Quelle: TU Berlin 4. Juli 2024.

4. Juli 2024 – Bürgerwissenschaftler*innen können Mikrometeorite auf ihren Hausdächern sammeln und mit einiger Übung in einem Lichtmikroskop identifizieren. Die erfahrensten von ihnen haben nun zusammen mit einem Forscher*innen-Team von der TU Berlin und dem Museum für Naturkunde in Berlin sowie weiteren internationalen Wissenschaftler*innen die Entstehungsorte von zwei Mikrometeoriten im Sonnensystem mit hoher Wahrscheinlichkeit aufklären können. Beide befanden sich in Staub, der auf dem Dach des Eugene-Paul-Wigner-Physikgebäudes der TU Berlin eingesammelt wurde. Erstmalig zum Einsatz kam bei dieser Studie eine Computersimulation, die eine Vielzahl von möglichen Umlaufbahnen, Partikeleigenschaften und den Einfluss der kosmischen Strahlung auf die Mikrometeorite berücksichtigt. Die Daten aus dieser Computersimulation wurden dann mit Messungen der Mikrometeorite im Teilchenbeschleuniger VERA der Universität Wien verglichen, um ihren Ursprungsort zu ermitteln.

Scott Peterson ist Veteran der US-Army, studiert Chemietechnik in Minneapolis und kümmert sich gleichzeitig als Hausmann um seinen Sohn. Außerdem ist er einer der versiertesten Sammler von Mikrometeoriten weltweit. Diese Community wächst ständig, seit der norwegische Jazzmusiker und Bürgerwissenschaftler Jon Larsen 2015 zusammen mit dem Imperial College in London erstmalig nachweisen konnte, dass Mikrometeorite nicht nur in entlegenen Gegenden wie dem Grund der Ozeane oder dem Eis der Antarktis vorkommen, sondern auch auf unseren Hausdächern.

Bürgerwissenschaftler identifiziert Mikrometeorite
„Wir hatten Scott gebeten, einen Blick auf unsere Proben zu werfen, denn er hat einfach das beste Auge bei der Identifizierung von Mikrometeoriten unter dem Mikroskop“, erzählt Dr. Jenny Feige, die mit einem ERC-Starting-Grant des Europäischen Forschungsrates kosmischen Staub erforscht. Zunächst am Zentrum für Astronomie und Astrophysik (ZAA) der TU Berlin, heute am Museum für Naturkunde Berlin, wo auch weitere Projekte zu Mikrometeoriten zusammen mit Bürgerwissenschaftler*innen durchgeführt werden. Vor der Konsultation von Scott Peterson waren Forscher*innen der TU Berlin auf das Dach des dortigen Physikgebäudes mit der Teleskopkuppel gestiegen, hatten die Ablagerungen aus den Ecken zusammengefegt und eingesammelt. „Das ganze wird aufgeschwemmt in Wasser, um kleinste Blätter und ähnliches loszuwerden. Danach heizen wir das Sediment auf 600 Grad auf, um Mikroben und anderes organisches Material restlos zu zerstören. Anschließend wird das Material noch gesiebt, dann geht die Suche nach den Mikrometeoriten los“, sagt Feige.

Von Nasen und Schildkrötenpanzern
In der Probe befanden sich unzählige 100 bis 500 Mikrometer große Kügelchen, von denen die allermeisten im Sprachgebrauch der Forscher*innen eine „anthropogene Kontamination“ darstellten – sprich aus menschengemachten Quellen stammen wie Schweißarbeiten, Feuerwerk oder einfach Metallabrieb vom Straßenverkehr. In der allerletzten Teilprobe fand Scott Peterson dann tatsächlich zwei Mikrometeorite, die durch charakteristische Strukturen jeweils einer bestimmten Klasse zugeordnet werden konnten. Diese Strukturen entstehen, wenn kosmische Staubpartikel in die Erdatmosphäre rasen und durch die Reibung an den Luftteilchen abgebremst und stark erhitzt werden, bis sie schmelzen. Nachdem sie dabei durchschnittlich 90 Prozent ihrer Masse verloren haben, kristallisiert der Rest beim Abkühlen je nach Eintrittswinkel und Geschwindigkeit in der Atmosphäre, Beschaffenheit und Umgebungsbedingungen unterschiedlich aus.

So besitzt der eine Mikrometeorit durch bestimmte Kristallisationsprozesse ein Muster, das einem Schildkrötenpanzer ähnlich ist. Beim anderen hatten sich in der Phase des Aufschmelzens die Elemente Nickel und Eisen vom Rest getrennt und sind dann beim Abkühlen zu einem extra Kügelchen am Mikrometeorit erstarrt. „Aus dieser ‚Nase‘ kann man sogar schließen, wie er in die Atmosphäre eingedrungen ist, nämlich mit dem Kügelchen voran“, erzählt Feige.

Mikrometeorite können über die Bedingungen im Sonnensystems erzählen
„Es ist immer noch eine große Herausforderung für die Wissenschaft, etwas über den Entstehungsort der auf der Erde gefundenen Mikrometeorite herauszubekommen“, sagt Dr. Beate Patzer, theoretische Astrophysikerin am ZAA der TU Berlin. „Dies wäre aber sehr wünschenswert, denn Mikrometeorite können aus sehr unterschiedlichen Bereichen unseres Sonnensystems mit sehr verschiedenen Bedingungen stammen. Ungefähr 100 Tonnen überwiegend interplanetaren Staubes fängt die Erde pro Tag ein. Mikrometeorite sind damit wesentlich häufiger als größere Meteorite, wir könnten also aus ihnen viel mehr Daten generieren und eine Menge über unser Sonnensystem lernen.“

Flugzeit bis zur Erde
Eine Methode zur Bestimmung der Herkunft eines Mikrometeoriten ist die Analyse von langlebigen, radioaktiven Isotopen, die sich auf seinem Weg im Weltall durch Bestrahlung mit der im Kosmos allgegenwärtigen kosmischen Strahlung gebildet haben. „Anhand des Verhältnisses von unterschiedlichen Isotopen mit verschiedenen Halbwertszeiten und einem physikalischen Modell, das die Bildung dieser Isotope beschreibt, kann man auf die Flugzeit der extraterrestrischen Staubteilchen bis zur Erde schließen – und damit auf ihren Herkunftsort im Sonnensystem“, so Patzer.

Erstmals Computersimulation zur Analyse
„Erstmalig haben wir für diese Analyse eine aufwendige Computersimulation erstellt, die mögliche Umlaufbahnen der interplanetaren Staubteilchen, die Größe der Staubkörner, ihre Zusammensetzung und Dichte, Strahlungsprofile der Sonne und der kosmischen Strahlung aus dem interstellaren Raum, Verdampfungsraten während des Eintritts in die Erdatmosphäre und noch eine Vielzahl anderer Parameter berücksichtigt“, sagt Jenny Feige. Fokussiert haben sich die Forscher*innen dabei auf die radioaktiven Isotope Aluminium-26 und Beryllium-10.

Um die sehr geringen Mengen der Isotope in den winzigen Mikrometeoriten messen zu können, hat das Forschungsteam mit der Teilchenbeschleuniger-Anlage VERA in Wien zusammengearbeitet. Bei der dort durchgeführten „Beschleunigermassenspektrometrie“ werden die chemischen Elemente nicht nur nach ihrer Masse, sondern auch nach der Anzahl der Protonen im Kern sortiert – was erst eine eindeutige Identifizierung der Isotope ermöglicht.

Schildkröte vom Rand des Sonnensystems
Die Konzentrationen von Aluminium-26 und Berylllium-10 in den Mikrometeoriten wurden dann mit den Ergebnissen der Computersimulation verglichen, die die Anreicherung dieser Radioisotope in den Mikrometeoriten je nach Flugzeit und damit Herkunftsort im All vorhersagt. Dabei blieb der Ursprung von sechs an anderen Orten gesammelten Mikrometeoriten uneindeutig; sechs weitere Mikrometeorite konnten aber mit großer Wahrscheinlichkeit einem Ursprungsort zugeordnet werden, darunter die beiden auf dem Dach der TU Berlin gefundenen: Der Mikrometeorit mit dem Schildkrötenmuster entstammt dem äußeren Sonnensystem und könnte sich aus Kometen, die am Jupiter vorbeiziehen, oder Gesteinsmaterial im Kuipergürtel abgetrennt haben – in einer Entfernung so groß wie etwa 40-mal der Abstand Erde zu Sonne. Der Mikrometeorit mit der „Nase“ stammt dagegen aus dem inneren Sonnensystem, von erdnahen Objekten oder solchen bis hin zum Asteroidengürtel zwischen Mars und Jupiter.

„Mit diesem Ergebnis konnten wir die grundsätzliche Eignung unserer Methode zeigen“, sagt Jenny Feige. Sie werde es in Zukunft ermöglichen, noch mehr über den Kosmos mit Hilfe der Mikrometeoriten zu lernen. „Gerade die auf unseren Hausdächern sind dabei besonders wertvoll, denn hier kennen wir ihre Aufenthaltszeit auf der Erde sehr präzise: Sie kann nicht älter als das Dach selbst sein. Bei Funden aus der Tiefsee oder der Antarktis dagegen könnten die Mikrometeoriten auch schon Millionen Jahre dort liegen, was die Ergebnisse unsicherer macht.“

Publikation:
Transport of dust across the Solar System: Constraints on the spatial origin of individual micrometeorites from cosmic-ray exposure
doi.org/10.1098/rsta.2023.0197
https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rsta.2023.0197
pdf: https://royalsocietypublishing.org/doi/pdf/10.1098/rsta.2023.0197?download=true

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Quelle: DLR 23. September 2022.

23. September 2022 – Die im letzten Jahr gestartete NASA-Raumsonde DART soll in der Nacht von Montag auf Dienstag erproben, ob es möglich ist, den Kurs eines Asteroiden zu verändern. DART wird dann das Asteroiden-Binärsystem Didymos-Dimorphos erreichen und gezielt auf dem 170 Meter großen Planetoiden Dimorphos einschlagen. Durch den dabei übertragenen „kinetischen Impuls“ soll die Bahn dieses Asteroiden um Didymos verändert werden. Es ist das erste Mal in der Geschichte der Raumfahrt, dass versucht wird, die Bahn eines Himmelskörpers durch einen menschengemachten Körper zu beeinflussen. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) ist an der Analyse des Impakts beteiligt. 2026 soll die ESA Mission Hera, an der Deutschland wesentlich über die Deutsche Raumfahrtagentur im DLR beteiligt ist, das Asteroidensystem und dessen Veränderung erkunden.

Die Erde wird von jeher durch Asteroiden bedroht. Zwar bewegen sich fast alle der ungefähr eine Million bekannten, über einhundert Meter großen Himmelskörper auf stabilen Bahnen zwischen Mars und Jupiter. Doch haben davon etwa dreißigtausend Asteroiden solche Bahnen, die sich mit der Umlaufbahn der Erde um die Sonne schneiden und diese Körper mit Planeten kollidieren können. Bei einer Kollision eines auch nur wenige hundert Meter großen Körpers mit der Erde würde es zu ganz erheblichen Schäden kommen. Mit Raumsonden könnte diese Gefahr abgewendet werden, indem der Kurs eines solchen erdbahnkreuzenden Asteroiden sehr frühzeitig so verändert wird, dass er an der Erde vorbeifliegt.

„Wir leben im Zeitalter der Raumfahrt. Dadurch haben wir die Möglichkeit, mit Raumsonden die Bahn eines Asteroiden, der auf die Erde zu stürzen droht, zu verändern“, sagt Dr. Jean-Baptiste Vincent vom DLR-Institut für Planetenforschung. Das DLR beobachtet und charakterisiert seit Jahrzehnten erdbahnkreuzende Asteroiden. „Zum einen versuchen wir, diese kleinen, aber manchmal eben auch gefährlichen Himmelskörper zu charakterisieren, ihre physikalischen Eigenschaften zu verstehen, und zum anderen daraus Schlüsse zu ziehen, wie wir sie abwehren könnten, sollten die Berechnungen ergeben, dass sie in der Zukunft mit der Erde zusammenstoßen“, erklärt Dr. Stephan Ulamec vom DLR-Nutzerzentrum für Weltraumexperimente (MUSC) in Köln.

Veränderung der Umlaufzeit um einige Minuten
Die beiden DLR-Wissenschaftler sind an der NASA-Mission DART („Double Asteroid Redirection Test“) beteiligt. DART ist ein würfelförmiger Satellit mit knapp zwei Metern Kantenlänge und einer Masse von 610 Kilogramm. Die Mission wurde am 24. November 2021 gestartet und auf einer ellipsenförmigen Bahn zu ihrem Ziel, dem Asteroidenpaar Didymos und Dimorphos gelenkt. Didymos, der größere der beiden Körper, hat einen unregelmäßigen Durchmesser von knapp 800 Metern, Dimorphos von etwa 170 Metern. Dimorphos umkreist Didymos – griechisch für Zwilling – in zwölf Stunden in einer Entfernung von 1.200 Metern. Die beiden Asteroiden umrunden zusammen in 25 Monaten die Sonne auf einem Orbit, der sich mit der Erdbahn kreuzt und sie zu potentiell gefährlichen „NEOs“ (Near-Earth Objects) macht. Im Jahre 2003 kamen die beiden Asteroiden der Erde bis auf sechs Millionen Kilometer nahe.

„Wir gehen davon aus, dass sich die Umlaufzeit von Dimorphos um Didymos durch den Impuls von DART um einige Minuten verändert“, prognostiziert DLR-Forscher Stephan Ulamec. „Allerdings wissen wir nicht, wie Dimorphos beschaffen ist“, ergänzt Jean-Baptiste Vincent. „Ist es ein kompakter Körper oder sind seine Bestandteile nur ganz lose zusammengefügt? Ist Dimorphos also eine Art Schutthaufen aus Gesteinsfragmenten, ein ‚Rubble Pile‘, wie wir in der Asteroidenforschung sagen?“ Die Aufgabe der beiden DLR-Wissenschaftler im DART-Team besteht in der Bestimmung der genauen Form des kleinen Asteroiden, seiner genauen Masse und der Analyse des Kraters und der Übertragung des Impulses und der Auswürfe, die beim Einschlag entstehen.

Die Raumsonde wird dabei natürlich vollständig zerstört, aber der Einschlag von DART auf Dimorphos wird von zwei bereits am 11. September erfolgreich ausgesetzten Kleinsatelliten beobachtet. Die beiden LICIACube-Würfel wurden von der Italienischen Weltraumorganisation ASI entwickelt, um nach dem Einschlag von DART im Vorbeiflug Beobachtungen des Asteroiden-Binärsystems Didymos machen zu können. Die Kleinsatelliten werden vor, während und nach dem Impakt direkt mit der Erde kommunizieren. Jeweils zwei Kameras (LUKE und LEIA) sollen den Einschlag bestätigen und Bilder der Auswurfswolke und möglicherweise eines Kraters festhalten. Drei Minuten nach dem Impakt von DART werden sie an Dimorphos vorbeigeflogen sein, sich drehen und noch Aufnahmen der Rückseite von Dimorphos machen, die DART natürlich nicht aus der Nähe zu sehen bekommt. LICIACube ist die erste rein italienische autonome Raumsonde im Weltraum. Auch die im vergangenen Jahr zu den „Trojaner“-Asteroiden auf der Jupiterbahn gestartete NASA-Mission Lucy wird den Einschlag aus 19 Millionen Kilometer Entfernung beobachten.

Können wir in Zukunft Asteroiden ablenken?
Der gezielte Zusammenstoß der DART-Raumsonde mit Dimorphos wird am 27. September 2022 um 1.14 Uhr MESZ in knapp über elf Millionen Kilometer Entfernung von der Erde geschehen, der kürzesten Entfernung, die das Doppelasteroidensystem in unserer Zeit mit der Erde haben kann (erst 2062 wird das Asteroidenpaar in einer ähnlich geringen Entfernung an der Erde vorbeikommen). Damit sind auch gute Beobachtungsmöglichkeiten für Teleskope auf der Nachtseite der Erde, insbesondere von Europa aus gegeben, die für begleitende Untersuchungen während und nach der Kollision genutzt werden. Auch in den Nächten nach dem Ereignis werden Teleskope Lichtkurven des Binärsystems aufzeichnen, um Daten zu der Bahnveränderung von Dimorphos in die Analyse einzubringen.

Beim Einschlag von DART auf Dimorphos werden fast 140 Millionen Kilojoule Energie umgesetzt. Die Forscher gehen davon aus, dass der Impakt einen Krater von wenigen Zehnermetern Durchmesser erzeugt und sich die Umlaufzeit des Asteroiden messbar, um wenige Minuten verändert. Das entspricht in etwa einer Geschwindigkeitsänderung von einem halben Millimeter pro Sekunde. „Wie effizient die Ablenkung eines Asteroiden durch den Zusammenstoß mit einer Raumsonde ist, wird entscheidend durch die physikalischen Eigenschaften des Körpers beeinflusst, also wie porös und fest das Gestein ist“, erläutert Prof. Dr. Kai Wünnemann vom Museum für Naturkunde Berlin, der mit seinem Team Computersimulationen des Einschlagprozesses erstellt, um möglichst präzise Vorhersagen zu treffen. Am Museum für Naturkunde Berlin werden verschiedene Szenarien der Beschaffenheit von Dimorphos durchgespielt und simuliert, um unter anderem die Kratergrößer zu prognostizieren.

Für die genaue Untersuchung des Einschlags und seiner Folgen wird im Oktober 2024 die mit der NASA abgestimmte Mission Hera der Europäischen Weltraumorganisation ESA gestartet, die maßgeblich in Deutschland entwickelt und gebaut wird. Die Deutsche Raumfahrtagentur im DLR mit Sitz in Bonn managt die deutschen ESA-Beiträge für Hera. Im Dezember 2026 wird Hera das Doppelasteroidensystem erreichen, also etwa vier Jahre nach dem Aufprall von DART. Heras detaillierte Untersuchungen werden dann das Wissen über die Möglichkeiten einer Asteroidenabwehr erheblich erweitern. DART und Hera sind Missionen des internationalen Forschungsprojekts AIDA (Asteroid Impact and Deflection Assessment).

Immer wieder Asteroidentreffer in der Erdgeschichte
Für die vor uns liegenden Jahrzehnte gibt es gegenwärtig keinen Anlass zur Sorge, dass ein Asteroid die Erde trifft. Doch dies geschah in der viereinhalb Milliarden Jahre langen Geschichte der Erde immer wieder. Spuren davon sind Krater, die beim Einschlag von Asteroiden zurückbleiben, wie das Nördlinger Ries in Süddeutschland oder der Barringer-Krater in Arizona. Der von Einschlagskratern übersäte Mond macht deutlich, dass Asteroidenkollisionen früher viel häufiger waren – auf der dynamisch sich ständig verändernden Erde sind fast alle Spuren von Einschlägen ausgelöscht. Das Aussterben der Dinosaurier ist vor 65 Millionen Jahren durch einen Asteroidentreffer ausgelöst worden.

Dass die Gefahr von Asteroidentreffern auf der Erde auch heute, wenn auch in viel geringerem Maße, real bleibt, wurde am 15. Februar 2013 deutlich. Damals trat ein unbekannter Asteroid in die Erdatmosphäre ein und explodierte über der russischen Stadt Tscheljabinsk. Die Schockwelle der komprimierten Luft der Erdatmosphäre verursachte erhebliche Schäden in der Stadt. Tausende von Fensterscheiben barsten, dabei wurden mehr als 1.600 Menschen verletzt. Der Gesamtschaden wurde auf 30 Millionen Euro geschätzt. Dabei war das Objekt in Tscheljabinsk nur etwa 18 Meter groß.

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• DART auf Falcon 9 (B1063.3) von Vandenberg

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