William Aspdin war kein einfacher Zeitgenosse: Der Baustoff-Unternehmer im England des 19. Jahrhunderts trieb schon mal Geschäftspartner in den Ruin oder entwendete Straßenbelag als Rohstoff für seine Fabrik. Und doch ebnete Aspdin den Weg in die Moderne: Er entwickelte im Jahr 1843 den Portland-Zement, der bis heute das wichtigste Bindemittel für Beton ist. Aspdins Erfindung machte das moderne Bauen erst möglich – mit allen damit verbundenen Glanz- und Schattenseiten.

In dieser Folge erzählt Karl vom beliebtesten Baustoff der Menschheit und seinen Folgen: Derzeit baut der Mensch so viele Häuser, Brücken und Dämme wie nie zuvor, mit steigender Tendenz und wachsenden globalen Problemen. Sand und Kies werden knapp, wichtige Rohstoffe für den Beton. Und die Zementindustrie ist für rund jede zehnte Tonne CO₂ verantwortlich, die der Mensch in die Atmosphäre ausstößt. Architekten, Bauingenieure und Chemiker tüfteln an Lösungen. Sie wollen einen Zement, der das Klima schont. Andere wollen den Beton sparsamer einsetzen oder fordern, den Schutt abgerissener Gebäude häufiger zu recyceln. Und dann wäre da noch die Idee, einen betonartiges Gestein auch für eine Basis auf dem Mond herzustellen.

Im AstroGeo Podcast erzählen sich die Wissenschaftsjournalisten Franziska Konitzer und Karl Urban alle zwei Wochen eine Geschichte, die ihnen entweder die Steine unseres kosmischen Vorgartens eingeflüstert – oder die sie in den Tiefen und Untiefen des Universums aufgestöbert haben. Der Podcast ist auch auf iTunes oder Spotify zu finden.

Frühere Ausgaben des AstroGeo Podcast gibt es auf astrogeo.de. AstroGeo ist der Podcast von Die Weltraumreporter, einem Magazin der Riffreporter eG. Er ist frei verfügbar und entsteht durch die finanzielle Unterstützung seiner Hörerinnen und Hörer. Das geht mit einem monatlichen Abonnement die Weltraumreporter für 3,49 Euro pro Monat oder einer Spende. Diese und jede andere Form der finanziellen Unterstützung hilft dabei, dass der Podcast weiter werbefrei bleibt.

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Quelle: GFZ.

13. April 2022 – TEM-Experte Vladimir Roddatis aus der GFZ-Sektion 3.5 Grenzflächen-Geochemie ist Co-Autor einer kürzlich im Fachmagazin Nature Astronomy erschienenen Studie. Sie untersucht die chemischen Verwitterungsprozesse eines zu Chondriten analogen Minerals in ammoniakreichen wässrigen Lösungen, um Bedingungen zu simulieren, die auf eisigen Himmelskörpern wie den mittelgroßen Monden von Saturn und Uranus oder transneptunischen Objekten herrschen könnten.

Bislang war unklar, dass und wie solche Prozesse auf eisigen Monden ablaufen können, die aus einer Mischung aus gefrorenem Wasser und Gestein bestehen. Neue Einsichten hierzu lieferte nun ein Team unter Leitung des ISTerre (CNRS, Université Grenoble Alpes) mit Beteiligung des LEPMI (CNRS, Université Grenoble Alpes, Grenoble INP), LPG (CNRS, Nantes Université, Université d’Angers, Le Mans Université) und des GFZ (Deutsches GeoForschungsZentrum Potsdam).

Chemische Verwitterung auch unterhalb des Gefrierpunkts von Wasser möglich
Anhand von Langzeit-Laborexperimenten an Olivin-Kristallen wiesen die Wissenschaftler*innen nach, dass eine kontinuierliche chemische Verwitterung auch bei Temperaturen von unter Null Grad Celsius stattfinden kann. Entscheidend hierfür ist ihrer Studie zufolge die Existenz eines dünnen Films aus flüssigem Wasser, der die im Eis eingeschlossenen Gesteinskörper umhüllt. Er ist mit chemischen Substanzen gesättigt, die ihn vor dem Einfrieren schützen.

Die Forschenden haben in chemischen Reaktoren die relevanten Bedingungen auf eisigen Himmelskörpern nachgestellt und so die Wechselwirkung von Mineralen mit Eis und ammoniakreichen Lösungen bei Temperaturen zwischen -20 und +22°C untersucht, über einen Zeitraum von über 440 Tagen. Hierfür nutzten sie das magnesium- und eisenhaltige Silikatmineral Olivin, das wesentlicher Bestandteil vieler Himmelskörper und auch von Erdkruste und oberem Erdmantel ist, und maßen, wie viel Magnesium und Silizium sich aus den Olivin-Kristallen in die umgebende Flüssigkeit gelöst hatte.

Hochaufgelöste TEM-Messungen liefern entscheidende Einsichten in die Auflösungsprozesse an Gesteinsoberflächen auf atomarer Skala
„Einen entscheidenden Beitrag zum Verständnis der Verwitterungsprozesse an der Oberfläche der Olivin-Körnchen leisteten die Untersuchungen mit modernsten Methoden der analytischen Transmissionselektronenmikroskopie am GFZ, die die strukturellen und chemischen Eigenschaften der Mineralien und ihrer Umgebung in atomar genauer Skala abbilden kann“, sagt Roland Hellmann von der ISTerre in Grenoble und einer der Hauptautoren der Studie.

Die Messungen zeigen, dass die Olivin-Kristalle nach mehr als einem Jahr Reaktion bei -20 Grad Celsius an ihrer Oberfläche nur eine sehr dünne amorphe, also ungeordnete, nicht mehr kristalline Übergangsphase entwickelt hatten – Nachweis eines wässrigen Veränderungsprozesses. Gleichzeitig wurden mit Hilfe der Raman-Spektroskopie flüssiges Wasser, Ammoniak und Karbonat-Ionen in der Dünnschicht an den Kristalloberflächen nachgewiesen. Das bestätigt die Anreicherung von Frostschutzmitteln in der wässrigen Dünnschicht, welche eine Olivin-Verwitterung bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt ermöglichen.

TEM-Experte Vladimir Roddatis vom GFZ betont: „Nur das neue Thermo Fisher Scientific Themis Z Transmissionselektronenmikroskop, das mit seinem Auflösungsvermögen im Sub-Ångström-Bereich auch einzelne Atome abbilden kann, und die damit verbundene extrem präzise Präparation der Proben durch fokussiertes Ionenstrahlfräsen haben diese Ergebnisse ermöglicht.“

„Die Ergebnisse sind sowohl überraschend als auch von großer Tragweite, da viele Modelle der planetaren Verwitterung davon ausgehen, dass höhere Temperaturen als die der Eisschmelze, also mehr als Null Grad Celsius erreicht werden müssen“, sagt Roland Hellmann. Auch viele andere Eiskörper im äußeren Sonnensystem könnten flüssiges Wasser aufweisen und damit potenziell günstige Bedingungen für solche Verwitterungsreaktionen, von denen nun klar ist, dass sie ein geologisch schneller Prozess sind.

Über das Messgerät
Das Themis Z 3.1-Transmissionselektronenmikroskop ist Teil der PISA-(Potsdam Imaging and Spectral Analysis)-Einrichtung, die zur Sektion 3.5 Grenzflächen-Geochemie gehört. Dieses Mikroskop wurde aus Mitteln des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung und des Landes Brandenburg finanziert. Die PISA-Anlage vereint verschiedene hochmoderne Bildgebungs- und Spektralanalysegeräte und Probenvorbereitungseinrichtungen, die für eine Vielzahl von Anwendungen in der Geo-, Material- und Bioforschung genutzt werden.

Originalpublikation:
Zandanel, A., Hellmann, R., Truche, L. et al. Geologically rapid aqueous mineral alteration at subfreezing temperatures in icy worlds. Nat Astron (2022).

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• Wasser im Sonnensystem

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Quelle. DLR.

22. Juli 2021 – Die Oberfläche unseres Nachbarplaneten Mars ist durch die Erkundung mit Raumsonden in der Umlaufbahn in fast allen Details bekannt. Wie der Planet jedoch in seinem Inneren aufgebaut ist, konnte bisher nur indirekt abgeleitet oder durch Rechenmodelle simuliert werden. Von der NASA-Mission InSight aufgezeichnete und unter Beteiligung des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) ausgewertete Bebenwellen liefern nun neue Erkenntnisse: Der Kern des Roten Planeten ist größer als bisher angenommen, und der darüberliegende Mantel hat eine Struktur, die dem oberen Mantel der Erde ähnelt. Schließlich ist die Kruste, die äußerste Gesteinsschicht des Planeten, weniger dick als bislang vermutet.

Das unter französischer Leitung entwickelte Mars-Seismometer SEIS sammelte in mehr als zwei Jahren die Daten dieses geologischen Puzzlespiels. Die Ergebnisse sind heute im Fachmagazin Science erschienen.

Dr. Martin Knapmeyer, der als Geophysiker am DLR-Institut für Planetenforschung in Berlin an der Auswertung beteiligt war, freut sich über den Durchbruch: „Modelle für den Aufbau des Mars gibt es seit bald hundert Jahren, aber hinsichtlich der Abmessungen von Kruste und Kern hat es seit Jahrzehnten kaum Fortschritte gegeben. Nur die Seismologie kann diese Größen direkt messen. Vorher mussten sie aus anderen Beobachtungen geschätzt werden.“

„Der Kern des Mars hat nach unseren Messungen einen Durchmesser von fast 3.700 Kilometern“, erläutert Dr. Ana-Catalina Plesa, ebenfalls vom DLR-Institut für Planetenforschung. „Das ist etwa die Hälfte des Kern-Durchmessers der Erde und liegt eher am oberen Ende des Größenbereichs, den alle vorherigen Abschätzungen ergeben hatten“, erklärt die Wissenschaftlerin, die an zwei der drei Studien mitgearbeitet hat. Der Durchmesser des Mars beträgt mit 6.770 km etwa die Hälfte des Durchmessers der Erde.

„Ein größerer Kern bedeutet auch, dass seine Dichte geringer sein muss, als wir angenommen hatten“, erläutert Plesa weiter. „Die geringere Dichte zeigt, dass der Eisen-Nickel-Schmelze ein größerer Anteil von leichteren Elementen wie Schwefel, Kohlenstoff, Sauerstoff oder vielleicht sogar Wasserstoff beigemengt ist.“ Die neu bestimmte Dichte des Kerns geben die Forschenden mit etwa sechs Gramm pro Kubikzentimeter an. Die Dichte des Erdkerns ist mit 9 bis 13 Gramm pro Kubikzentimeter deutlich höher. Außerdem zeigt die Analyse der Seismogramme, dass der Marskern zumindest in seiner äußeren Zone geschmolzen sein muss. Die von Dr. Simon Stähler von der ETH Zürich geleitete Untersuchung des Kerns bestätigt damit frühere Messungen aus der Satellitengeodäsie, die aber die Kerngröße nicht genau bestimmen konnten.

Der Mars ist wie die Erde ein Planet mit Schalenaufbau

Von der Erde weiß man, dass sie aus Schalen aufgebaut ist: Auf eine dünne Kruste aus leichtem, spröden Gestein folgen der dicke Erdmantel aus schwerem, plastisch verformbaren Gestein, dessen Umwälzbewegungen die Kontinentalplatten über die Erdkugel bewegen. Darunter befindet sich der Erdkern, der größtenteils aus Eisen und Nickel besteht. Für die anderen erdähnlichen Körper des inneren Sonnensystems wie Mond, Merkur, Venus und eben auch den Mars wird ein ähnlicher Aufbau angenommen.

Eines der wissenschaftlichen Hauptziele der NASA-Mission InSight ist es, den Schalenaufbau des Planeten zu untersuchen. InSight ist eine geophysikalische Station, die seit November 2018 in der Region Elysium Planitia nahe dem Marsäquator steht. Durch die seismischen Daten von InSight können nun die absoluten Dicken der einzelnen Schichten quantifiziert und die möglichen chemischen Zusammensetzungen eingeschränkt werden.

Krustendicke geringer als angenommen

„Auch für die Kruste des Mars und den Mantel darunter zwischen Kruste und Kern gibt es interessante neue Erkenntnisse“, betont Dr. Brigitte Knapmeyer-Endrun von der Erdbebenstation Bensberg der Universität Köln, Erstautorin der Science-Studie zur Krustendicke des Mars, an der auch Plesa und Knapmeyer beteiligt sind. Noch 2018 war für den Landeplatz der InSight-Mission eine Krustendicke irgendwo zwischen 19 und 90 Kilometer vorhergesagt worden. Knapmeyer-Endrun kann dies nun einschränken: „Die Daten lassen nur noch zwei Möglichkeiten zu: Entweder beträgt die Krustendicke am Landeplatz von InSight rund 20 Kilometer, oder aber sie liegt bei knapp 40 Kilometer, wofür ein zusätzliches schwaches Signal spricht.“

Globale Karten des Schwerefeldes und der Topographie des Mars erlauben eine Extrapolation dieser Punktmessung an der InSight-Landestelle auf den gesamten Planeten. Dies zeigt, dass die durchschnittliche Dicke der Marskruste zwischen 24 und 72 Kilometer liegt.

„Die Marsforschung wartet seit Jahrzehnten auf einen ‚Ankerpunkt‘ zur Kalibration der globalen Karten“, ordnet Martin Knapmeyer die Bedeutung des Ergebnisses ein. Die große Spannweite zwischen minimalem und maximalem Wert für die Krustendicke hängt mit der Verteilung von radioaktiven Elementen im Innern des Planeten zusammen, welche durch ihren Zerfall Wärme erzeugen und damit letztlich die geologischen Prozesse antreiben. Eine dickere Kruste stimmt besser mit der Häufigkeit von radioaktiven Elementen überein, die an der Oberfläche beobachtet wurden, während bei einer dünneren Kruste eine größere Konzentration solcher Elemente in der Tiefe vorliegen muss. „Die Bestimmung der Krustendicke basierend auf den InSight-Daten hilft uns nicht nur zu verstehen, wie der Mars heute aussieht, sondern liefert uns wichtige Informationen über seine thermische Entwicklung“, sagt Ana-Catalina Plesa.

Mantel des Mars ’simplere Version des Erdmantels‘

Im Mantel der Erde herrscht ab etwa 700 Kilometer Tiefe der für die Bildung des Minerals Bridgmanit notwendige Druck. Bridgmanit ist ein silikatisches Magnesiumoxyd (MgSiO₃) aus der Mineralfamilie der Perowskite. Solche Perowskite machen vier Fünftel des Erdmantels aus und entstehen nur unter extrem hohem Druck. Die neuen Messungen zeigen nun, dass dieser Druck erst im Eisenkern des Mars erreicht wird, und damit der gesamte Mantel des Mars von dem Mineral Olivin ((Mg,Fe)₂SiO₄) dominiert sein dürfte, ähnlich dem oberen Erdmantel.

Marsbeben-Wellen zeigen Schichtgrenzen

Die neuen Resultate erzielten die InSight-Wissenschaftlerinnen und -Wissenschaftler durch die Analysen verschiedener seismischen Wellen, die bei Beben entstehen. Bei Marsbeben wird, wie bei Erdbeben, Energie in Form von Wellen freigesetzt, die aus historischen Gründen „P-“ und „S-„Wellen genannt werden. Die P-Wellen sind Druckwellen, so wie Schallwellen in der Luft. Bei S-Wellen erfolgt die Schwingung dagegen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung, wie bei einer Gitarrensaite. Da sich P-Wellen mit größerer Geschwindigkeit ausbreiten, kann man aus dem Zeitabstand zwischen der Ankunft der beiden die Entfernung des Bebenherds berechnen. Seismische Wellen durchqueren den Planeten und werden an verschiedenen Schichtgrenzen im Inneren reflektiert und gebeugt.

Das Seismometer der InSight-Mission hat seit Anfang 2019 mehr als 700 Marsbeben identifizieren können. Die direkt vom Herd zur Station laufenden P- und S-Wellen sind dabei augenfällig. Um die innere Struktur zu untersuchen, benötigen die Forschenden allerdings noch andere Signale: Da ein flüssiger Kern für S-Wellen undurchlässig ist, gibt es von der Grenze zum Kern besonders stark reflektierte Echos. Die Dicke der Kruste kann anhand eines Effektes ermittelt werden, der nur in festen Körpern auftritt: An der Grenze zwischen zwei Gesteinsarten, wie der zwischen Kruste und Mantel, kommt es zu einer teilweisen Umwandlung von P- in S-Wellen, so dass am Seismometer zwei Signale ankommen, die umso weiter auseinander liegen, je dicker die Kruste ist.

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• InSight auf Atlas V 401

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Quelle: Universität Bayreuth.

Pallasite sind Stein-Eisen-Meteoriten und bekannt für ihre ungewöhnlichen, optisch attraktiven Strukturen. Ihre Herkunft war jedoch bislang umstritten. Forschern am Bayerischen Geoinstitut (BGI) der Universität Bayreuth ist es jetzt durch Hochdruck-Experimente gelungen, die Entstehung aller bekannten Pallasit-Arten zu simulieren und in die Geschichte des Sonnensystems einzuordnen. Dabei haben sie mit Wissenschaftlern der Technischen Universität München und der Royal Holloway University of London eng zusammengearbeitet. In der Zeitschrift „Earth and Planetary Science Letters” werden die neuen Erkenntnisse vorgestellt​.

Wie die Forscher jetzt herausgefunden haben, stammen Pallasite aus Asteroidenkollisionen vor rund 4,5 Milliarden Jahren. Bei diesen Zusammenstößen hat sich Eisen aus dem jeweils kleineren Asteroiden mit dem olivinreichen Material im Mantel des größeren Asteroiden vermischt. Milliarden Jahre später wurden Teile dieser Materialmischung durch die Wucht eines weiteren Einschlags aus der Oberfläche des Asteroiden herausgesprengt und ins Weltall katapultiert. Einige davon sind schließlich auf der Erde eingeschlagen. Diese Entstehungsgeschichte erklärt die ungewöhnlichen Strukturen der Pallasite: Sie enthalten grün-braune Olivinkristalle, umgeben von Nickel und Eisen.

In der Forschung wird die räumliche Anordnung verschiedener Materialien in einem Gestein und die daraus resultierenden Strukturen als Textur bezeichnet. Die Pallasite, die bisher auf der Erde gefunden und untersucht wurden, weisen eine sehr große Vielfalt von Texturen auf. „Mit unseren Forschungsarbeiten konnten wir erstmals alle in Pallasiten beobachteten Texturen im Labor reproduzieren. Dies zeigt beispielhaft, dass uns diese Meteoriten aufschlussreiche und auch unerwartete Einblicke in die Frühgeschichte unseres Sonnensystems bieten können. Wir wollen daher unsere Strukturuntersuchungen und chemischen Untersuchungen von Pallasit-Meteoriten am BGI fortsetzen – nicht zuletzt in den geochemischen Laboratorien, die in Kürze am BGI neu entstehen“, sagt Prof. Dr. Audrey Bouvier, Professorin für experimentelle Planetologie an der Universität Bayreuth.

Die neuen Erkenntnisse sind aus Experimenten an zwei äußerst leistungsstarken Geräten hervorgegangen: der Hochdruck-Presse MAVO am Bayerischen Geoinstitut und der baugleichen Hochdruck-Presse SAPHiR. Diese wird zurzeit unter Mitwirkung von Prof. Dr. Hans Keppler vom BGI an der Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz der TU München aufgebaut.

„Mit diesen Instrumenten können wir die Prozesse, die zur Entstehung von Meteoriten, Asteroiden oder Planeten geführt haben, sehr realitätsnah simulieren. Um die Entstehung von Pallasiten durch Asteroidenkollisionen erklären zu können, haben wir die bei diesen Prozessen herrschenden Druck und Temperaturverhältnisse nachgeahmt: Eisen- und olivinhaltige Proben wurden von uns einem Druck von einem Gigapascal (GPa) bei 1.300 Grad Celsius ausgesetzt. Die Formveränderungen und inneren Spannungen, die wir dabei an den Proben beobachten konnten, haben wir dann mit den Texturen in den Pallasit-Meteoriten verglichen“, erklärt die Bayreuther Master-Studentin Danielle Silva Souza. Nach ihrem Bachelor-Abschluss in Geowissenschaften an der Bundesuniversität von Ouro Preto in Brasilien ist sie nach Bayreuth gekommen, um am BGI an experimentell ausgerichteten geowissenschaftlichen Projekten mitzuarbeiten. Hierzu zählen auch die geochemischen Untersuchungen an Pallasiten. „Das BGI bietet für diese Forschungsarbeiten exzellente Voraussetzungen“, sagt die Bayreuther Nachwuchs-Forscherin.

Veröffentlichung:
Nicolas P. Walte, Giulio F. D. Solferino, Gregor J. Golabek, Danielle Silva Souza, Audrey Bouvier: Two-stage formation of pallasites and the evolution of their parent bodies revealed by deformation experiments. Earth and Planetary Science Letters (2020), Vol. 546, 116419. DOI: 10.1016/j.epsl.2020.116419

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• Meteoriten & Co – Boten aus dem Weltall.

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