Quelle: Universität Stuttgart 21. Februar 2024.

21. Februar 2024 – Die Zusammensetzung von Asteroiden und insbesondere ihr Wassergehalt kann uns viel darüber verraten, wie unsere Erde an diesen für die Entstehung von Leben sehr wichtigen Stoff gelangte. Archivdaten von SOFIA, dem Stratosphären-Observatorium für Infrarot-Astronomie, das bis September 2022 von der deutschen und der amerikanischen Raumfahrtagentur (DLR und NASA) betrieben wurde, liefern nun zum ersten Mal den Nachweis von Wassermolekülen auf der Oberfläche von Asteroiden. Hierzu hat ein Team um Anicia Arredondo vom Southwest Research Institute in Texas im Jahr 2022 vier Asteroiden mit dem FORCAST-Instrument an Bord von SOFIA beobachtet. Auf zwei von ihnen, den Asteroiden Iris und Massalia, konnten die Forschenden Spektralsignaturen im mittleren Infrarotbereich detektieren, die eindeutig auf molekulares Wasser hinweisen.

Das Deutsche SOFIA Institut (DSI) der Universität Stuttgart koordiniert die SOFIA-Aktivitäten auf deutscher Seite.

Die Zusammensetzung von Asteroiden hängt davon ab, wo sie im Sonnensystem entstanden sind. Wasserfreie, trockene Silikat-Asteroiden bilden sich in der Nähe der Sonne, während eisiges Material weiter draußen zu finden ist. Die Lage und Zusammensetzung von Asteroiden gibt also Aufschluss darüber, wie sich verschiedene Elemente und Rohstoffe im jungen Sonnensystem verteilt haben. Dem Vorhandensein von Wasser kommt dabei eine besondere Rolle zu, da es die Grundlage für alles Leben auf der Erde – und möglicherweise auch auf anderen Planeten – ist.

Das Team um Anicia Arredondo hat sich bei seiner Untersuchung auf den Erfolg des Teams gestützt, das zuvor mit SOFIA molekulares Wasser auf der sonnenbeschienenen Seite des Mondes gefunden hat. „Wir dachten, wir könnten SOFIA nutzen, um diese Spektralsignatur auch auf anderen Körpern zu finden“, erläutert Anicia Arredondo, Erstautorin der Studie, die am 12. Februar 2024 im Planetary Science Journal veröffentlicht wurde.

Die Helligkeiten von zwei weiteren Asteroiden, Parthenope und Melpomene, waren zu schwach, um aufgrund der vorhandenen Daten eine endgültige Schlussfolgerung zu ziehen. Jetzt plant das Team die Beobachtungen weiterer Objekte mit dem James Webb Space Telescope (JWST), um die Verteilung von Wasser in unserem Sonnensystem noch besser zu verstehen. „Diese Studie ist ein schönes Beispiel für das große Potential, welches noch in den SOFIA Daten schlummert.“, meint Bernhard Schulz, SOFIA Science Mission Deputy Direktor der Universität Stuttgart. Um dieses voll zu nutzen, plant die Universität Stuttgart die Einrichtung eines SOFIA-Datenzentrums. „Das ist vor allem im Hinblick auf die ferninfraroten Daten wichtig, die aus einem Wellenlängenbereich kommen, für die es derzeit kein Observatorium gibt und zu dem auch das JWST keinen Zugang hat“, so Bernhard Schulz.

Über SOFIA:
SOFIA, das Stratosphären Observatorium Für Infrarot Astronomie, ist ein Gemeinschaftsprojekt des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR; Förderkennzeichen 50OK0901, 50OK1301, 50OK1701 und 50OK2002) und der National Aeronautics and Space Administration (NASA). Es wird auf Veranlassung des DLR mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages und mit Mitteln des Landes Baden-Württemberg und der Universität Stuttgart durchgeführt. Die SOFIA-Aktivitäten werden auf deutscher Seite von der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR koordiniert und vom Deutschen SOFIA Institut (DSI) der Universität Stuttgart durchgeführt, auf amerikanischer Seite von der NASA und der Universities Space Research Association (USRA). Die Entwicklung der deutschen Instrumente wurde finanziert mit Mitteln der Max-Planck-Gesellschaft (MPG), der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und des DLR.

Originalveröffentlichung:

• Detection of Molecular H₂O on Nominally Anhydrous Asteroids, The Planetary Science Journal, Vol. 5, Nr. 2, 12. Februar, 2024, A. Arredondo et al.; DOI: 3847/PSJ/ad18b8

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• Stratosphären-Observatorium SOFIA

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Quelle: Universität Stuttgart 26. September 2022.

26. September 2022 – Anfang September konnten neun Lehrkräfte aus Baden-Württemberg, Bayern, Berlin, Brandenburg und Mecklenburg-Vorpommern an Forschungsflügen von SOFIA teilnehmen. Damit hat das SOFIA German Ambassador Programm (SGAP) einen schönen Abschluss gefunden. Die Bewerbungen der ausgewählten Lehrerinnen und Lehrer waren schon vor der Covid19-Pandemie beim DSI eingegangen, doch das Mitflugprogramm konnte erst dieses Jahr wieder aufgenommen werden. Nachdem die Einstellung des SOFIA-Projektes für Ende September erst im April dieses Jahres bekanntgegeben worden ist, hatten die Lehrkräfte eigentlich schon die Hoffnung auf einen Mitflug aufgegeben. Aber Ende Juni haben sie die Nachricht von der Möglichkeit, noch vor Projektende an einem SOFIA-Flug teilnehmen zu können, erhalten und mit Freude und Überraschung aufgenommen. Die Vorbereitung für die Reise und die Flüge an Bord von SOFIA erfolgte in einer Vielzahl von Web-Konferenzen, zu denen sich die Lehrkräfte von Klassenfahrten, Projekttagen oder aus ihrem Sommerurlaub einwählen konnten. Ein Schreckmoment etwa sechs Wochen vor der Abreise war der Sturmschaden, der bei einem Unwetter in Christchurch, Neuseeland, durch die Außentreppe am 18. Juli verursacht wurde. Nachdem am 8. August dann durch einen Functional Check-Flight die Freigabe für weitere Wissenschaftsflüge gegeben werden konnte, war die Erleichterung bei den Lehrkräften groß.

In Palmdale konnten die Lehrkräfte bei Führungen mit den DSI-Ingenieuren Oliver Zeile und Nadine Fischer durch den Hangar 703 des Armstrong Flight Research Center und durch das SOFIA-Flugzeug schon viele Informationen erhalten. Der Höhepunkt war die Teilnahme an den fast 10-stündigen Forschungsflügen. Schon in den Mission-Briefings, bestehend aus den Missions-Direktoren, Piloten, Flugingenieur, Sicherheitstechniker, den Teleskop-Operatoren und den Instrumenten-Wissenschaftler*innen, sowie den mitfliegenden Lehrkräften, wurde deutlich, dass das für sie eine einzigartige Erfahrung wird.

Das SOFIA-Flugzeug gleicht einem fliegenden Labor mit dem Teleskop als Herzstück. Die Sitzplätze an den Computer-Konsolen auf dem Hauptdeck des Flugzeugs sind nach hinten gerichtet, damit die Mitfliegenden das Teleskop während des Fluges ständig im Blick haben. Nur die Besatzung im Cockpit schaut nach vorne. Die Perspektive der Piloten konnten während Start und Landung von den Lehrkräften geteilt werden: die beiden zusätzlichen Sitze im Cockpit waren für die Gäste reserviert. Safia Ouazi konnte den ersten Start in dieser Woche im Cockpit erleben und den Funkverkehr der Piloten verfolgen. Nach dem Start Richtung Westen über die Mojave Wüste sagte sie: „Ich bin eigentlich sprachlos. Es war für mich wie ein Traum in den Sonnenuntergang hinein zu starten.“ Nachdem SOFIA abgehoben hatte, konnte ihr der dritte Mann im Cockpit – Flugingenieur Richard Gould – viele Einzelheiten erklären. Auch die Teleskoptür öffnete der Flugingenieur mit einem Hebel im Cockpit, so dass das Teleskop mit den geplanten Beobachtungen von Mond und Galaxien beginnen konnte.

Die zehn Stunden an Bord waren für die Lehrkräfte sehr kurzweilig. In Gesprächen mit dem SOFIA-Team über Flugplanung und Wissenschaft sowie über die Steuerung und Lagerung des Teleskops konnten sie einen Einblick in die Komplexität des fliegenden Observatoriums erhalten und Anknüpfungspunkte für ihren Unterricht an ihren Heimatschulen in Deutschland finden. Mit ihren Fragen konnten sich die Lehrerinnen und Lehrer während der Flüge auch an die DSI-Ingenieure Oliver Zeile, Rainer Valek, Christian Fischer und Benjamin Greiner wenden. Die Wissenschaftlerin Anicia Arredondo zeigte eine Präsentation und erläuterte, dass mit diesen letzten FORCAST-Flügen (Faint Object infraRed CAmera for the SOFIA Telescope) eine Kartierung des Wassers auf dem Mond erfolgen soll, um zu verstehen wie der Wassergehalt mit der geografischen Breite, der Zusammensetzung und der Temperatur des Mondes variiert.

Anders als in Passagierflugzeugen, konnten sich die Lehrkräfte im Flugzeug frei bewegen, und so mal für eine Weile der Teleskop-Operatorin oder dem Mission-Direktor direkt über die Schulter schauen und sie zu ihren Aufgaben befragen. Auch der Blick aus dem Fenster, beispielsweise bei Gewitter, faszinierte die Lehrkräfte. Nils Wüchner, der während des Flugs viele Fotos gemacht hat, bemerkt zu der besonderen Perspektive: „Ich konnte den Großen Wagen über den Wolken fotografieren.“

Florian Rüth fasste die Erfahrungen an Bord von SOFIA für die Lehrkräfte zusammen: „Physik wird greifbar.“ Er und seine Kolleg*innen sind sich sicher, dass sie viel von dem, was sie mit und in SOFIA hautnah erlebt haben, in ihren Unterricht einbauen können. Rita Isenmann spricht aus, was die mitreisenden Lehrkräfte alle denken: „Es war ein grandioses Erlebnis, die Wissenschaft der Astronomie so hautnah miterleben zu können. Schade, dass SOFIA nicht weiterfliegen darf.“

Über SOFIA
SOFIA, das Stratosphären Observatorium Für Infrarot Astronomie, ist ein Gemeinschaftsprojekt des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR; Förderkennzeichen 50OK0901, 50OK1301, 50OK1701 und FKZ 50 OK 2002) und der National Aeronautics and Space Administration (NASA). Es wird auf Veranlassung des DLR mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages und mit Mitteln des Landes Baden-Württemberg und der Universität Stuttgart durchgeführt. Der wissenschaftliche Betrieb wird auf deutscher Seite vom Deutschen SOFIA Institut (DSI) der Universität Stuttgart koordiniert, auf amerikanischer Seite von der Universities Space Research Association (USRA). Die Entwicklung der deutschen Instrumente ist finanziert mit Mitteln der Max-Planck-Gesellschaft (MPG), der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und des DLR.

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• Stratosphären-Observatorium SOFIA

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Quelle: Universität Stuttgart.

Die fliegende Sternwarte SOFIA (Stratosphären Observatorium Für Infrarot-Astronomie) hat erstmals den direkten eindeutigen Nachweis von Wassermolekülen auf dem Mond außerhalb des permanenten Schattens an den Mondpolen erbracht. Dem Infrarot-Observatorium der US-amerikanischen Weltraumbehörde NASA und des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) war es mit dem Instrument FORCAST (Faint Object InfraRed CAmera for the SOFIA-Telescope) gelungen, die Moleküle auf der Südhalbkugel des Mondes zu detektieren. Die Ergebnisse der wissenschaftlichen Forschungsarbeit wurden am 26. Oktober 2020 im Fachmagazin Nature Astronomy veröffentlicht. Der wissenschaftliche Betrieb von SOFIA wird auf deutscher Seite vom Deutschen SOFIA-Institut (DSI) der Universität Stuttgart koordiniert.

Seit die Apollo 11 Mission 1969 die ersten Mondgesteine auf die Erde gebracht hat, haben Forschende nach dem eindeutigen Beweis gesucht, dass es Wasser auf dem Mond gibt. Aber die Proben zeigten – wie auch die der zahlreichen Folgemissionen – keine eindeutigen Hinweise für die Existenz von Wasser auf dem Erdtrabanten. Die Bestätigung kam erst im Jahr 2009 durch das NASA-Instrument Moon Mineralogy Mapper an Bord der indischen Chandrayaan-1 Mission – und dies auch nur für die Region um die Mondpole herum. „Mit SOFIA konnten wir jetzt endlich den lang erhofften, eindeutigen Beweis anführen, dass Wasser auch im Bereich der wärmeren, von der Sonne beschienenen Mondoberfläche vorkommt“, erklärt Bernhard Schulz, SOFIA Science Mission Operation Deputy Director der Universität Stuttgart. Bereits am 30. August 2018 hatte ein Team um Casey Honniball vom Hawai’i Institute of Geophysics and Planetology den Mond mit dem FORCAST Instrument an Bord von SOFIA beobachtet. Dabei konnte die Wissenschaftlerin den eindeutigen Fingerabdruck von molekularem Wasser im mittleren Infrarotbereich (sechs Mikrometer Wellenlänge) im Bereich des Clavius-Kraters auf der südlichen Mondhalbkugel detektieren.

Wie kommt das Wasser auf den Mond?
Die sonnenbeschienenen Gebiete des Mondes erreichen eine Temperatur von etwa 230 Grad Celsius. Bei dieser Temperatur ist Wasser gasförmig und sollte verdunsten, da der Mond quasi keine Atmosphäre hat. Trotzdem ist es auf der Oberfläche vorhanden. Derzeit existieren zwei Theorien, die dies erklären können: Mikrometeoriten, die auf die Mondoberfläche fallen und geringe Mengen Wasser transportieren, könnten die Flüssigkeit durch ihren Aufprall im Gestein ablagern, so dass das Wasser dann in winzigen glasperlenartigen Strukturen im Boden eingeschlossen bleibt. Möglich wäre aber auch ein zweistufiger Prozess, bei dem der Sonnenwind Wasserstoff an die Mondoberfläche liefert, wo er sich mit Hydroxyl (HO) – einem Wasserstoffatom, das an ein Sauerstoffatom gebunden ist – zu Wasser verbindet. Dieses könnte auf der Oberfläche des Mondes versickern und wäre so vor dem Sonnenlicht geschützt.

Wasser als Grundlage für zukünftige Weltraummissionen
Ein Ziel der maßgeblich von Deutschland mitfinanzierten Europäischen Weltraumforschung in Bezug auf den Mond besteht darin, zu bestätigen, dass Ressourcen wie etwa Wasser in ausreichenden Mengen auf dem Mond vorhanden sind, um sie zum Beispiel für ein zukünftiges „Moon Village“ nutzen zu können. Die Menge an Wasser, die SOFIA entdeckt hat, entspricht etwa dem Inhalt einer 0,33 Liter Getränkedose, verteilt in einem Kubikmeter Boden. „Das ist zwar weniger als in den Wüsten unserer Erde“, erläutert Reinhold Ewald, Europäischer Astronaut und Professor am Institut für Raumfahrtsysteme (IRS) der Universität Stuttgart. „Aber findige Lebenserhaltungssysteme wie wir sie im Bereich Astronautik und Raumstationen am IRS entwickeln und erforschen, könnten daraus einen Teil der Ressourcen produzieren, die wir für zukünftige astronautische Weltraumissionen brauchen werden.“

Um das Phänomen von Wasser auf dem Mond eingehender zu erforschen, wird SOFIA die sonnenbeschienenen Flächen während verschiedener Mondphasen erneut beobachten. Die Wissenschaftler*innen erhoffen sich davon neue Erkenntnisse darüber, wie das Wasser produziert und gespeichert wird, und wie es sich über die Mondoberfläche verteilt. Diese Daten werden hilfreich für die Planung zukünftiger Mondmissionen sein.

Originalveröffentlichung:
Molecular water detected on the sunlit Moon by SOFIA, C. I. Honniball et al., Nature Astronomy, 26. Oktober 2020
(DOI: 10.1038/s41550-020-01222-x)

Videos:
Animation (minimale Auflösung; 2,9 MB)
Animation (maximale Auflösung; 20,5 MB)
Credits: NASA & USRA (Videomaterial), 3M2 Film (deutsche Bearbeitung)

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• Mond
• Stratosphären-Observatorium SOFIA

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Quelle: DLR.

Die fliegende Sternwarte SOFIA (Stratosphären Observatorium Für Infrarot-Astronomie) hat erstmals den direkten eindeutigen Nachweis von Wassermolekülen auf dem Mond außerhalb des permanenten Schattens an den Mondpolen erbracht. Dem Infrarot-Observatorium der US-amerikanischen Weltraumbehörde NASA und des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) war es mit dem Instrument FORCAST (Faint Object Infrared Camera for the SOFIA-Telescope) gelungen, die Moleküle auf der Südhalbkugel des Mondes zu detektieren. Die Ergebnisse der wissenschaftlichen Forschungsarbeit wurden am 26. Oktober 2020 im Fachmagazin Nature Astronomy veröffentlicht.

„Wir haben nach Wasser auf dem Mond gesucht, seit die ersten Mondgesteine in den 60er Jahren des letzten Jahrhunderts auf die Erde zurückgebracht wurden“, so Dr. Alessandra Roy, SOFIA-Projektwissenschaftlerin im DLR-Raumfahrtmanagement. „Die meisten dieser Proben zeigten jedoch keine Hinweise auf dessen Existenz. „Die Bestätigung erhielten die Wissenschaftler erst im Jahr 2008 durch das NASA-Instrument Moon Mineralogy Mapper an Bord der indischen Chandrayaan-1 Mission – und dies auch nur für die Region um die Mondpole herum. Nun konnte SOFIA nachweisen, dass Wasser auch im Bereich der von der Sonne beschienenen Mondoberfläche vorkommt. Bereits am 30. August 2018 hatte das fliegende Infrarot-Observatorium den Mond mit dem Instrument FORCAST beobachtet. Dabei konnten die Wissenschaftler den eindeutigen Fingerabdruck von Wassermolekülen im mittleren Infrarotbereich (bei sechs Mikrometern Wellenlänge) im Bereich des Clavius-Kraters auf der südlichen Mondhalbkugel detektieren.

Wie kommt das Wasser auf den Mond?
Die sonnenbeschienenen Teile des Mondes erreichen eine Temperatur von etwa 120 Grad Celsius. Bei dieser Temperatur ist das Wasser gasförmig und sollte verdunsten, da der Mond quasi keine Atmosphäre hat“, sagt Dr. Roy. „Trotzdem ist es auf der Oberfläche vorhanden“. Derzeit existieren zwei Theorien, die dies erklären können: Mikrometeoriten, die auf die Mondoberfläche fallen und geringe Mengen Wasser transportieren, könnten die Flüssigkeit durch ihren Aufprall im Gestein ablagern und das Wasser dann in winzigen glasperlenartigen Strukturen im Boden eingeschlossen sein. Möglich wäre aber auch ein zweistufiger Prozess, bei dem der Sonnenwind Wasserstoff an die Mondoberfläche liefert, wo er sich mit Hydroxyl – einem Wasserstoffatom, das an ein Sauerstoffatom gebunden ist – zu Wasser verbindet. Die von SOFIA gesammelten Daten deuten darauf hin, dass sich der größte Teil des nachgewiesenen Wassers im Inneren des Substrats befindet, das die Mondoberfläche bedeckt.

Wasser als Grundlage für zukünftige Weltraummissionen
Eines der Ziele der ESA-Strategie für Weltraumressourcen mit Schwerpunkt Mond besteht darin zu bestätigen, ob Ressourcen wie etwa Wasser eine nachhaltige Weltraumforschung ermöglichen können. „Die Menge an Wasser, die SOFIA entdeckt hat, entspricht etwa dem Inhalt einer 0,33 Liter Getränke-Dose, verteilt über die Oberfläche eines Fußballfeldes“, erklärt Dr. Roy. „Der Mond bleibt damit trockener als die Wüsten auf der Erde, aber die gefundene Wassermenge könnte immer noch wichtig für zukünftige astronautische Weltraumissionen werden.“

Um das Phänomen von Wasser auf dem Mond eingehender zu erforschen, wird SOFIA die sonnenbeschienenen Flächen während verschiedener Mondphasen erneut beobachten. Die Wissenschaftler erhoffen sich davon neue Erkenntnisse darüber, woher das Wasser stammt, wie es gespeichert wird, und wie es sich über die Mondoberfläche verteilt. Diese Daten werden die Ergebnisse zukünftiger Mondmissionen ergänzen.

Über SOFIA:
SOFIA, das „Stratosphären-Observatorium für Infrarot-Astronomie“ ist ein Gemeinschaftsprojekt des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR) und der U.S.-amerikanischen Raumfahrtbehörde NASA. Es wird vom DLR mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi), des Landes Baden-Württemberg und der Universität Stuttgart durchgeführt. Der wissenschaftliche Betrieb wird auf deutscher Seite vom Deutschen SOFIA-Institut (DSI) der Universität Stuttgart koordiniert, auf amerikanischer Seite von der Universities Space Research Association (USRA).

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