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Astronomie: Heiß und metallisch

Der Mars gehört nicht zum alten Eisen, aber er besteht teilweise daraus. Obwohl der Rote Planet und die Erde vermutlich aus dem gleichen Urmaterial entstanden sind, ist nur der Mars mit Rost überzogen. Alles eine Frage des Druckes und der richtigen Temperatur, meinen Wissenschaftler.
Wenn es um das Innere von Planeten geht, dann wird die Chemie mit einem Male wunderlich. Wo gewaltige Drücke und extrem hohe Temperaturen herrschen, verhalten sich die Elemente anders, als wir es aus dem Alltag gewohnt sind und in der Schule gelernt haben. Und so müssen Geowissenschaftler in größeren Maßstäben denken als viele ihrer Laborkollegen.

Was auch auf die Experimente zutrifft. Da zeigte sich doch vor vierzig Jahren bei seismischen Beobachtungen, dass der Erdkern offenbar nicht wie angenommen aus reinstem metallischen Eisen besteht. Rund zehn Prozent müssen aus leichteren Elementen wie beispielsweise Sauerstoff, Schwefel, Kohlenstoff oder Wasserstoff sein. Als vielversprechender Kandidat aus dieser Liste erwies sich der Sauerstoff. In den 1980er Jahren entstand die notwendige Technologie, um Versuche bei Drücken und Temperaturen durchzuführen, die den Bedingungen auf der ganz jungen Erde ähnelten. Und siehe da: Sauerstoff kann sich in einer derartigen Umgebung in metallischem Eisen lösen, ohne es zu Eisenoxid zu verwandeln – ähnlich dem Kohlendioxid in einer ungeöffneten Sprudelflasche. Wenn das auf der Erde funktioniert hat, sollte es doch auch auf anderen Planeten mit ähnlichen Startbedingungen geklappt haben. Nur: Warum ist der Mars dann an seiner Oberfläche rostrot und die Erde nicht?

David Rubie von der Universität Bayreuth und seine Mitarbeiter haben die Frage genauer unter die Lupe genommen. Mit einer hydraulischen Presse machten sie einer Mischung aus Eisen, Nickel und Sauerstoff ordentlich Druck – mehr als das 175 000fache des normalen atmosphärischen Drucks. Die Temperatur brachten sie dabei auf bis zu 2400 Grad Celsius. Ihre Messwerte kombinierten sie mit den Daten anderer Forschungsgruppen zu einem neuen Modell für die Entstehung der Planetenkerne von Mars und Erde.

Danach waren die frühen Planeten vor rund vier Milliarden Jahren einem ständigen Bombardement von Meteoriten ausgesetzt. Die Reibungshitze war so stark, dass sich tiefe flüssige Gesteins-Ozeane bildeten. Bis zu 1800 Kilometer tief wird das Magma auf der Erde gewesen sein, mit Temperaturen von 3200 Grad Celsius am Grund. In dieser Hölle trennten sich Silikate und metallisches Eisen voneinander, und aus Eisenoxiden wurde reines Eisen, in dem sich große Mengen Sauerstoff physikalisch lösen konnten. Das schwere Metall sank in dem Ozean herab und wanderte schließlich bis ins Zentrum der Erde, wo es den Kern bildete.

Auf dem Mars war dieser Ablauf nicht möglich, weil er dafür zu leicht ist. Mit einem Zehntel der Erdmasse erreicht er allenfalls ein Drittel des Drucks – zu wenig, um das Eisen abzutrennen. Infolgedessen blieb der Mars bis zum heutigen Tag auf einem Anteil von 18 Prozent Eisenoxid im Gestein sitzen, während die Erde den Rost im äußeren Mantel auf 8 Prozent drücken konnte.

"Unser Modell zeigt, dass die Planeten sich aus dem gleichen Material gebildet und dann zu ihrer gegenwärtigen Zusammensetzung und inneren Struktur entwickelt haben können", sagt Rubie. Doch ganz so sicher ist der gemeinsame Startpunkt nicht. Denn alles, was wir bisher über die Geochemie des Mars wissen, basiert auf Analysen an rund 25 Marsmeteoriten, die auf der Erde eingeschlagen sind, und einigen Daten der Marssonden. Vielleicht birgt der Mars ja noch ein weiteres Geheimnis, das ihm die Röte ins Gesicht getrieben hat.

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