und ihrer physikalischen Entwicklung beitragen. Darüber hinaus könnte die Annahme, dass Planetesimale in der frühen Phase ihrer Entstehung immer wieder miteinander kollidiert sind, auch aufschlussreich für die chemische Zusammensetzung weiterer Planeten sein – sei es innerhalb oder außerhalb des Sonnensystems“, sagt die Bayreuther Kosmochemikerin Prof. Dr. Audrey Bouvier.

Veröffentlichung:
Paul Frossard, Claudine Israel, Audrey Bouvier, Maud Boyet: Earth’s composition was modified by collisional erosion. Science Vol. 377, Issue 6614.
DOI: dx.doi.org/10.1126/science.abq7351
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abq7351
Die Studie enthält Forschungsergebnisse, die der Erstautor Dr. Paul Frossard im Rahmen seiner von den Universitäten Bayreuth und Clermont-Ferrand betreuten Doktorarbeit erzielt hat.

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• Planetenentstehung

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Quelle: Universität Bayreuth 28. September 2022.

28. September 2022 – Wegen seines außergewöhnlichen Gewichts und seiner Größe musste eines der beiden Massenspektrometer mit einem Kran von außen in den zweiten Stock des BGI-Gebäudes gehievt werden. Hier wurden die beiden Geräte in einem Reinraumlabor für Kosmochemie installiert, das derzeit eingerichtet wird.

„Mit den beiden Massenspektrometern lässt sich die Zusammensetzung von Weltraumgestein sehr genau analysieren: Wir können bestimmen, welche chemischen Elemente in welcher Häufigkeit in einer Probe enthalten sind, und ebenso können wir in Bezug auf jedes dieser Elemente genau feststellen, welche Isotopenzusammensetzung sie in den untersuchten Materialien haben. Diese Erkenntnisse verraten uns etwas über die Herkunft und Entstehungsgeschichte der Materialien. Die Kompetenzen des BGI im Hinblick auf die Untersuchung extraterrestrischer Materialien werden auf diese Weise erheblich gestärkt. Ein Schwerpunkt unserer Forschung wird die Materialanalyse von Meteoriten sein, die auf der Erde eingeschlagen sind, sowie von Proben, die von Raumfahrtmissionen zurückgebracht wurden“, erklärt Prof. Dr. Audrey Bouvier, Kosmochemikerin am BGI. Sie wurde kürzlich von der National Aeronautics and Space Administration (NASA) und der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) zum Mitglied der Mars Sample Return Campaign Science Group ernannt. Dieses Gremium legt unter anderem die wissenschaftlichen Ziele der laufenden Probensammlung auf dem Mars fest und entscheidet über die Aufbewahrung und Verteilung der Proben für wissenschaftliche Analysen.

Eines der beiden neuen Spektrometer ist ein Plasmaquellen-Magnetsektor-Massenspektrometer mit der Bezeichnung „ThermoScientific Neoma MC-ICP-MS/MS“. Das BGI ist jetzt die erste Forschungseinrichtung in Deutschland, die über ein derartiges Spektrometer verfügt. Das Gerät ermöglicht es, die in Spurenmetallen enthaltenen Isotope und deren Häufigkeit mit bisher unerreichter Präzision zu messen. Es wird am BGI vor allem für Analysen von terrestrischen und extraterrestrischen Proben eingesetzt, kann aber auch für ökologische, archäologische und biologische Untersuchungen genutzt werden.

Das zweite Spektrometer ist ein Massenspektrometer namens „Thermo Scientific iCAP Triple-Quadrupol-ICP-MS“. Mit ihm lassen sich die Häufigkeiten von Spurenelementen in Lösungen oder Feststoffen genau bestimmen. Selbst wenn die Spurenelemente nur einen billionstel Teil einer Probe ausmachen, können sie gemessen werden.

Beide Massenspektrometer können in Verbindung mit einer so genannten „ESI-Laser-Excimer-Ablationsquelle“ eingesetzt werden, die ebenfalls am BGI vorhanden ist. Mit diesem Gerät lassen sich zum Beispiel winzige Partikel aus Mineralen abtrennen, die dann für die jeweiligen massenspektrometrischen Analysen zur Verfügung stehen. Werden alle drei Geräte kombiniert, kann die chemische und isotopische Zusammensetzung einer Probe gleichzeitig bestimmt werden.

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• Meteoriten & Co – Boten aus dem Weltall.

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Quelle: Universität Bayreuth 10. Juni 2022.

10. Juni 2022 – Ein internationales Forscherteam mit Prof. Dr. Audrey Bouvier, Kosmochemikerin am Bayerischen Geoinstitut (BGI) der Universität Bayreuth, berichtet in „Science“ über mineralogische und chemische Analysen von Gesteinsproben des Asteroiden Ryugu. Die Raumsonde Hayabusa2 der japanischen Raumfahrtbehörde JAXA hat 2019 Proben von dem Asteroiden, der einen Durchmesser von 0,9 Kilometern hat, gesammelt und in einer Kapsel zur Erde zurückgeschickt. Die Forschungsergebnisse werden zu neuen Erkenntnissen über die Entstehung des Sonnensystems und die chemische Zusammensetzung der terrestrischen Planeten beitragen. Unter Bouviers Leitung wird die Erforschung von Weltraumgestein am BGI weiter intensiviert. Neben Asteroiden werden hier in den kommenden Jahren auch Gesteinsproben von Mars und Mond untersucht.

Prof. Dr. Audrey Bouvier ist Mitglied des internationalen Forschungsteams, das an den ersten, in Japan durchgeführten chemischen Analysen der Ryugu-Gesteinsproben beteiligt war. Im Gegensatz zu den zahlreichen Meteoriten, die auf der Erdoberfläche eingeschlagen sind, haben die vom Asteroiden entnommenen Proben einen entscheidenden Vorteil: Sie sind garantiert nicht durch den Eintritt in die Erdatmosphäre oder den Aufenthalt auf der Erde chemisch verändert worden. Sie sind so entstanden, wie sie sind: im Weltraum. Die von Hayabusa2 zur Erde gesandten Gesteinsproben hatten ein Gesamtgewicht von etwas mehr als 5,4 Gramm. „Als die Probenbehälter schließlich in Japan geöffnet wurden, war die Überraschung groß, denn es handelte sich um weitaus mehr Material, als wir ursprünglich erwartet hatten“, sagt Bouvier. „Die Proben in den Behältern sahen aus wie dunkle Kieselsteine. Die meisten waren nur wenige Millimeter groß, einige wenige waren größer – bis zu einem Zentimeter, was nahe an der maximalen Größe liegt, die man bei der Probeentnahme an der Asteroid-Oberfläche erhalten kann.“

Ryugu zeigt Spuren der Geschichte des Sonnensystems
Bei ihrer Untersuchung von Ryugu entdeckten die Forscher, dass die Mineralien in Kontakt mit einer wässrigen Flüssigkeit bei einer Temperatur von etwa 37 Grad Celsius verändert wurden, aber nie Temperaturen von über 100 Grad Celsius ausgesetzt waren. Chronologische Untersuchungen deuten darauf hin, dass diese Veränderungen etwa fünf Millionen Jahre nach der Entstehung der ersten Mineralien im Sonnensystem stattgefunden haben. Diese Veränderungen fanden in einem der unzähligen Kleinstplaneten (Planetesimale) statt, aus denen sich später die Planeten des Sonnensystems durch Akkretion entwickelten. Auf dem Planetesimal, aus dem Ryugu herausgesprengt wurde, könnte es reichlich Wasser gegeben haben, was eine wichtige Voraussetzung für die Entstehung von Leben gewesen wäre.

Ein weiteres auffälliges Merkmal ist die Häufigkeit der in den Gesteinsproben enthaltenen chemischen Elemente: Ryugu ähnelt den kohlenstoffhaltigen CI-Chondriten des Meteoriten Ivuna, aber besonders stark ist die Ähnlichkeit mit der Zusammensetzung der Photosphäre der Sonne. Die Photosphäre ist die äußere Hülle eines Sterns, von der Licht in den Weltraum abgestrahlt wird, so dass man daraus seine chemische Zusammensetzung ableiten kann.

Die Analysen der Ryugu-Proben deuten außerdem darauf hin, dass der Asteroid von einem Planetesimal abstammt, das sich am äußersten Rand des Sonnensystems gebildet hat. Später wanderte Ryugu in das Innere des Sonnensystems und gelangte auf seine heutige erdnahe Umlaufbahn um die Sonne. In der aktuellen Forschung wird vermutet, dass Materialien, die am äußersten Rand des Sonnensystems entstanden sind, zur Entstehung der Erde beigetragen haben könnten. Kohlenstoffhaltige Materialien könnten eine wichtige Quelle für die so genannten flüchtigen Elemente auf der Erde gewesen sein. Flüchtige Elemente wie Wasserstoff, Sauerstoff und Kohlenstoff sind wesentliche Bestandteile der Erdatmosphäre und der Ozeane und haben daher einen entscheidenden Anteil an der Entstehung des Lebens.

Auf der Suche nach Leben im Weltraum: in Zukunft auch an der Universität Bayreuth
Wenige Tage vor der Veröffentlichung des neuen „Science“-Artikels gab ein anderes internationales Forscherteam bekannt, dass in Gesteinsproben von Ryugu 20 verschiedene Aminosäuren nachgewiesen wurden. Aminosäuren sind die Bausteine des Lebens auf der Erde. „Es ist das erste Mal, dass Aminosäuren entdeckt wurden, die eindeutig nicht auf der Erde entstanden sind oder verändert wurden. Auch vor diesem Hintergrund ist der Asteroid Ryugu ein spannendes Forschungsobjekt, das aufschlussreiche Erkenntnisse über den Ursprung des Lebens verspricht. Deshalb wollen wir uns an der Universität Bayreuth in Zukunft verstärkt in die Analyse von extraterrestrischen Gesteinsproben einbringen“, sagt Prof. Dr. Audrey Bouvier. Gemeinsam mit Dr. Nobuyoshi Miyajima, Mineraloge am Bayerischen Geoinstitut, wird sie bei der japanischen Raumfahrtbehörde beantragen, dass Ryugu-Proben für weitere mineralogische und chemische Analysen an das BGI ausgeliehen werden. Im September 2022 werden am BGI neue Labore für Isotopengeochemie und Kosmochemie eröffnet. Hier sollen hochpräzise Isotopenstudien von Spurenmetallen in Ryugu- und anderen Planetenproben durchgeführt werden.

Voraussichtlich werden auch Proben von Marsgestein an der Universität Bayreuth untersucht werden, sei es in Form von Meteoriten oder von Proben, die von laufenden und zukünftigen Missionen zurückgebracht werden. Die National Aeronautics and Space Administration (NASA) und die European Space Agency (ESA) haben Prof. Dr. Audrey Bouvier kürzlich als Mitglied der Mars Sample Return Campaign Science Group ausgewählt. Dieses internationale Gremium plant derzeit die Rückführung von Gesteinsproben vom Mars. Es definiert die wissenschaftlichen Ziele der laufenden Probensammlung durch den Perseverance-Rover und entscheidet über die Konservierung und Verteilung der Proben für wissenschaftliche Analysen.

Zur Hayabusa2-Mission
Die Raumsonde Hayabusa2 startete am 3. Dezember 2014 und erforschte den Asteroiden Ryugu 17 Monate lang (Juni 2018 bis November 2019). Die Mission umfasste zwei Landeoperationen, um Proben des Asteroiden zu sammeln. Bei der zweiten Landung wurde durch den Abschuss eines 5-Gramm-Tantal-Projektils ein Krater erzeugt, so dass nicht nur Oberflächenmaterial, sondern auch Gesteinsproben aus tieferen Schichten gesammelt werden konnten. Die Probenkapsel wurde am 6. Dezember 2020 in Australien geborgen und unter strengen Quarantänebedingungen während der COVID-19-Pandemie nach Japan gebracht. Das internationale Team, das die Ryugu-Proben bisher analysiert hat, besteht aus insgesamt sechs Forschergruppen, die von Wissenschaftler*innen in Japan geleitet werden. Prof. Dr. Audrey Bouvier ist Mitglied der Arbeitsgruppe, die die in den Proben enthaltenen chemischen Elemente und ihre Isotope untersucht. Die Raumsonde Hayabusa2 ist unterdessen auf dem Weg zu einem anderen Asteroiden.

Veröffentlichung
Tetsuya Yokoyama et al: Samples returned from the asteroid Ryugu are similar to Ivuna-type carbonaceous meteorites. Science 2022, doi.org/10.1126/science.abn7850
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abn7850

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• HAYABUSA-2 zu Asteroid (162173) Ryugu auf H-IIA

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