Forschungsbericht 2004 - Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung

SMART-1 - Europas Mission zum Mond

Autoren
Mall, Urs
Abteilungen

Allgemeine Abteilung (Christensen, Solanki, Vasyliunas) (Prof. Dr. Sami Solanki)
MPI für Sonnensystemforschung, Katlenburg-Lindau

Zusammenfassung
Die in den letzten 10 Jahren zum Mond geflogenen Fernerkundungsmissionen haben, nachdem nur kleine Teile der Mondoberfläche von den Apollo-Missionen her bekannt waren, zum ersten Mal erlaubt, einen globalen Überblick über die Zusammensetzung der Mondoberfläche zu gewinnen. Es besteht die Hoffnung, dass beim Mond Einsichten in die Zusammenhänge zwischen geologischer Evolution und der internen sowie thermischen Entwicklung eines Planeten gewonnen werden können, die zu einem generellen Verständnis der Entwicklung von Planeten beitragen. Zurzeit nimmt eine neue weltweite Initiative für eine weitere Phase der Erforschung und der Nutzung des Mondes Gestalt an. Von den geplanten Missionen wird die europäische Mission SMART-1 (Small Advanced Research Missions) als nächste den Mond erreichen. Eines der an Bord der Raumsonde SMART-1 befindlichen Instrumente ist ein vom Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung (MPS) in Katlenburg-Lindau entwickeltes Spektrometer für das nahe Infrarot, das der Identifizierung von Mineralien auf der Mondoberfläche dient. Ungestört von dem Einfluss der Erdatmosphäre wird dieses Spektrometer unter anderem auch die der Erde abgewandte Seite der Mondoberfläche untersuchen und sich an der Suche nach Wasser auf dem Mond beteiligen.

Seit am 14. Dezember 1972 die Besatzung der Apollo-17-Mission das Taurus-Littrow-Tal am südöstlichen Rand des Mare Serenitatis mit dem Ziel Erde verließ, hat die Menschheit die Mondoberfläche nicht mehr betreten. Nach über 30 Jahren wird nun eine neue Initiative für eine weitere Phase der Erforschung und der Nutzung des Mondes in den USA eingeläutet. In den letzten Jahren haben jedoch einige Nationen bereits wieder angefangen, mittels satellitengestützter Fernerkundung offene Fragen der Mondforschung anzugehen. Unter den zurzeit laufenden Missionen wird die europäische Mission SMART-1 (Small Advanced Research Missions) als nächste den Mond erreichen. Obwohl SMART-Missionen eigentlich Technologien entwickeln sollen, die für den Einsatz bei den großen europäischen Cornerstone-Missionen gedacht sind, will die Europäische Weltraumorganisation ESA mit der SMART-1-Mission auch noch ein altes Versprechen einlösen, nämlich einen europäischen Beitrag zur weiteren Erforschung des Mondes zu leisten (Abb. 1).

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Die Sonde SMART-1 tastet mit ihren Fernerkundungsinstrumenten die Mondoberfläche ab.

Unser wesentliches Wissen über den Mond stammt primär aus der Forschung, die in über 40 Jahren von verschiedenen Erd- und Fernerkundungsprogrammen und vor allem aber durch die bemannte Mondforschung mit dem Apollo-Programm geschaffen wurde. Das Apollo-Programm hat unser Bild vom Mond wesentlich verändert, unter anderem durch die Erkenntnis, dass große Teile des Mondes einst geschmolzen waren, einem Konzept, das man auch als "Magma-Ozean"-Hypothese bezeichnet. Die Proben der Apollo-Missionen zeigten bald, dass altes lunares Krustenmaterial reich an plagioklashaltigen Mineralen ist. Die "Magma-Ozean"-Hypothese besagt, dass der Mond in seiner frühen Bildungsgeschichte von glutflüssiger Gesteinsschmelze in Form eines tiefen "Magma-Ozeans" bedeckt wurde. Während sich dieser "Magma-Ozean" abkühlte, differenzierte sich durch Kristallisation das Magma in einen Mantel, der reich an Olivinen und Pyroxenen ist, und eine Kruste, die die leichteren Plagioklase enthält.

Man kann sich angesichts des Sachverhaltes, dass wesentliche Fragen und Vorstellungen, unter anderem eben auch das wichtige Konzept eines "Magma-Ozeans" für den Fall des Erd-Mondes im Allgemeinen akzeptiert sind, wundern, warum der Mond, den die Menschheit ja als einzigen Himmelskörper direkt besucht hat und von dem über 380 kg Gesteinsproben in irdischen Labors minutiös untersucht wurden, auch nach Apollo immer noch wissenschaftliches Interesse findet.

Die Fernerkundungsmissionen, die in den letzten 10 Jahren zum Mond geflogen wurden - Galileo, Clementine und Lunar Prospector - haben uns, nachdem wir nur kleine Teile der Mondoberfläche von den Apollo-Missionen her kannten, zum ersten Mal einen globalen Überblick über die Zusammensetzung der Mondoberfläche ermöglicht. Das Faszinierende an diesen Karten liegt darin, dass nun Gebiete auf der Mondoberfläche zu erkennen sind, die sich in der Zusammensetzung von den Stellen der Apollo-Landeplätze unterscheiden und deren Existenz sich schwer aus der bekannten Zusammensetzung der Gesteine, die man von den lunaren Proben her kennt, erklären lässt. Ein Beispiel: Die Resultate des Gamma-Strahlen-Experimentes von Lunar Prospector zeigen, dass die so genannten inkompatiblen und Hitze erzeugenden Elemente in einer Gegend des Mondes konzentriert sind, die früher stark vulkanisch aktiv war. Solche Erkenntnisse werfen eine Reihe von neuen Fragen auf. War man aufgrund der "Magma-Ozean"-Hypothese davon ausgegangen, dass die lunare Differenzierung sphärisch symmetrisch erfolgte und jegliche Asymmetrie durch Einschlagsereignisse, die zu der Bildung der großen Mond-Becken führte, hervorgerufen wurde, so wird durch die Messungen der Thorium-Konzentration durch Lunar Prospector unsere Vorstellung einer internen einheitlichen lateralen Zusammensetzung des Mondes neu zu überdenken sein. Die von dem Apollo-Programm stammenden Daten werden wahrscheinlich zum Teil in einem neuen Licht zu sehen sein. Möglicherweise wird man dazu übergehen müssen, die lunare Kruste und den Mantel des Mondes als eine Zusammensetzung von verschiedenen geologischen Terrains zu sehen, die ihren eigenen Ursprung und damit ihre eigene Zusammensetzung und geologische Evolution gehabt haben.

Vergleichen wir den Mond aber einfach mit den anderen Planeten, so beruht unser Interesse am Mond vor allem auf folgenden Tatsachen: Verglichen mit den terrestrischen Planeten ist der Mond einzigartig in Bezug auf seine Größe, Dichte und seinen Ursprung. Die Bildung des Erde-Mond-Systems kann noch nicht als vollständig verstanden bezeichnet werden. Von den zur Auswahl stehenden Theorien scheint nur die Einschlagstheorie akzeptabel zu sein, die im Wesentlichen besagt, dass die Erde mit einem sehr großen Objekt (etwa von der Größe des Mars) kollidierte, und dass der Mond aus dem "ausgeschlagenen" Material besteht. Die starke Präferenz für die Einschlagstheorie muss aber vor dem Hintergrund gesehen werden, dass all die anderen Theorien zu viele unplausible Annahmen machen müssen.

Die Einschlagstheorie hat gegenüber den anderen Theorien den großen Vorteil, dass sie sowohl den hohen Drehimpuls des Erde-Mond-Systems als auch die eisenarme Zusammensetzung des Mondes zu erklären vermag. Diese Theorie ist deshalb von besonderem Interesse für die Planetologie, weil sie einen uns überprüfbaren Testfall für Akkretionsmodelle der Planetenentstehung liefert. Die Einschlagstheorie besagt nämlich, dass die Kollision, die den Mond erzeugt hat, auch die primäre Quelle für den Drehimpuls des Erde-Mond-Systems ist. Damit aber das bei dem Einschlag frei geschlagene Material aus der Proto-Erde auf einer erdgebundenen Umlaufbahn verbleibt, müssen besondere Effekte die ballistischen Bahnen der Bruchstücke beeinflussen, da diese sonst entweder auf die Proto-Erde zurückfallen oder vollständig ins All entweichen. Solche Effekte sind zum einen Druckgradienten, die durch die Verdampfung des Gesteinsmaterials hervorgerufen werden, und zum anderen gravitationelle Drehmomente, die entweder durch die gegenseitige gravitationelle Wechselwirkung von herausgeschleudertem Material oder auch durch die nichtsphärische Verformung des getroffenen Planeten hervorgerufen werden. Beide Effekte werden wichtig bei großen Einschlägen.

Um also diese Fragestellung nach dem Ursprung des Mondes beziehungsweise des Erde-Mond-Systems klar beantworten zu können, müssen wir zwangsläufig mehr über die innere Struktur, die chemische Zusammensetzung und den Wärmefluss des Mondes wissen.

Der Mond unterlag wie alle terrestrischen Planeten im Laufe seiner Geschichte einem Abkühlungs- und Entgasungsprozess. In Planeten lassen radioaktive und andere Prozesse im Inneren Wärme entstehen, die dann nach außen abgeführt wird. Im Gesteinsmantel erfolgt der Wärmetransport durch Wärmeleitung und Konvektion. Diese Prozesse laufen bei den verschiedenen Planeten ganz unterschiedlich ab. Bei der Erde zum Beispiel erfolgt der Wärmefluss an der Oberfläche zu 65% durch Produktion, Migration und Subduktion lithosphärischer Platten, zu 20% durch Wärmeleitung und zu 15% durch den Zerfall radioaktiver Elemente in der Kruste, während beim Mond gar keine Plattenbewegung vorliegt. Gerade durch das Fehlen einer Plattentektonik und durch die Tatsache, dass wir für den Mond ein einzigartiges Datenarchiv in Bezug auf die Geologie, Geochemie, Mineralogie, Petrologie und Chronologie haben, welches in seinem Umfang nur noch mit dem uns für die Erde vorliegenden vergleichbar ist, erhält der Mond eine Sonderstellung in der vergleichenden Planetologie. Die Ein-Platten-Tektonik macht den Mond nämlich zu einem relativ einfach strukturierten Planeten. Es besteht deshalb die Hoffnung, dass wir beim Mond Einsichten in die Zusammenhänge zwischen geologischer Evolution und der internen sowie thermischen Entwicklung eines Planeten gewinnen können, die zu unserem generellen Verständnis der Entwicklung von Planeten beitragen.

Die Hoffnung eines europäischen Beitrages zum Studium dieser Fragen liegt nun auf der am 28. September 2003 mit einer Ariane-5-Rakete gestarteten SMART-1-Mission, deren primäres technologisches Ziel es ist, eine mit einem Ionen-Antrieb ausgestattete Raumsonde auf einer 16 Monate währenden Flugphase zum Mond zu testen. Die Raumsonde trägt eine aus 6 Instrumenten bestehende Nutzlast, die 10 verschiedene wissenschaftliche und technische Experimente umfasst.

Der wissenschaftliche Beitrag des MPI für Sonnensystemforschung zu SMART-1

Weil es wie bei der Erde auch beim Mond möglich ist, die Zusammensetzung des Mondinneren und damit die Zusammensetzung des Silikatanteils des Mondes aus bestimmten Mineralien an der Mondoberfläche abzuschätzen, zählt die Bestimmung der chemischen Zusammensetzung der Mondoberfläche zu den wichtigsten Aufgabenstellungen in der Mondforschung. An Bord der Raumsonde SMART-1 befinden sich daher eine Kamera, ein im Röntgenbereich empfindliches Spektrometer und ein vom Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung (MPS) in Katlenburg-Lindau entwickeltes Spektrometer für das nahe Infrarot (Abb. 2). Während spektroskopische Messmethoden von Gesteinen generell zur Identifizierung von Mineralien verwendbar sind, zählt die Nahinfrarotspektroskopie zu den besonders geeigneten Methoden, um die Oberflächenzusammensetzung von Planeten und kleinen Körpern zu bestimmen. Das vom MPS gebaute SMART-1-Infrarot-Spektrometer (SIR) misst das von der Sonne an einzelnen Mineralien reflektierte Licht in einem Wellenlängenbereich von 0,9 - 2,4 μm. Da einzelne Mineralien das Licht in diesem Bereich an ganz spezifischen Stellen absorbieren, kann man an Hand eines Reflexionsspektrums aus der Lage und Stärke der Absorptionen im Spektrum einzelne Mineralien identifizieren.

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Das am Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung gebaute SIR-Instrument steht zur Montage bereit.

Von der Erde aus wurden natürlich schon Infrarot-Beobachtungen des Mondes vorgenommen. Doch solche Messungen haben zwei Nachteile. Erstens beschränken sich diese Messungen auf die der Erde zugewandten Mondseite und zweitens werden diese Messungen durch die Atmosphäre der Erde gestört. Messungen, die aus einer Mondumlaufbahn gemacht werden, haben dagegen den Vorteil, dass zum einen der ganze vom Instrument messbare Infrarotbereich ungestört von dem Einfluss der Atmosphäre aufgezeichnet und zum anderen auch die Rückseite des Mondes analysiert werden kann. Dort befindet sich auch das nahe dem Südpol des Mondes gelegene Aitken-Basin, ein Kratergebiet, das wegen seiner gewaltigen Ausmaße nun als größter bekannter Krater im Sonnensystem gilt. Die Tatsache, dass dieses größte Kratergebiet bis zum Mondvorbeiflug der Sonde Galileo nicht bemerkt worden war, zeigt eindrucksvoll, wie limitiert die vorhanden Monddaten auch nach Apollo noch waren. Bei einem Durchmesser von 2500 km und einer Tiefe von 13 km kann man erwarten, dass an dieser Stelle Gesteine zu finden sind, die tief in der Kruste des Mondes gebildet wurden, oder vielleicht sogar Material, das aus dem Mondmantel stammt. Im Vorfeld für künftige Mondmissionen erwarten wir, dass SIR eine wichtige Rolle bei der Untersuchung dieses Gebietes leisten wird. Neben der Untersuchung von bisher kaum studierten Gebieten wird ferner bei Messungen, die aus einer Mondumlaufbahn gemacht werden, auch die räumliche Auflösung durch die Mondnähe verbessert. In der Tat ist SIR nicht das erste Infrarot-Spektrometer, das den Mond untersucht. Während frühere Spektrometer das Spektrum nur an einzelnen Stellen mittels Filtern abtasten konnten, misst das neue Instrument den ganzen Spektralbereich durchgängig zwischen 0,9 und 2,4 μm. Aus diesem Grund und wegen seiner guten spektralen Auflösung von 6 nm hat SIR grundsätzlich auch die Möglichkeit, das viel diskutierte Eis auf dem Mond nachzuweisen, sofern es wirklich vorhanden ist.

Schon während des Apollo-Programms wurde bemerkt, dass volatile Elemente auf dem Mond im Vergleich zur Erde wesentlich weniger häufig vorkommen. Das gilt speziell auch für Wasserstoff. Während trockene Basalte auf der Erde einen Wassergehalt von 1 Gewichtsprozent (Gew.-%) aufweisen, so zeigt Mondgestein ein Vorkommen von etwa 0,045 Gew.-% Wasser. Auf Grund dieses enormen Unterschiedes wurde geschlossen, dass der Mond in seiner Geschichte die volatilen Elemente durch Perioden, in denen er stark erhitzt war, evaporiert hat. Da Wasserstoff das leichteste Element ist, sollte es vollständig verloren gegangen sein. Der Wasserstoff, der in den Mondproben gefunden wurde, müsste demnach nachträglich wieder auf den Mond gekommen sein. Einer der möglichen Mechanismen, die das bewerkstelligen könnten, wäre die Implantation von Wasserstoff-Ionen aus dem Sonnenwind in der Oberflächenschicht des Mondes.

Dass das Wasser für die Entstehung von Leben wie wir es kennen eine unabdingbare Voraussetzung ist, bedarf keiner besonderen Erläuterung. Dass Wasser aber im Falle des Mondes zu einem Thema wurde, ist einer Arbeit von Kenneth Watson und Kollegen zu verdanken, die 1961 bemerkten, dass die äquatoriale Ebene des Mondes nur um 1,5 Grad zur Ekliptik geneigt ist und deshalb Krater, die in den Polgebieten liegen, im Innern Gebiete aufweisen, die ständig im Schatten liegen. Wegen den extrem niedrigen Temperaturen von ca. -200 Grad Celsius in diesen Schattengebieten sollte dort das Wasser, sofern es einmal welches gab, noch als Eis vorliegen. Ob überhaupt Eis vorhanden ist und mittels welcher Mechanismen Wasser an diese Stellen überhaupt kommen konnte, steht nun seit geraumer Zeit im Zentrum des wissenschaftlichen Interesses und der Diskussion.

Seit die Raumsonde Lunar Prospector den Mond im Jahre 1998 besucht hat, verfechten einige Wissenschaftler die These, dass kein Zweifel daran bestehe, dass sie Eis mittels eines Neutronenmonitors wirklich beobachtet hätten. Trifft nämlich die kosmische Strahlung auf den Mond, so werden Neutronen aus der Mondoberfläche, dem Regolith, geschlagen, die in weiteren Kollisionen mit den Atomen des Mondgesteines zunehmend Energie verlieren. Infolge dieser Kollisionen werden solche mehr oder minder moderierten Neutronen auch in den Raum oberhalb der Mondoberfläche gestreut, wo sie von einem auf einem Satelliten befindlichen Neutronenmonitor auch registriert werden können. Treffen die Neutronen auf Stoßpartner, die fast die gleiche Masse wie sie selber haben, zum Beispiel Wasserstoff, dann können sie in diesen Stößen besonders viel Energie abgeben. Aus der Messung eines Neutronenspektrums kann also auf die atomaren Stoßpartner oder auf das makroskopische Material geschlossen werden, auf das die Neutronen treffen.

In der Tat zeigt die Analyse der Lunar-Prospector-Messungen, dass es an den Polen besonders viel wasserstoffhaltiges Material zu geben scheint. Die Tatsache, dass dieses Material nun gerade in den Kratern, die im Schatten liegen, besonders konzentriert zu sein scheint, ist der wesentliche Punkt der Argumentation. Verglichen mit der Methode der Neutronenstreuung hat nun die Beobachtung von Eis mittels des nahen Infrarots einen besonders interessanten Aspekt. Während die Neutronenstreuung zwangsmäßig eine dicke Regolithschicht untersucht, beobachtet man mittels des Infrarots, da es sich um Reflexionsspektroskopie handelt, nur gerade die oberste Schicht. Da sich Eis wegen seiner besonders schön ausgeprägten Absorptionsspektren im infraroten Bereich dort besonders leicht identifizieren lässt, würden erfolgreiche SMART-1-Beobachtungen sehr direkt und ohne weitere Annahmen beweisen, dass die von der Sonde überflogenen Oberflächen wirklich aus Eis bestehen. Im Hinblick auf die nun beschlossene Initiative, eine permanente bemannte Mondbasis zu errichten, erhält die Suche nach Wasser nun eine ganz neue Dimension.

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