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Unser Mond: Die Geheimnisse der eisigen Schattenreiche

Roboter sollen in tiefe Mondkrater vordringen, um das dortige Eis zu erforschen. Sie sollen aufklären helfen, wie Wasser einst auf den Erdtrabanten gelangte.
Künstlerische Darstellung der LCROSS-Raumsonde mit abgetrennter Oberstufe der Trägerrakete, die in Richtung Mond fliegt.

Am 9. Oktober 2009 stürzte eine zwei Tonnen schwere Rakete mit einer Geschwindigkeit von 9000 Kilometer pro Stunde auf den Mond. Als sie in einer Staubwolke explodierte und die Mondoberfläche auf hunderte Grad Celsius erhitzte, erhellte sich der tiefschwarze Krater namens »Cabeus« zum ersten Mal seit Milliarden von Jahren für kurze Zeit.

Der Crash war kein Zufall. Die NASA-Mission Lunar Crater Observation and Sensing Satellite (LCROSS) sollte herausfinden, was durch den Einschlag von der Mondoberfläche aufgewirbelt werden würde. Ein Raumfahrzeug folgte der Rakete und flog durch die Staubwolke, um Proben zu nehmen. Gleichzeitig wurde sie vom Orbiter Lunar Reconnaissance der NASA aus der Ferne beobachtet. Die Ergebnisse des Experiments waren erstaunlich: Die Wissenschaftler entdeckten 155 Kilogramm Wasserdampf in der Staubfahne. Damit hatten sie zum ersten Mal Wasser auf dem Mond gefunden. »Es war absolut eindeutig«, sagt Anthony Colaprete vom Ames Research Center der NASA in Kalifornien, der Leiter der LCROSS-Untersuchung.

Wieso verdampft das Wasser nicht?

Tatsächlich ist der Mond kein offensichtliches Wasserreservoir. »Es ist wirklich seltsam, wenn man darüber nachdenkt«, sagt Mark Robinson, ein Planetenforscher an der Arizona State University, USA. Das Fehlen einer Atmosphäre und die extremen Temperaturen sollten eigentlich dazu führen, dass jegliches Wasser fast augenblicklich verdampft. Doch vor etwa 25 Jahren begannen Raumsonden, Wasserstoffsignaturen an den Polen des Mondes zu entdecken, die darauf hindeuteten, dass dort Wasser in Form von Eis eingeschlossen sein könnte. LCROSS lieferte den Beweis für diese These. Wissenschaftler gehen inzwischen davon aus, dass auf dem Mond nicht nur eine kleine Menge an Eis vorkommt, sondern gewaltige sechs Billionen Kilogramm.

Der größte Teil dieses Eises befindet sich in besonderen Gebieten an den Polen des Mondes, den so genannten permanent beschatteten Regionen (PSR). Dabei handelt es sich um Krater wie Cabeus, in die auf Grund der Geometrie der Mondumlaufbahn keine Sonnenstrahlen gelangen. »Solche Regionen befinden sich in permanenter Dunkelheit«, sagt Valentin Bickel, Planetenforscher am Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung in Göttingen.

Für Wissenschaftler sind die PSRs von großem Interesse. In ihrem Inneren können die Temperaturen unter minus 170 Grad Celsius fallen. »Einige PSRs sind kälter als die Oberfläche des Pluto«, sagt Parvathy Prem, Planetenforscherin am Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory in Maryland, USA. Das bedeutet, dass Eis auf oder unter der Mondoberfläche in PSR nicht schmilzt, sondern dort möglicherweise Milliarden von Jahren überdauert hat. Die Untersuchung der chemischen Zusammensetzung dieses Eises sollte Aufschluss darüber geben, wie es auf den Mond gelangte. Daraus wiederum ließen sich Rückschlüsse ziehen, welchen Ursprung das Wasser auf der Erde hat oder ob es auf anderen felsigen Welten Wasser gibt. Darüber hinaus könnte das Eis auch eine Ressource für künftige menschliche Aktivitäten auf dem Mond sein.

Dass diese Schattenregionen offenbar seltsamer sind, als sich Wissenschaftler vorgestellt hatten, weiß man bereits durch bisherige Untersuchungen. Gleichwohl haben diese Studien bestenfalls flüchtige Einblicke gewährt. Aber das wird sich bald ändern. Nächstes Jahr werden Roboterfahrzeuge zum ersten Mal in die zerklüfteten eisigen Tiefen der PSR vordringen und offenlegen, wie das Innere dieser dunklen Krater aussieht. Bis zum Ende des Jahrzehnts plant die NASA sogar, Menschen auf Erkundungsmissionen vor Ort zu schicken. Was wird dort im Dunkeln lauern? »Ich weiß nicht, was wir finden werden«, sagt Robinson, der leitende Wissenschaftler für die Robotermission im Jahr 2023. Das sei ja gerade »das Coole« daran.

Wasser überall

Die Spekulationen über PSR gehen auf das Jahr 1952 zurück, als der amerikanische Chemiker Harold Urey zum ersten Mal die Hypothese über die Existenz von PSR auf dem Mond aufstellte. »In der Nähe der Pole könnte es Vertiefungen geben, in die die Sonne niemals scheint«, schrieb er. Er stellte fest, dass die Erde die Sonne mit einer um 23,5 Grad geneigten Rotationsachse umkreist, während der Mond lediglich um 1,5 Grad geneigt ist. Das bedeutet, dass die Sonnenstrahlen fast waagerecht auf die Pole treffen und die Ränder der Polkrater das Licht davon abhalten, in die Tiefe zu gelangen. Urey war allerdings der Meinung, dass jegliches Eis an diesen sonnenlosen Stellen auf Grund der fehlenden Atmosphäre des Mondes schnell verloren gehen würde.

Im Jahr 1961 stellte der Geophysiker Kenneth Watson vom Lawrence Berkeley National Laboratory der University of California die Theorie auf, dass Eis im Inneren von PSR bestehen bleiben könnte. Es war bekannt, dass die nächtlichen Temperaturen auf dem Mond bis auf minus 150 Grad Celsius sinken konnten; Watson und zwei Kollegen argumentierten, dies bedeute, dass Eis trotz der Exposition gegenüber dem Weltraum an den kältesten Stellen eingeschlossen werden würde. »In den ständig beschatteten Bereichen des Mondes sollte es noch nachweisbare Mengen an Eis geben«, schrieben sie.

Die Diskussion über die Möglichkeit von Eis in den PSR nahm besonders Anfang der 1990er Jahre wieder an Fahrt auf, als Radarinstrumente Anzeichen von Eis an den Polen des Merkurs entdeckten. Von dem Planeten nahm man ebenfalls an, dass er permanent beschattete Krater hat. Im Jahr 1994 entdeckten Wissenschaftler mit einem Radarinstrument auf der NASA-Sonde Clementine schließlich ein deutliches Signal über dem Südpol des Mondes, das für das Vorhandensein von Wassereis sprach. Die Jagd war eröffnet.

Tausende Schattenregionen

Im Jahr 1999 lokalisierten Jean-Luc Margot von der Cornell University und Kollegen dann PSRs auf dem Mond, die Eis enthalten könnten. Sie benutzten eine Radarschüssel in der Mojave-Wüste in Kalifornien, um topografische Karten der Mondpole zu erstellen. »Wir simulierten die Richtung des Sonnenlichts und nutzten unsere topografischen Karten, um Regionen zu identifizieren, die permanent im Schatten liegen«, so Margot.

Sie fanden nur eine Hand voll PSRs, aber spätere Studien identifizierten am Ende tausende. Die größten messen Dutzende von Kilometern in riesigen Kratern wie dem Shackleton-Krater am Südpol des Mondes, der doppelt so tief ist wie der Grand Canyon. Die kleinsten hingegen haben Durchmesser von nur wenigen Zentimetern. Auf der Lunar and Planetary Science Conference, die im März in Houston stattfand, präsentierte Caitlin Ahrens, Planetenforscherin am Goddard Space Flight Center der NASA, Forschungsergebnisse, die darauf hindeuten, dass einige PSRs bei schwankenden Temperaturen auf dem Mond leicht wachsen und schrumpfen können. Es handele sich um sehr dynamische kalte Regionen, die nicht stagnierten, sagt Ahrens in einem Interview.

Neue Forschungsergebnisse nahelegen, dass einige Krater auch Doppelschattenregionen enthalten, oder »Schatten im Schatten«, wie es Patrick O'Brien, ein Doktorand an der Universität von Arizona, ausdrückte, als er auf der Konferenz in Houston Beweise für diese Idee präsentierte. PSR sind zwar nicht dem direkten Sonnenlicht ausgesetzt, aber die meisten erhalten etwas reflektiertes Licht, das vom Kraterrand abprallt und das Eis teilweise schmelzen lässt. Doppelschattenregionen sind sekundäre Krater innerhalb von PSRs, die überhaupt kein reflektiertes Licht abbekommen. »Die Temperaturen können sogar noch kälter sein als in den permanenten Schatten«, sagt O'Brien; sie erreichen bis zu minus 250 Grad Celsius.

Eis an den Mondpolen | Das Bild zeigt die Verteilung des Oberflächeneises (hellblau) am Südpol (links) und Nordpol (rechts) des Mondes, entdeckt vom »Moon Mineralogy Mapper« der NASA. Die Grauskala entspricht der Oberflächentemperatur: Dunklere Farbtöne stehen für kältere Gebiete und hellere für wärmere Zonen. Das Eis konzentriert sich an den dunkelsten und kältesten Stellen in den Schatten von Kratern.

Wie gelangte das Wasser auf den Mond?

In den Doppelschattenregionen ist es so kalt, dass es dort womöglich sogar exotischere Eissorten aus Kohlendioxid und Stickstoff gibt. Laut Wissenschaftlern könnte die chemische Zusammensetzung dieser verschiedenen Eiskristalle Aufschluss darüber geben, wie das Wasser einst auf den Mond gelangte – und was vielleicht noch wichtiger ist, wie es auf die Erde und generell andere Felsplaneten kam. »Wasser ist für das Leben, wie wir es kennen, unerlässlich«, sagt Margaret Landis, Planetenforscherin an der University of Colorado, Boulder. Die Frage sei: »Wann und wie haben sich die für das Leben günstigen Bedingungen auf der Erde gebildet?« Während geologische Prozesse unseren Planeten in der Vergangenheit immer wieder regelrecht durcheinandergewirbelt haben, ist der Mond hingegen ein relativ beständiges Museum der Geschichte des Sonnensystems. Man nimmt an, dass das Eis dort seit Beginn seiner Existenz weitgehend unberührt geblieben ist.

Es gibt drei vorherrschende Theorien darüber, wie Wasser auf den Mond gelangte. Die erste besagt, dass es mit Asteroiden- oder Kometeneinschlägen auf den Mond kam. In diesem Szenario wurden bei der Entstehung des Sonnensystems die Wassermoleküle im heißen inneren Sonnensystem durch den Sonnenwind verdampft und weggeblasen; nur das Wasser in den kalten Außenbezirken konnte kondensieren und sich zu Eisklumpen anreichern. Diese Klumpen bombardierten dann das innere Sonnensystem, einschließlich des Mondes, und lieferten Wasser. Die zweite Theorie besagt, dass Vulkanausbrüche auf dem Mond irgendwann in seinem mittleren Alter eine dünne, temporäre Mondatmosphäre bildeten, die eine Eisbildung an den Polen zuließ. Eine dritte Möglichkeit wäre, dass der Sonnenwind Wasserstoff zum Mond transportiert haben könnte, der dann mit Sauerstoff Wasser bildetet, was zu Eis gefror.

Eine im Februar 2022 in »Nature Communications« veröffentlichte erneute Analyse der LCROSS-Staubfahne ergab, dass das Eis im Cabeus-Krater höchstwahrscheinlich durch Kometen auf den Mond gelangte. Die Forschergruppe um Kathleen Mandt vom Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory im US-Bundesstaat Maryland hatte die Menge an Stickstoff, Schwefel und Kohlenstoff, die zusammen mit Wasser im Eis enthalten war, analysiert. »Das Stickstoff-Kohlenstoff-Verhältnis lag weit über dem, was Vulkane hätten liefern können«, sagt Mandt. Daher seien laut ihr Kometen die beste Erklärung.

Entstand Wasser auf der Erde wie auf dem Mond?

Wenn das Mondeis ausschließlich von Kometen geliefert wurde, könnte das Gleiche auch für die Erde gelten. Das könnte bedeuten, dass Felsplaneten solche Einschläge erleben müssen, um das für die Entwicklung von Leben notwendige Wasser zu akkumulieren. Laut Landis ist es jedoch noch zu früh, um zu sagen, ob Mandts Forschung für das gesamte Eis auf dem Mond gilt. Die Gemeinschaft brauche zunächst mehr Zeit, um die Ergebnisse zu bewerten, sagt sie.

Sollte sich jedoch herausstellen, dass ein Teil des Mondeises vulkanischen Ursprungs ist, würde dies darauf hindeuten, dass felsige Welten im All sozusagen eine angeborene Fähigkeit besitzen, Wasser aus ihrem Inneren zu erzeugen. Das Vorkommen von Wasser wäre dann nicht an Einschläge gebunden. »Es könnte sein, dass nicht alle Sonnensysteme zahlreiche Kometen oder Asteroiden haben«, sagt Landis. Aber Gesteinsplaneten könnten die Fähigkeit haben, durch vulkanische Eruptionen die Bildung von Wasser zuzulassen, spekuliert sie.

Neben der Suche nach exotischem Eis in PSR wollen die Wissenschaftler künftig den Anteil von Deuterium, einem schwereren Isotop des Wasserstoffs, im Eis messen. Ein hoher Deuteriumanteil würde eher dem entsprechen, was man in Kometen findet, obschon auch hier die Werte variieren. Ein geringerer Anteil würde dagegen auf die Sonnenwindtheorie hinweisen, während der Wert bei Eis vulkanischen Ursprungs irgendwo in der Mitte läge. Daneben können auch weitere Elemente aufschlussreich sein: Eis, das von Vulkanausbrüchen stammt, sollte etwa reichlich Schwefel aus dem Mondinneren enthalten, so Paul Hayne, Planetenforscher an der University of Colorado, Boulder, USA.

In die Dunkelheit

Bisher hat sich keine Mondmission in die Regionen dauerhaften Schattens gewagt: Die Apollo-Raumschiffe landeten in der Nähe des Mondäquators. Zu dieser Zeit, Ende der 1960er und Anfang der 1970er Jahre, steckte das Wissen über PSR noch in den Kinderschuhen. Im Jahr 2019 setzte Chinas Chang'e-4-Lander inklusive Rover zwar am Südpol auf, aber PSR waren nicht das Ziel der Mission.

Im Jahr 2017 unterzeichnete der damalige Präsident Donald Trump dann eine Direktive an die NASA, Menschen wieder auf den Mond zu bringen; diese Initiative wurde später Artemis getauft. Die ersten Landungen mit Besatzung sollen Mitte der 2020er Jahre stattfinden. Zu denen möglichen Missionszielen zählen auch erste Abstecher in die ständig schattigen Mondkrater. Im Vorfeld bezahlt die NASA aber schon kommerzielle Firmen für die Durchführung erster robotergestützter Erkundungen.

Als Erstes wird das in Houston ansässige Unternehmen Intuitive Machines eine PSR erkunden, wenngleich auch nur kurz. Ihr Nova-C-Lander wird Ende dieses Jahres an Bord einer SpaceX-Rakete starten und dann auf einem Bergrücken in der Nähe des Shackleton-Kraters landen. Diese Region ist ein mögliches Ziel für eine spätere Erkundung durch Astronauten. Der Lander soll ein koffergroßes Fahrzeug namens Micro-Nova Hopper aussetzen. Weitere Einzelheiten der Mission hat Intuitive Machines auf der Lunar and Planetary Science Conference 2022 bekannt gegeben: Der Hopper wird mit Hilfe von Schubdüsen in drei großen Sprüngen – bis zu Hunderte von Metern auf einmal – über die Mondoberfläche hüpfen, bis er den Rand des 100 Meter breiten Marston-Kraters erreicht, in dem sich eine PSR befindet. Anschließend wird der Hopper in die pechschwarzen Tiefen hinabfliegen und in der PSR landen.

Was wartet im Schattenreich?

Noch ist aber unklar, was der Lander mit seinen Kameras und Scheinwerfern entdecken wird. Platten aus Oberflächeneis wären eine Möglichkeit, sagt Robinson, der leitende Wissenschaftler der Mission. Er hält es allerdings für wahrscheinlicher, dass die Lichter des Fahrzeugs von einzelnen Eiskristallen reflektiert werden, die im Mondboden verteilt sind. Falls es nur sehr wenig Eis geben sollte, ist es womöglich gar nicht auf den Bildern zu sehen. Der Ausflug des Hoppers in den Marston-Krater wird nicht länger als 45 Minuten dauern – und der wissenschaftliche Ertrag wird begrenzt sein, da das hauptsächliche Ziel der Mission darin besteht, die Machbarkeit des Hopper-Ansatzes zu demonstrieren.

Weitere Anstrengungen, die Schattenregionen zu erforschen, sind aber schon in Planung. In diesem Sommer wird etwa die Space-Launch-System-Rakete der NASA, die die Artemis-Missionen zum Mond transportieren soll, mehrere kleine Raumsonden in die Mondumlaufbahn einbringen. Von dort werden die Sonden die PSR untersuchen. Ein koreanischer Orbiter, der im August startet, wird derweil »ShadowCam« an Bord haben, ein speziell für die Abbildung von PSRs entwickeltes NASA-Instrument.

NASA Mond-Rover VIPER | Im Jahr 2020 testeten Ingenieure ein Modell des VIPER-Rovers im US-amerikanischen Glenn Research Center der NASA in Cleveland, Ohio.

Ins Eis bohren

Der entscheidende Moment in der Erforschung der PSR wird jedoch Ende 2023 kommen, wenn ein golfwagengroßer Rover namens VIPER (Volatiles Investigating Polar Exploration Rover) an Bord einer SpaceX-Falcon-Heavy-Rakete zum Mond fliegen wird. Nach dem Verlassen seines Landefahrzeugs wird VIPER in drei der ständig beschatteten Regionen des Mondes fahren und dort bis zu einem Meter tief nach unterirdischem Eis bohren oder frei liegendes Eis an der Oberfläche erforschen. Falls man einen Eisblock entdecke, könne man mittels des Bohrers sofort seine Härte bestimmen, erklärt Kris Zacny von Honeybee Robotics in Colorado, der Firma, die den Bohrer entwickelt hat. Das Team geht davon aus, dass man insgesamt bis zu 50 Bohrungen durchführen wird. Am Stück kann der Rover zehn Stunden in Betrieb sein, bevor er die schattigen Bereiche wieder verlassen muss, um seine solarbetriebenen Batterien aufzuladen.

VIPER wird unser Wissen über diese Regionen »revolutionieren«, so Landis. Mit Hilfe von Spektrometern soll das gefundene Eis analysiert werden, um das Verhältnis von Deuterium zu Wasserstoff zu bestimmen und nach Hinweisen auf Kohlendioxid oder Stickstoff zu suchen. VIPER könnte auf diese Weise Erkenntnisse darüber liefern, woher das Eis auf dem Mond stammt und unter welchen allgemeinen Bedingungen Eis auf felsigen Körpern vorkommt. Colaprete, der Projektwissenschaftler von VIPER, glaubt, man werde durch die Mission »einen Quantensprung im Verständnis« machen.

Trinkwasser und Treibstoff

Wissenschaftliche Fortschritte werden voraussichtlich aber auch im Artemis-Projekt erzielt werden. Die NASA plant derzeit, dass die erste Missionsbesatzung im Jahr 2025 in der Nähe eines PSR landet. Wenn Eis auf oder in der Nähe der Oberfläche von PSR zugänglich ist, hofft man nämlich, dass es sich entweder als Trinkwasser oder als Treibstoff nutzen lässt. Die Astronauten sollen selbst erkunden, wie praktikabel eine solche Idee ist.

»Dies ist nicht das Apollo-Programm; wir planen, einen ganzen Monat lang dort zu bleiben«, sagt Jim Green, der ehemalige Chefwissenschaftler der NASA. Und fügt hinzu: »Das Konzept, Materialien zu beschaffen und Lebensräume auf dem Mond zu erschließen, ist machbar.«

»Das Konzept, Materialien zu beschaffen und Lebensräume auf dem Mond zu erschließen, ist machbar«(Jim Green, ehemalige Chefwissenschaftler der NASA)

Laut Kevin Cannon, einem Experten für Weltraumressourcen an der Colorado School of Mines in den USA, werden derzeit verschiedene Vorschläge für die Gewinnung und Nutzung von Wassereis entwickelt. Man denke diesbezüglich über baggerähnliche Maschinen nach, sagt er, die Monderde ausheben können. Konzentriertes Sonnenlicht oder gar ein Ofen würden dann genutzt, um das Wasser aus Aushub zu extrahieren. Eine andere Idee sei, »das Graben zu überspringen und den Boden direkt in einer Art Zelt zu erhitzen«, so Cannon.

Fazit: Der endgültige Nachweis, dass es tatsächlich zugängliches Eis auf dem Mond gibt, könnte also Anfang 2023 erfolgen, wenn die ersten Bilder aus dem Inneren eines ständig beschatteten Mondkraters vorliegen. Und Ende 2023 könnten wir sogar mit Sicherheit wissen, wie es dorthin gekommen ist. Noch gilt aber: »Es gibt so viele grundlegende Dinge, die wir nicht verstehen«, sagt Prem. »Wir stehen noch ganz am Anfang.«

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