Mit Laborexperimenten das Geheimnis des Marsmondes Phobos lüften.

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Was verursacht die Verwitterung des Marsmondes Phobos? Ergebnisse der Technischen Universität Wien geben neue Erkenntnisse, bald wird ein Raumschiff Bodenproben entnehmen.

Natürlich gibt es im Weltraum kein Wetter in unserem Sinne – dennoch kann der Boden auch im Vakuum des Weltraums “verwittern”, wenn er ständig mit hochenergetischen Teilchen, wie sie die Sonne aussendet, bombardiert wird. Der Marsmond Phobos ist von einer besonderen Situation betroffen: Er befindet sich so nah am Mars, dass dort nicht nur der Sonnenwind, sondern auch die Einstrahlung von Marsteilchen eine entscheidende Rolle spielt. Ein Forscherteam der TU Wien konnte dies nun in Laborexperimenten messen. In wenigen Jahren wird eine japanische Weltraummission Bodenproben von Phobos entnehmen und zur Erde zurückbringen.

Milliarden Jahre Teilchenbestrahlung

“Es gibt verschiedene Theorien, wie sich der Marsmond Phobos gebildet haben könnte”, sagt Paul Szabo, der in der Forschungsgruppe von Prof. Friedrich Aumayr am Institut für Angewandte Physik der TU Wien an seiner Doktorarbeit arbeitet. “Es ist möglich, dass Phobos ursprünglich ein Asteroid war, der dann vom Mars eingefangen wurde, aber er könnte auch durch eine Kollision des Mars mit einem anderen großen Objekt entstanden sein.

Bei der Untersuchung solcher Himmelskörper muss man immer bedenken, dass ihre Oberflächen im Laufe von Milliarden von Jahren durch den Beschuss mit kosmischen Teilchen völlig verändert wurden. Die Oberfläche der Erde bleibt davon unberührt, weil unsere Atmosphäre die Teilchen abschirmt. Die Geologie von Himmelskörpern ohne Atmosphäre, wie unser Mond oder Phobos, kann jedoch nur verstanden werden, wenn es möglich ist, die “Weltraumverwitterung” richtig einzuschätzen.

Deshalb wurden an der TU Wien aufwändige Experimente durchgeführt: “Wir haben ein Mineral, wie es auf Phobos vorkommt, verwendet und es in Vakuumkammern mit unterschiedlich geladenen Teilchen bombardiert”, erklärt Paul Szabo. “Mit einer äusserst präzisen Waage können wir messen, wie viel Material dabei entfernt wird und wie stark jedes Teilchen auf die Oberfläche einwirkt.

Dabei müssen die besonderen Eigenschaften des Mondes Phobos berücksichtigt werden: Seine Entfernung von der Marsoberfläche beträgt weniger als 6000 km – nicht einmal zwei Prozent der Entfernung zwischen unserem Mond und der Erde. Genau wie unser Mond befindet er sich in einer geordneten Rotation um seinen Planeten: Dem Mars ist immer die gleiche Seite zugewandt.

“Wegen des extrem geringen Abstands zwischen Mars und Phobos spielen auf der Oberfläche von Phobos nicht nur von der Sonne ausgesandte Teilchen eine Rolle, sondern auch Teilchen vom Mars”, sagt Paul Szabo. Die Marsatmosphäre besteht hauptsächlich aus Kohlendioxid. In den äusseren Regionen der Atmosphäre gibt es aber auch grössere Mengen an Sauerstoff. Wenn Teilchen aus dem Sonnenwind dort eindringen, können Sauerstoffionen entstehen, die dann mit hoher Geschwindigkeit auf Phobos auftreffen und das Oberflächenmaterial verändern.

Daten für die Weltraummission 2024

“Mit unseren Messmethoden konnten wir die Erosion von Phobos viel genauer abschätzen, als dies bisher möglich war”, sagt Friedrich Aumayr. “Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Wirkung von Sauerstoffionen aus der Marsatmosphäre nicht vernachlässigt werden kann. Es ist auch wichtig, zwischen den beiden Seiten von Phobos zu unterscheiden: Während auf der dem Mars abgewandten Seite der Sonnenwind die Verwitterung verursacht, dominiert auf der anderen Seite, wenn die Sonne vom Mars abgeschirmt ist, das Bombardement aus der Marsatmosphäre.

Diese Überlegungen könnten schon bald eine wichtige Rolle bei der Auswertung von realen Phobos-Proben spielen: Bereits 2024 soll ein Raumschiff im Rahmen der japanischen Raumfahrtmission MMX (Martian Moon eXploration) Phobos erreichen und Bodenproben zur Erde zurückbringen.

Referenz: “Experimentelle Einblicke in die Weltraumverwitterung von Phobos”: Laboruntersuchungen zum Sputtern durch atomare und molekulare planetare Ionen” von P. S. Szabo, H. Biber, N. Jäggi, M. Wappl, R. Stadlmayr, D. Primetzhofer, A. Nenning, A. Mutzke, J. Fleig, K. Mezger, H. Lammer, A. Galli, P. Wurz und F. Aumayr, 1. November 2020, JGR Planets.
DOI: 10.1029/2020JE006583.

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