Für die meiste Zeit des Weltraumzeitalters wurde der Mond als eine wasserlose Welt betrachtet. In den letzten Jahren hat jedoch ein stetiger Tropfen der Entdeckung gezeigt, dass zumindest einige Teile des Mondes – wie die großen, ständig beschatteten Krater an seinen Polen – bedeutende Wasservorkommen enthalten. In dieser Woche haben zwei neue Studien, die in Nature Astronomy veröffentlicht wurden, den Wasserhahn ein wenig weiter aufgedreht, um die Aussicht auf einen unerwartet wässrigen Mond zu verstärken.
Das Timing ist gut für die NASA und andere Raumfahrtagenturen, die jetzt ehrgeizige menschliche Missionen zur Erforschung des Mondes und sogar zur Besiedlung planen. Denn wo Wasser ist, kann auch Leben sein – selbst wenn dieses Leben noch Raumanzüge und strahlengeschützte Habitate benötigt.
Ein mögliches himmelhohes Signal von sonnenerwärmtem Wasser
Der erste neue Hauch von Mondwasser stammt aus Daten, die von NASAs Stratosphären-Observatorium für Infrarot-Astronomie (SOFIA) gesammelt wurden. Dieser modifizierte Boeing 747SP-Jet bietet seinem 2,7-Meter-Teleskop eine Sicht oberhalb von 99 Prozent des die Atmosphäre verdeckenden Wasserdampfs – eine einzigartige Fähigkeit, die agile Beobachtungen im Infraroten ohne den Einsatz weltraumgestützter Einrichtungen ermöglicht.
Ende August 2018 nutzte ein Team unter der Leitung von Casey Honniball, einem NASA-Postdoktoranden am Goddard Space Flight Center der Behörde und Forscher an der University of Hawaii in Manoa, Infrarotinstrumente an Bord von SOFIA, um die sonnenbeschienene Mondoberfläche zu untersuchen. Die Beobachtungen, die nur 10 Minuten dauerten, konzentrierten sich auf eine Region in hohen südlichen Breiten in der Nähe des großen Mondkraters Clavius und zeigten eine starke Infrarot-Emission bei einer Wellenlänge von sechs Mikrometern (µm) aus dem Krater und der umgebenden Landschaft. Von der Sonne erwärmt, gab etwas auf der Mondoberfläche die absorbierte Strahlung wieder ab, genau wie es molekulares Wasser – einfaches H2O – tun würde.
„Wir kennen kein anderes Material, das für den Mond in Frage kommt und ein einzelnes spektrales Merkmal bei 6 µm aufweist, außer H2O“, berichten Honniball und ihre Forscherkollegen in ihrer neuen Arbeit. Die Autoren vermuten, dass das vermeintliche Wasser höchstwahrscheinlich in natürlich vorkommendem vulkanischem Glas oder zwischen mikroskopisch kleinen Gesteinsstaubkörnern eingelagert ist. Beides könnte einen Schutz vor den extremen Temperaturen und den nahezu vakuumähnlichen Bedingungen auf der Mondoberfläche bieten, so dass das Wasser dort überleben kann. Wie es überhaupt dorthin gekommen ist, weiß niemand genau, aber die führende Erklärung ist, dass sich das Wasser aus freiem Sauerstoff und Wasserstoff gebildet haben könnte, die durch Mikrometeoriteneinschläge aus dem Mondgestein freigesetzt wurden.
Die Verwendung von SOFIA ist ein neuer und einzigartiger Ansatz für die Mondforschung, sagt Honniball, aber es ist nicht das erste Mal, dass erdgebundene Beobachtungen eine Sechs-Mikrometer-Emission vom Mond aufgedeckt haben. Ballongetragene Beobachtungen der Astronomen G. R. Hunt und J. W. Salisbury zeigten das Spektralmerkmal, sagt sie. Aber Hunt und Salisbury erwähnten dies nicht in ihrer 1969 veröffentlichten Arbeit über diese Forschung. Stattdessen konzentrierten sie sich auf die Charakterisierung von Mineralien auf der Mondoberfläche. „Vielleicht wussten sie einfach nicht, dass sie eine große Entdeckung gemacht hatten“, spekuliert Honniball.
A Glass Half-Full
Honniball und ihre Kollegen haben bereits zusätzliche Zeit auf SOFIA für Folgebeobachtungen erhalten. „Wir hoffen, einen Großteil des Mondes zu kartieren, um das Verhalten von Wasser zu charakterisieren“, sagt sie. „Variiert es über die Mondoberfläche mit der Tageszeit und der geografischen Breite des Mondes? Das wird uns helfen, seine Quellen zu verstehen und wo es sich befindet.“
Und das wiederum könnte der Welt verraten, wie nützlich sich dieses neu gefundene Wasser eines Tages erweisen könnte. Wenn das Wasser überwiegend auf der Oberfläche von Gesteinskörnern vorkommt, ist die Gewinnung einfach: Man muss nur Mondboden schaufeln und ihn einer moderaten Erhitzung aussetzen. Wenn das Wasser jedoch in Glas eingeschlossen ist, muss das Material geschmolzen werden, um das Wasser für die Gewinnung freizusetzen – ein viel energieaufwändigerer Prozess.
„Derzeit haben wir keine gute Vorstellung davon, ob das Wasser, das wir mit SOFIA sehen, in Mengen vorhanden ist, die das Schmelzen des Glases lohnenswert machen“, sagt Honniball. „Wenn wir jedoch feststellen, dass die Mengen hoch genug sind, könnte dies eine praktikablere Option sein als der Abbau von Wassereis in permanent beschatteten Regionen, die extreme Umgebungen und schwer zu bearbeiten sind.“
Jack Schmitt, ein Geologe, der als Mitglied der Apollo 17-Crew der einzige professionelle Wissenschaftler bleibt, der auf dem Mond gelaufen ist, sagt, dass die SOFIA-Messung möglicherweise kein echtes molekulares Wasser aufdeckt, sondern etwas, das zerbrechlicher und flüchtiger ist. „Die Frage, die ich stellen würde“, sagt Schmitt, „ist, ob die SOFIA-Daten möglicherweise mit der schwachen Bindung von Sonnenwind-Wasserstoff mit Sauerstoff an der Oberfläche von Körnern von Silikatgläsern und Mineralien im Regolith zusammenhängen, anstatt tatsächlich molekulares Wasser zu sein.“
Ein Produkt solcher Reaktionen könnte Hydroxyl sein, ein Molekül, das nur ein Wasserstoffatom weniger als Wasser hat. Honniball sagt jedoch, dass die Sechs-Mikrometer-Emission, die von SOFIA gesehen wurde, nicht mit Hydroxyl übereinstimmt.
Ungeachtet dessen, welche Substanz hinter SOFIAs Signal steckt, merkt Schmitt an, dass die grundlegende Chemie es ermöglichen sollte, selbst knochentrockenem Mondmaterial Feuchtigkeit abzuringen. „Das Erhitzen von wasserstoffhaltigem Regolith auf mehrere hundert Grad würde dazu führen, dass ein Teil des Wasserstoffs mit dem Sauerstoff in den Silikaten reagiert und fast überall auf dem Mond Wasser produziert“, sagt er.
Kleine Schatten, unermessliche Möglichkeiten
Eine weitere Arbeit, die zusammen mit der SOFIA-Studie in Nature Astronomy veröffentlicht wurde, beleuchtet die zunehmende Verbreitung von dauerhaft beschatteten Gebieten auf dem Mond – sonnenlichtscheue Orte, die als Kältefallen bekannt sind -, in denen extrem niedrige Temperaturen Wasser einfrieren und im Wesentlichen auf unbestimmte Zeit speichern könnten, so dass es sich im Laufe der geologischen Zeit zu bedeutenden Ablagerungen ansammeln könnte.
Wissenschaftler untersuchen solche Mondregionen schon seit Jahrzehnten auf ihr wasserhaltiges Potenzial, aber bisherige Arbeiten konzentrierten sich auf große Kältefallen in riesigen Kratern an den Mondpolen. Im Gegensatz dazu erweitert dieses neueste Ergebnis den Bereich der betrachteten Kühlfallengrößen auf bis zu einem Zentimeter im Durchmesser. Durch die Analyse von hochauflösenden Bildern des Lunar Reconnaissance Orbiters der NASA fand ein Team um den Planetenforscher Paul Hayne von der University of Colorado Boulder heraus, dass solche „Mikro“-Kältefallen weitaus häufiger vorkommen als die gut untersuchten großen Fallen in der Nähe der Mondpole. Die neue Berechnung erhöht die Gesamtoberfläche mit der Fähigkeit, Wasser einzufangen, auf etwa 40.000 Quadratkilometer – eine pan-lunare Region, die zusammengenommen doppelt so groß wie Wales wäre.
„Die neu entdeckten Mikro-Kältefallen sind die zahlreichsten auf dem Mond, tausendmal häufiger als bisher kartierte Kältefallen“, sagt Hayne. „Wenn sie alle voller Eis sind, könnte es sich um eine beträchtliche Menge handeln, vielleicht um mehr als eine Milliarde Kilogramm Wasser.“
Hayne fügt jedoch hinzu, dass in situ-Probenahmen durch Roboter oder Astronauten erforderlich sind, um ihren tatsächlichen Eisgehalt richtig zu beurteilen. „Das wirklich Spannende an den Mikro-Kältefallen ist, dass sie viel leichter zugänglich sind, was eine effizientere Gewinnung und Nutzung sowohl für wissenschaftliche als auch für Explorationszwecke ermöglichen könnte“, sagt er. In der Tat könnte diese Vermehrung von winzigen potenziellen Eisreservoirs für zukünftige Missionen viel zugänglicher sein, sagt Hayne, weil sie in Bereichen existieren, in denen ein Astronaut mit Sonnenlicht bequem und sicher ein Werkzeug benutzen könnte, um in einen gefährlich kalten Schatten zu greifen, um das Eis auszugraben.
Um den Wert der Mikro-Kältefallen weiter zu beurteilen, werden Hayne und seine Kollegen eine Hightech-Kamera namens Lunar Compact Infrared Imaging System verwenden, die bereits 2022 mit der ersten Südpol-Lander-Mission des NASA-Programms Commercial Lunar Payload Services zum Mond reisen wird. Die Kamera wird erstmals Nahaufnahmen von Mikro-Kältefallen machen und deren Temperaturen messen.
Ground Truthing
Einerseits sind SOFIA und die Mikro-Kältefallen-Studien willkommene Neuigkeiten. Dennoch bleibt das große Bild dasselbe, sagt Ian Crawford, ein Mundexperte an der Birkbeck University of London.
Klar, sagt er, je mehr leicht zugängliches Wasser es auf dem Mond gibt, desto größer sind die Möglichkeiten, es vor Ort zu extrahieren und zu nutzen, um die unmittelbaren Erkundungsbemühungen zu unterstützen. Schließlich könnte die Erschließung von Mondwasser als Ressource eine ganze extraterrestrische Wirtschaft in Gang setzen, in der die Substanz zu einem lukrativen Rohstoff für Raketentreibstoff und andere wertvolle Verbrauchsgüter wird. Für den Moment sind jedoch dringend ‚ground truth‘-Messungen erforderlich, um die Schlussfolgerungen aus den Fernerkundungsmessungen zu bestätigen“, sagt Crawford.
Angel Abbud-Madrid, Direktor des Colorado School of Mines‘ Center for Space Resources in Golden, Colo., bezeichnet ebenfalls direkte Messungen als den wichtigsten nächsten Schritt, der aus den neuen Erkenntnissen folgen muss. „Was jetzt nötig ist, ist die Mondoberfläche zu berühren und eine detaillierte Bodenwahrheit zu sammeln“, sagt er. „Die Bestätigung nicht nur der Existenz von Wassereis, sondern auch seiner Morphologie, Konzentration, Verteilung und Häufigkeit ist ein Muss, um mit den bestehenden Explorations- und Ressourcennutzungsplänen fortzufahren.“