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Mainzer Spektrometer liefern starke Argumente für eine wasserreiche Vergangenheit des Planeten Mars

09.03.2004


Abb. 1 (oben): Der Rover "Opportunity" untersucht helle Steine in der Ebene Meridiani. Die runde Vertiefung zeigt den Stein "McKittrick" nach der mechanischen Bearbeitung mit dem Gesteinsschleifer. Auf dem Instrumentenarm ist deutlich der zylindrische Messkopf des APXS zu erkennen.

Abb. 2 (unten): Das Landegebiet des Marsrovers "Opportunity" in der Marsebene Meridiani Planum. Die in diesem Gebiet liegenden

Bilder: NASA/JPL Cornell


Abb. 3: Diese Abbildung zeigt zum Vergleich die Überlagerung der Röntgenspektren der Bodenprobe "Tarmac" (blau) und des Steines "McKittrick, angeschliffen" (rot) an der Landestelle von "Opportunity". Der Schwefelgehalt im Stein ist mehr als viermal so hoch wie im Boden (Sand und Staub). Brom erscheint im Verhältnis zu Chlor um das nahezu zwanzigfache angereichert, wenn man es mit dem Verhältnis im Boden, oder in den bekannten Marsmeteoriten vergleicht. Gemessen wurden die Spektren mit dem Alpha-Röntgen-Spektrometer des Mainzer Max-Planck-Instituts für Chemie.

Bild: Max-Planck-Institut für Chemie


Das Alpha-Röntgen-Spektrometer (APXS) des Mainzer Max-Planck-Instituts für Chemie hat schwefelreiche Gesteinsablagerungen mit einer hohen Anreicherung von Brom gefunden


Detaillierte Beobachtungen des Marsrovers "Opportunity" zeugen von einer wasserreichen Vergangenheit unseres Nachbarplaneten Mars. Entscheidende Argumente dafür haben die beiden "Mainzer" Instrumente an Bord geliefert: Das Alpha-Röntgen-Spektrometer" (APXS) des Max-Planck-Instituts für Chemie, das die chemische Zusammensetzung der Gesteine und Böden misst, sowie das Mößbauer-Spektrometer der Universität Mainz, mit dem die Mineralogie eisenhaltiger Verbindungen untersucht wird.

Mit dem Alpha-Röntgen-Spektrometer an Bord von "Opportunity" haben die Forscher bisher an vier verschiedenen Orten gemessen: Zuerst am Tag 11 nach der Landung an einer Stelle am Boden neben der Landeplattform, genannt "Tarmac"; am Tag 15 an einem steinförmigen Gebilde namens "Robert-E", bei dem zum ersten Mal ein ungewöhnlich hoher Schwefelgehalt auffiel. An den Tagen 23 bis 26 wurden Messungen an einer anderen Stelle des Marsbodens namens "Hematite Slope" durchgeführt, einmal an der Oberfläche, und dann am Grund sowie an der "Wand" eines etwa 8 Zentimeter tiefen Grabens, der mit Hilfe der Roverräder ausgehoben worden war. Die Tage 29 bis 36 waren einer Messkampagne an einem Steingebilde mit der Bezeichnung "El Capitan" gewidmet. An diesem Gebilde wurden an zwei Stellen Messungen vor und nach dem Einsatz des Schleifwerkzeuges ("RAT = Rock Abrasion Tool") durchgeführt, und zwar an den Stellen mit der Bezeichnung "McKittrick" und "Guadalupe" (s. Abb. 2).


An den beiden zuletzt genannten Messstellen fand man die höchsten Konzentrationen von Schwefel, die je auf dem Mars gemessen wurden: 7.7 Gewichtsprozente Schwefel im Inneren von "McKittrick" und in "Guadalupe" sogar 9.1 Gewichtsprozente. Diese Schwefelkonzentrationen lassen sich nur durch einen ungewöhnlich hohen Sulfatanteil der Gesteine erklären. Wissenschaftler der Mainzer Johannes-Gutenberg Universität konnten mit ihrem Mößbauer-Spektrometer auch direkt das Vorkommen kleinerer Mengen von Jarosit, einem hydratisierten Kalium-Eisensulfat, nachweisen. Die gemessenen Mengen dieses Sulfates reichen aber nicht aus, um den hohen Schwefelgehalt der Gesteine zu erklären. Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Chemie halten Kieserit, ein Magnesium-Sulfat, das zum Beispiel in den Salzablagerungen des Zechsteins in Deutschland auftritt, neben anderen Sulfaten für den wahrscheinlichen Hauptträger des Schwefels.

Noch überraschender ist der Fund von Brom und seine Anreicherung im Verhältnis zu Chlor: In den Bodenproben an der Oberfläche liegt der Bromgehalt unter der Nachweisgrenze von etwa 20 ppm (1 ppm bedeutet ein Teil pro Million), was einem Wert für das Verhältnis von Chlor zu Brom von mehr als 260 entspricht und mit Befunden an Marsmeteoriten vergleichbar ist. Dort hat das Verhältnis Chlor/Brom einen Wert um 270, ähnlich dem Wert von 260 für C1-Meteorite, jene Kategorie von Meteoriten, die seit ihrer Entstehung die geringsten Veränderungen in ihrer chemischen Zusammensetzung erfahren haben. Sie bestehen aus "Sonnenasche" und enthalten alle nichtflüchtigen Elemente in etwa den gleichen Verhältnissen, wie die Sonne selbst. Hingegen ergaben Messungen in einem mit den Roverrädern ausgehobenen Graben Werte von 130 bis 150 ppm Brom (Cl/Br ~ 38) An der Stelle "McKittrick" fanden sich nach dem Schleifen sogar 370 ppm Brom (Cl/Br ~ 14). An der Stelle "Guadalupe" lag der Wert nach dem Schleifen allerdings - ebenso wie vorher bei "Robert-E" - wieder unter der Nachweisgrenze (Cl/Br > 220, bzw. > 350).

Noch ist nicht klar, was diese Befunde im Detail bedeuten, doch eines steht für die Mainzer Max-Planck-Forscher bereits fest: "Da war Wasser im Spiel, und zwar viel und lange Zeit. Womit die erste Frage, die diese Mission ergründen sollte, beantwortet wäre: Ja, es muss früher einmal auf dem Mars Wasser gegeben haben, das lange genug Zeit hatte, diese Gesteinsformationen zu bilden. Möglicherweise steht "Opportunity" auf den Überresten eines eingetrockneten Salzsees," sagt Jutta Zipfel, eine der Mainzer Marsexpertinnen. "Es wäre aber auch denkbar, dass die Gesteine von sauren, schwefelreichen hydrothermalen Lösungen umgewandelt wurden." Weitere Untersuchungen der Gesteinsablagerungen in Meridiani Planum sollen helfen, diese Umstände zu erhellen.

Die Frage, ob sich auf dem Mars auch Leben entwickelt hat, ist damit allerdings noch nicht beantwortet: Die Anwesenheit von Wasser ist zwar notwendig, aber keineswegs hinreichend, damit Leben, wie wir es auf der Erde kennen, entstehen kann.

Die auf der NASA-Mission "MER" (MER = Mars Exploration Rovers) eingesetzten Alpha-Röntgen-Spektrometer wurden am Max-Planck-Institut für Chemie, Mainz; unter Mitwirkung des Instituts für Anorganische und Analytische Chemie der Universität Mainz entwickelt und gebaut. Sie sind eine Weiterentwicklung jener Instrumente, die bereits auf der russischen Mission "Mars-96" (beim Start gescheitert) und der erfolgreichen NASA-Mission "Pathfinder" zum Einsatz kamen, für die NASA-Mission "APEX" (storniert) geplant waren und jetzt mit der ESA-Mission "Rosetta" zum Kometen Churyumov-Gerasimenko unterwegs sind.

Das Instrument zeichnet sich durch hohe Empfindlichkeit und Selektivität für alle wesentlichen gesteinsbildenden Elemente aus. Das wird dadurch erreicht, dass zur Anregung eine radioaktive Quelle aus Curium-244 und zur Registrierung ein neuartiger Röntgendetektor mit hoher Auflösung bei nur moderater Kühlung eingesetzt wird. Die Strahlungsquelle wurde am Russischen Zentralinstitut für Atomreaktoren in Dimitrovgrad speziell für dieses Instrument entwickelt. Sie emittiert sowohl Alphateilchen als auch Röntgenstrahlung, weshalb das Messverfahren auch als eine Kombination von PIXE (Induzierte Röntgenemission mit hochenergetischen Protonen) und XRF (Röntgenfluoreszenzanalyse) betrachtet werden kann. Der Detektor ist eine deutsche Entwicklung und stammt von der Münchener Firma Ketek. Dr. Rudolf Rieder leitete Entwicklung und Bau der Instrumente und ist Projektleiter des APXS-Experiments auf der NASA Mission "MER".


Das Projekt wurde maßgeblich durch die Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V. und teilweise durch das Deutsche Zentrums für Luft- und Raumfahrt (Förderkennzeichen: 50 QM 0014) gefördert.

Weitere Informationen erhalten Sie von:

Prof. Dr. Heinrich Wänke
Max-Planck-Institut für Chemie, Mainz
Tel.: Tel.: 06131 305-231
E-Mail: waenke@mpch-mainz.mpg.de


Gerlind Dreibus-Kapp
Max-Planck-Institut für Chemie, Mainz
Tel.: 06131 305-395 oder 232
E-Mail: dreibus@mpch-mainz.mpg.de

Dr. Andreas Trepte | Max-Planck-Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://ak-guetlich.chemie.uni-mainz.de/klingelhoefer/index.html
http://www.mpch-mainz.mpg.de/mer-apxs

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