Quelle: ETH Zürich; 10. August 2022.

10.08.2022 von Marianne Lucien. Der Mond fasziniert Menschen seit jeher. Doch erst zur Zeit von Galileo Galilei begannen Wissenschaftler, ihn richtig zu untersuchen. Im Laufe von Jahrhunderten stellten Forschende verschiedene Theorien über die Entstehung des Mondes auf.

Nun fügen Geochemiker*innen und Petrolog*innen der ETH Zürich der Entstehungsgeschichte des Mondes ein weiteres Puzzleteil hinzu. In einer Studie, die soeben in der Fachzeitschrift «Science Advances» veröffentlicht wurde, zeigt das Forscherteam, dass der Mond die Edelgase Helium und Neon aus dem Erdmantel geerbt hat.

Die neuen Erkenntnisse beeinflussen die derzeit favorisierte «Giant Impact»-​Theorie, mit der Wissenschaftler die Mondentstehung erklären. Diese Theorie geht davon aus, dass der Mond durch eine massive Kollision zwischen der frühen Erde und einem anderen Himmelskörper entstanden ist. «Unsere Entdeckung bedeutet, dass in der Giant-​Impact-Theorie auch die Edelgase als Faktor einzubeziehen sind», sagt Henner Busemann, Professor am Institut für Geochemie und Petrologie der ETH Zürich.

«Aufregende Entdeckung»
Für diese Studie hat Busemanns Doktorandin Patrizia Will sechs Proben von Mondmeteoriten analysiert. Die Meteoriten wurden von der Nasa in der Antarktis gesammelt und der Forscherin für ihre Untersuchungen zur Verfügung gestellt. Will bestimmte in diesen Meteoritenproben unter anderem den Gehalt der Edelgase Neon und Helium. Diese waren in einer viel größeren Menge vorhanden als erwartet und nur im separierten Glas, was den Sonnenwind als Quelle für die Edelgase ausschloss. Sie mussten also aus dem Innern des Mondes kommen und damit letzten Endes von der Erde vererbt sein. «Dass wir zum ersten Mal Edelgase in basaltischen Materialien vom Mond gefunden haben, die nicht aus dem Sonnenwind stammen können, ist eine aufregende Entdeckung», freut sich Will.

Aufgrund ihrer neuen Erkenntnisse stellen sich die Forschenden den Vorgang so vor: Der junge Mond war vulkanisch aktiv. Magma quoll empor, und erstarrte rasch an der Oberfläche. Durch die rasche Abkühlung bildeten sich Glaspartikel, in welchen die mitgeführten Edelgase Neon und Helium konserviert wurden. Rasch deckten weitere Lavaströme diese Magmaschicht zu und schirmten sie vor kosmischer Strahlung ab, insbesondere vor Sonnenwinden. Dies verhinderte, dass sich chemische Elemente, die im Sonnenwind enthalten sind, in den Glaspartikeln einlagern und deren chemischen Fingerabdruck, die sogenannte Isotopensignatur, verändern konnten.

Per Meteorit zur Erde
Aber wie gelangte das magmatische Mondmaterial mit den Edelgasen auf die Erde? Da der Mond nicht durch eine Atmosphäre geschützt ist, schlagen ständig Asteroiden auf seiner Oberfläche ein. Ein solcher Einschlag war wahrscheinlich stark genug, um Bruchstücke aus den abgeschirmten Lavaschichten des Mondes herauszuschleudern. Diese Gesteinsfragmente gelangten als Meteoriten zur Erde. Viele werden in den Wüsten Nordwestafrikas oder, wie in diesem Fall, in der Antarktis gefunden.

Ihre Untersuchungen haben die Forschenden im Edelgaslabor der ETH Zürich durchgeführt. Dort steht ein hochmodernes Edelgas-​Massenspektrometer namens «Tom Dooley». Seinen Namen erhielt das hochempfindliche Gerät in Anlehnung an einen amerikanischen Folksong, weil es an der Decke des Labors aufgehängt werden musste, um Störungen durch Vibrationen zu vermeiden. Mit dem Tom-​Dooley-Instrument konnte das Forscherteam Glaspartikel von weniger als einem Millimeter Größe aus den Meteoriten messen. «Tom Dooley» ist so empfindlich, dass es als weltweit einziges Instrument in der Lage ist, so geringe Konzentrationen von Helium und Neon nachzuweisen. Es wurde auch dafür eingesetzt, um diese Edelgase in Körnern des Murchison-​Meteoriten nachzuweisen. Die Körner sind rund sieben Milliarden Jahre alt.

Auf der Suche nach den Ursprüngen des Lebens
Zu wissen, wo man in der Nasa-​Sammlung von rund 70’000 Meteoriten suchen muss, ist bei einem solchen Projekt entscheidend. «Ich bin fest davon überzeugt, dass es einen Wettlauf um die Untersuchung schwerer Edelgase und Isotope in diesem Meteoritenmaterial geben wird», sagt ETH-​Professor Henner Busemann, einer der weltweit führenden Wissenschaftler auf dem Gebiet der extraterrestrischen Edelgasgeochemie. Er rechnet damit, dass Forscher*innen bald auch in den Mondmeteoriten nach Edelgasen wie Xenon und Krypton sowie nach weiteren flüchtigen Elementen wie Wasserstoff oder Halogenen suchen werden.

«Obwohl Edelgase für das Leben nicht notwendig sind, wäre es interessant zu wissen, wie sie die brutale und gewaltsame Entstehung des Mondes überlebt haben. Dieses Wissen könnte Wissenschaftler*innen in der Geochemie und Geophysik helfen, neue Modelle zu entwickeln, die allgemeiner zeigen, wie solche höchst flüchtigen Elemente die Entstehung von Planeten in unserem Sonnensystem und darüber hinaus überleben können», sagt Busemann.

Literaturhinweis
Will P, Busemann H, Riebe M, Maden C. Indigenous noble gases in the Moon’s interior, Science Advances, 10 August 2022. DOI: externe Seite10.1126/sciadv.abl4920call_made

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• Mond

Der Beitrag So könnte der Mond entstanden sein erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Günther Glatzel. Quelle: Xinhua.

Genau geschah dies nach Angaben chinesischer Medien am 10. Januar, 22.09 Uhr MEZ. Seit dem 26. Dezember war er im Ruhemodus, da ihm einerseits während der 14-tägigen Mondnacht am Landeort das Sonnenlicht und damit die wichtigste Energiequelle fehlte und außerdem einige Ausrüstungsteile vor den niedrigen Temperaturen um -180 °C geschützt werden müssen.
Mittlerweile sei er bereits in der Umgebung des Landeorts unterwegs, um wissenschaftliche Daten zu sammeln.

Der Lander, Chang`e 3 nahm seine normalen Operationen erst heute, gegen 1.21 Uhr MEZ wieder auf. Während der Ruhephase waren bei beiden Geräten die Solarzellenpaneele zum Schutz des Innenraums zugeklappt und nuklearthermische sowie elektrische Heizapparaturen übernahmen die Erwärmung besonders sensibler Teile.

„Während der Mondnacht waren Lander und Rover ausgeschaltet, ebenso wie die Kommunikation mit der Erde“, sagte Zhou Jianliang, Chefentwickler am Pekinger BACC. „Wenn die Nacht endet, werden sie erneut elektrische Energie aus Sonnenlicht umwandeln sowie ihre nach einem vorgegebenen Programm vorgesehenen Operationen und die Kommunikation aufnehmen.“

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Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: Institute of High Energy Physics/Chinese Academy of Sciences.

Am 14. Dezember 2013 landete die chinesische Raumsonde Chang`e 3 im nördlichen Bereich des Mare Imbrium auf dem Mond. Noch am selben Tag rollte der von der Sonde mitgeführte, rund 120 Kilogramm schwere Rover Yutu (zu deutsch „Jadehase“) über eine Rampe auf die Mondoberfläche (Raumfahrer.net berichtete). Nach der Aktivierung der wissenschaftlichen Instrumente liefert der Rover seitdem Daten von der Mondoberfläche.

Bei einem der dabei zum Einsatz kommenden Instrumenten handelt es sich um ein Röntgen-Spektrometer, das so genannte „Active Particle-induced X-ray Spectrometer“ (kurz „APXS“), mit dessen Hilfe die prozentuale chemische Zusammensetzung von Gesteinen und Mond-Regolith ermittelt werden soll. Das APXS macht sich dabei das Prinzip der Röntgenfluoresenzspektroskopie und der Partikel-induzierten Röntgenemission (PIXE) zunutze.

Das Instrument besteht aus einer im Inneren des Rovers befindlichen Elektronik-Einheit und einem an einen Instrumentenarm montierten Sensorkopf, welcher eine Isotopenquelle beherbergt. Im Vorfeld einer durchzuführenden Messung wird dieser Sensorkopf unmittelbar über den zu untersuchenden Bereich der Mondoberfläche dirigiert. Die Isotopenquelle sendet anschließend aus einer Entfernung von wenigen Zentimetern zur Oberfläche eine Alphastrahlung aus.

Sobald die Partikel dieser Stahlung in der zu untersuchenden Bodenformation auf andere Atomkerne treffen, wird die Alphastrahlung dabei abhängig von der Atommasse der getroffenen Atome auf eine charakteristische Art und Weise reflektiert und gestreut. Die reflektierte Strahlung wird anschließend von einem im Inneren des Kopfstückes befindlichen Detektor aufgefangen und vermessen. Durch die Ermittlung des Winkels der erfolgten Ablenkung und der dabei auftretenden Energie ergeben sich genaue Daten über die Masse der für die Ablenkung verantwortlichen Atomkerne, woraus sich wiederum auch die dafür verantwortlichen chemischen Elemente bestimmen lassen.

Erstmals aktiviert wurde das APXS von Yutu bereits am 23. Dezember. Im Rahmen dieser Arbeiten wurde allerdings lediglich die Funktionalität des Instruments an einer mitgeführten Kalibrierungsprobe überprüft. Zwei Tage später und somit unmittelbar vor dem Beginn einer durch die 14 Tage andauernden „Mondnacht“ bedingten Ruhephase (Raumfahrer.net berichtete) führte das Instrument schließlich die erste direkte Messung auf der Mondoberfläche durch. Erste Auswertungen der dabei gewonnenen Spektren des APXS zeigen, dass sich die dabei untersuchte Probe in erster Linie aus den acht hauptsächlich gesteinsbildenden chemischen Elementen Magnesium, Aluminium, Silicium, Kalium, Calcium, Titan, Chrom und Eisen zusammensetzt. Des weiteren konnten bei dieser Messung Strontium, Yttrium und Zirkonium nachgewiesen werden.

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Der Beitrag Mondrover Yutu liefert erste wissenschaftliche Daten erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: JPL.

Am 14. Dezember 2013 landete die chinesische Raumsonde Chang`e 3 im nördlichen Bereich des Mare Imbrium auf dem Mond (Raumfahrer.net berichtete). An diesem Tag waren auch die Instrumente des von der US-amerikanischen Weltraumbehörde NASA betriebenen Mondorbiters LADEE auf den Mond ausgerichtet. Durch vergleichende Messungen unmittelbar vor und nach der Landung von Chang`e 3 versuchten die an der LADEE-Mission beteiligten Wissenschaftler Mondstaub zu detektieren, der durch den Landevorgang in die Höhe befördert wurde und der somit zu einer zeitweilig veränderten Zusammensetzung des extrem dünnen Mondatmosphäre führte. Allerdings waren diese Bemühungen leider erfolglos (Raumfahrer.net berichtete).

Ein zweiter Mondorbiter, der ebenfalls von der NASA betriebene und mit einer hochauflösenden Kamera zur Abbildung der Mondoberfläche ausgestattete Lunar Reconnaissance Orbiter (kurz „LRO„) konnte die Landung an diesem Tag dagegen nicht direkt verfolgen, da sich das Landegebiet der chinesischen Mondsonde zu diesem Zeitpunkt außerhalb des Sichtfeldes des LRO befand. Zehn Tage später, am 24. Dezember 2013, gestaltete sich die Situation dagegen anders. Innerhalb von 36 Stunden – dies entspricht 19 LRO-Umläufen um den Mond – konnte die LROC-Kamera insgesamt sechs Aufnahmen von der Landezone anfertigen.

Das am höchsten aufgelöste Foto konnte dabei am 25. Dezember um 04:52:49 MEZ angefertigt werden. Zu diesem Zeitpunkt befand sich der LRO fast genau senkrecht über Chang`e 3. Aus einer Überflughöhe von etwa 150 Kilometern erreichte die Narrow Angle Camera ( kurz „NAC“) eine Auflösung von rund 150 Zentimetern pro Pixel und konnte damit sowohl die eigentliche Mondsonde als auch den ebenfalls zur Mondoberfläche transportierten Rover Yutu abbilden.

Der Rover Yutu (zu deutsch „Jadehase“) verfügt über eine Länge von ebenfalls etwa 150 Zentimetern. Die erfolgreiche Abbildung des Rovers hat zwei Gründe. Zum einen befinden sich an den Seiten von Yutu zwei Solarpaneele, welche das Licht der Sonne sehr effizient reflektieren. Zum anderen führte der niedrige Stand der Sonne über dem Horizont zu einem relativ langen Schattenwurf. Aus diesen Gründen nimmt Yutu in den aktuellen Aufnahmen eine Fläche von etwa zwei Pixeln ein.

Durch den Vergleich mit einer vorher angefertigten Aufnahme der gleichen Region konnten die Koordinaten der Landestelle punktgenau festgelegt werden. Chang`e 3 befindet sich demzufolge bei 44,1214 Grad nördlicher Breite und 340,4884 östlicher Länge. Dieser Bereich der Mondoberfläche befindet sich 2.640 Meter unterhalb der durchschnittlichen Höhe der Mondoberfläche. Etwa 60 Meter weiter westlich befindet sich ein etwa 450 Meter durchmessender, rund 40 Meter tiefer und bisher unbenannter Impaktkrater.

Die hier befindliche Oberfläche des Mondes wird von vulkanischen Ablagerungen dominiert. Vorherige spektroskopische Analysen dieser Region führten zu dem Schluss, dass das Gelände, in dem sich Chang`e 3befindet, über ein Alter von etwa drei Milliarden Jahren verfügt. Etwa zehn Kilometer weiter nördlich befindet sich eine Region, deren Alter auf etwa 3,5 Milliarden Jahre geschätzt wird.
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Ein Beitrag von Günther Glatzel. Quelle: CNSA, CCTV, Raumcon.

In der langen Nacht wird es auf der Mondoberfläche sehr kalt, die Temperaturen fallen bis auf etwa -180°C. Damit die Technik an Bord der Mondsonden am nächsten Mondtag weiter funktionieren kann, wird sie nun mit speziellen Maßnahmen geschützt. Dazu gehört das Zuklappen der Corpora mit den jeweiligen Solarzellenpaneelen. Außerdem gibt es im Inneren Wärmequellen, deren Funktion auf dem spontanen Zerfall radioaktiover Isotope beruht. Die Wärme wird über spezielle Leitungen zu den Geräten transportiert, die diese benötigen. Weitere Wärme entsteht durch die Funktion einiger Geräte, die ihre Energie von den Batterien beziehen.
An den vergangenen Tagen hat man die Systeme und wissenschaftlichen Geräte an Bord beider Sonden aktiviert, überprüft und gegebenenfalls kalibriert. Dazu gehörten auch das Bodenradar, die Mikroskopkamera und das Spektrometer an Bord des Fahrzeugs Yutu. Außerdem wurden Bewegungen des Instrumentenarmes programmiert, gefilmt und die Videos anschließend zur Erde übertragen. Da Kameras und Sendeantenne am selben Mast befestigt sind, konnte man die Videos nicht direkt zur Erde übertragen.

Auch die jetzige Zwangspause unterscheidet eine Mondmission von einer ähnlichen zum Nachbarplaneten Mars. Auf dem Mond dauert ein „Tag“ gut 27 Erdtage. Der Mars hingegen hat eine ähnliche Rotationsdauer wie die Erde, ein Marstag ist nur knapp 40 Minuten länger als ein Tag auf der Erde. Zudem sorgt die dünne Atmosphäre auf dem Roten Planeten dafür, dass die niedrigste Temperatur trotz des größeren Sonnenabstandes höher liegt als auf dem Mond.

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