Der Mond, der große Unbekannte : Blick der Raumsonde Galileo auf den Nordpol

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1 Der Mond, der große Unbekannte : Blick der Raumsonde Galileo auf den Nordpol Warum

2 NASA/JPL/DLR zum Mond? DLR-Beitrag zur Erforschung des noch viele Fragen aufwerfenden Erdtrabanten Von Ralf Jaumann, Ulrich Köhler und Tilman Spohn Was liegt näher als der Mond? An sich eine einfach zu beantwortende Frage: Der ständige Begleiter der Erde ist unser nächster kosmischer Nachbar, im Schnitt noch nicht einmal vierhunderttausend Kilometer entfernt. Um den Mond ist es allerdings seit den Zeiten, als die Astronauten der sechs Apollo-Missionen ihre Exkursionen auf seiner Oberfläche durchführten und Proben zur Erde zurückbrachten, ziemlich still geworden. Aus Sicht der Planetenforscher ist es notwendig, dass sich das ändert. Noch wissen wir vom Mond sehr wenig. Doch Erde und Mond bilden ein System und neue Erkenntnisse über seine geologische Geschichte könnten auch Fragen zur Entwicklungsgeschichte der Erde beantworten. Vom Mond lernen heißt also auch für die Erde lernen. Aus diesem Grund wird seit einiger Zeit am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) intensiv über die Idee nachgedacht, eine Raumsonde mit einem umfangreichen Paket an wissenschaftlichen Experimenten auszustatten und in eine Umlaufbahn um den Erdtrabanten zu entsenden. Aber gibt es keine interessanteren Ziele als den Mond? Schließlich schritt die Entwicklung komplexer Raumsonden zur Erforschung unseres Sonnensystems im letzten halben Jahrhundert mit Siebenmeilenstiefeln voran; kein Ziel zwischen Sonne und Pluto war zu weit, keine Bahn zu kompliziert. Die Nähe des Mondes ist auf den ersten Blick kein starkes Argument für ein Raumfahrt- Projekt. Doch die Erdnähe des Mondes hat natürlich Vorteile: Er kann zu jeder Zeit leicht erreicht werden, und das mit relativ geringem technologischen und finanziellen Aufwand. Daher war der Mond auch der erste und logische Schritt bei der Exploration unseres Sonnensystems. Das Wissen, das wir durch die Apollo- und andere lunare Missionen der späten sechziger und frühen 70er-Jahre erhalten haben, Mondstaub: (fast) unberührtes Archiv kosmischer und solarer Strahlung in Äonen NASA IGNITION

3 belegt eindrucksvoll, wie wertvoll der Mond für das Verständnis unserer kosmischen Umgebung ist. Das gilt auch heute noch. NASA/USGS Der Mond ist ein integraler Teil des größeren Systems Erde-Mond; er ist ein wichtiger Zeuge der viereinhalb Milliarden Jahre langen Geschichte des Sonnensystems und er ist, abgesehen von der Erde, der einzige planetare Körper, von dem wir Bodenproben mit genau bekannter Herkunftsstelle besitzen. Eine Reihe von Rätseln konnte damit zwar gelöst werden, gleichzeitig wurden aber auch neue Fragen aufgeworfen. Und es hat sich gezeigt, dass deren Erörterung für das Verständnis anderer Planeten, ganz besonders aber der Erde, von großer Bedeutung ist. Ausgehend von einer Initiative der Raumfahrt-Agentur im DLR und koordiniert vom DLR-Institut für Planetenforschung in Berlin-Adlershof präsentierten daher Vertreter von elf wissenschaftlichen Einrichtungen Deutschlands eine Studie für eine nationale deutsche Mondmission: den Lunaren Explorations-Orbiter (LEO). Unerforscht: Blick auf die Mondrückseite mit dem Südpol-Aitken-Becken NASA/JPL Monoton? Multispektraltechnik offenbart Variationen in der Mineralogie des Mondes Einzigartiger Mond-Orbiter Seit einigen Jahren schon steht der Mond wieder im Blickpunkt von Raumfahrtagenturen in aller Welt. Die USA, Japan, China und Indien planen konkrete Mondmissionen. Doch verglichen mit diesen Projekten wird LEO einzigartig sein. Die deutsche Sonde soll den Mond global und mit noch nie da gewesener räumlicher und spektraler Auflösung erkunden. LEO wird Karten für die weitere Exploration erzeugen und dabei viele wissenschaftliche Fragen ansprechen. Die Mission wird unsere Kenntnis nicht nur von der Topographie, der Zusammensetzung, dem Alter und der Mineralogie der Mondoberfläche wesentlich verbessern, sondern auch die physikalischen Eigenschaften, den inneren Aufbau, die thermale Entwicklung, das Schwerefeld, die Struktur des Mondbodens des Regoliths und das schwache Magnetfeld untersuchen. Dafür wird LEO mit NASA Krater Copernicus: Die Untersuchung von Einschlagskratern gestattet einen Blick zurück in die unruhige Frühzeit des Sonnensystems IGNITION

4 Zwei Körper, ein System: Der seit Milliarden Jahren fast inaktive Mond kontrastiert mit der dynamischen Erde Aufnahme aus der Internationalen Raumstation über den Horizont der Erdatmosphäre NASA

5 Mondentstehung: Ein marsgroßer Körper trifft die Erde innovativen Instrumenten eine ganze Reihe sich ergänzender Experimente durchführen, die eingebettet sind in die weltweit von der International Lunar Exploration Working Group (ILEWG) koordinierte Planung zur weiteren Erforschung unseres Trabanten. Es ist daran gedacht, auf LEO ein hoch auflösendes Stereo-Kamerasystem und mehrere Spektrometer zu installieren, die zum einen den Mond in der dritten Dimension und in bisher ungenutzten Wellenlängen des elektromagnetischen Spektrums erforschen, gleichzeitig aber auch mit ungewöhnlich breiter Wellenlängenabdeckung global untersuchen. Hinzu kommen Mikrowellen- und Radarexperimente zur Analyse von Struktur und Zusammensetzung des Untergrunds sowie sehr sensitive Magnetometer. Zur Messung des Schwerefeldes ist geplant, die Bahn eines zweiten Satelliten mithilfe von Laserstrahlen vom ersten Satelliten aus genau verfolgen zu lassen oder so genannte Gradiometer einzusetzen. Eine genaue Vermessung des Schwerefeldes und der Topographie ist von hohem wissenschaftlichen Interesse, aber auch für zukünftige Landemissionen notwendig. Der Start von LEO wäre bereits im Jahr 2011 möglich. Anschließend könnte die Sonde drei bis vier Jahre lang ihre Messungen aus der Mondumlaufbahn vornehmen. B. Hartmann LEO stellt an Raumflug- und Satellitentechnik höchste Ansprüche, die jedoch mit dem in Deutschland vorhandenen Erfahrungsschatz erfüllt werden können. Eine besondere Herausforderung ist ein möglichst niedriger Mondorbit von 50 bis 70 Kilometern Höhe, dessen Einhaltung aufgrund der Schwerefeldanomalien durch eisenreiche Vulkangesteine in der Mondkruste kein einfaches Unterfangen darstellt. Auf dem Gebiet der Datenübertragung wird ein innovatives optisches Kommunikationssystem erwogen. Zudem kann Deutschland auf eine große Erfahrung bei der Durchführung von Raumflugmissionen zurückgreifen, insbesondere beim German Space Operations Center (GSOC) des DLR in Oberpfaffenhofen. Was wir noch nicht wissen Zu den offenen Fragen bezüglich der Entstehung des Mondes (und der Erde) und derer Eigenschaften kommt, dass die Rückseite des Mondes bisher nicht detailliert kartiert werden konnte. LEO wird während des Fluges über die Rückseite die Daten aufzeichnen und danach zur Erde übertragen. Zur Entstehung des Mondes gibt es verschiedene Hypothesen, vom Einfangen des Mondes durch das Schwerefeld der Erde bis zur Abspaltung aufgrund einer Rotationsinstabilität. Die beste Erklärung sowohl die chemische Ähnlichkeit des Mondes mit dem Gestein des oberen Erdmantels betreffend, als auch den hohen Gesamtdrall der Erde und des Mondes lautet, dass vor circa 4,5 Milliarden Jahren ein etwa marsgroßer Planetoid die Erde wie in einem Streifschuss schräg aufprallend getroffen hat, wobei ein Teil der äußeren Gesteinshülle der Erde sowie ein Großteil des Planetoiden verdampften. Aus dem Dampf entstand nach der Kondensation der Materie der Mond. Diese Hypothese erklärt auch, warum der Mond so wenig Eisen und kaum Wasser in seinem Gestein aufzuweisen hat: Das Material des Planetoiden wurde sozusagen durch das Gestein des Erdmantels verdünnt und die hohen Temperaturen, die während dieser Feuergeburt herrschten, erlaubten keinen Einbau von Wassermolekülen in die Kristallgitter der Minerale. Rätselhaftes Mondinneres Allerdings bleibt auch in diesem Szenario einiges ungeklärt. So zum Beispiel die Frage, wie viel Eisen denn nun wirklich in den Mond eingebaut wurde? Da das Eisen in einem Planeten oder einem Mond größtenteils tief innen im Kern sitzt, ist eine Bestimmung der Größe dieses Kerns notwendig. Das kann letztlich nur mit einem seismischen Netzwerk und mit Landestationen gelingen, aber auch die Gravitationsfeldmessungen von LEO aus dem Orbit können hier weiterhelfen. Unmittelbar von Nutzen sind Gravitationsfeldmessungen für die Bestimmung des Aufbaus der oberflächennahen Schichten: Die Chemie und Mineralogie der Mondgesteine, die von den Apollo-Astronauten zur Erde gebracht wurden, zeigen, dass der Mond in seiner frühen Phase von einem Ozean aus Magma bedeckt war. Die fraktionelle Kristallisation (Kristallisation der mineralogischen Komponenten einer komplexen Schmelze in der abnehmenden Reihenfolge ihrer Schmelztemperaturen) dieses Magmaozeans führte zu einer Schichtung der äußeren etwa 700 Kilometer des Monds, die sich durch eine Messung des Schwerefeldes belegen lassen dürfte. Darüber hinaus haben Magma-Ergüsse während oder nach der Kristallisation die riesigen, schüsselförmigen Einschlagsbecken auf der Mondvorderseite mit eisenreichem vulkanischen Gestein gefüllt die Mare sind heute als dunkle Flächen von der Erde mit dem bloßen Auge sichtbar und für Massenkonzentrationen im Untergrund gesorgt. Diese so genannten Mascons lassen sich durch die Untersuchung des Schwerefeldes erkunden. Kern oder kein (Eisen-)kern? Eine von vielen Fragen der Mondforschung Calvin Hamilton IGNITION

6 NASA/USGS Eis am Südpol? Tiefe, nie von Sonnenlicht berührte Krater könnten Kältefallen für Kometeneis sein Von besonderem wissenschaftlichen Interesse sind auch die Magnetfeldmessungen. Wir wissen heute von Regionen des Mondes, in denen das Gestein magnetisiert ist. Weil diese Anomalien nicht genau genug vermessen sind, wissen wir aber nicht, ob es sich um Spuren eines frühen globalen Magnetfeldes des Mondes handelt oder ob die Anomalien durch Plasmawinde erzeugt wurden, für die große Einschläge auf der gegenüberliegenden Seite des Mondes die Ursache waren. Die Erzeugung globaler Magnetfelder gehört zu den Lebensleistungen eines Planeten. Das der Erde beispielsweise schützt das biologische Leben vor schädlicher Teilchenstrahlung. Vom Mond wissen wir nicht sicher, ob er ein globales Magnetfeld hatte. Und vor allem wissen wir nicht, warum manche Planeten aufhören, diese Felder zu erzeugen. Die Vermessung der Mondoberfläche Die Gestalt der festen Oberfläche eines Körpers im Sonnensystem, also ihre Morphologie, ist durch geologische Prozesse geprägt. Beim Mond sind das im Wesentlichen drei Arten von Vorgängen: Vulkanismus, Tektonik und Einschlagsprozesse. Auf Art, Mechanismus, Dauer und Intensität dieser Prozesse kann man durch die Analyse der Oberflächengestalt schließen. Grundlage dafür sind Kameradaten, die von Orbitern und zunehmend auch von Landemodulen und Rovern aufgenommen werden. Die zu- IGNITION

7 sätzliche Verfügbarkeit topographischer Daten erlaubt eine wesentlich detailliertere Auswertung. Die Mondoberfläche ist von unzähligen Einschlagskratern aller Größenklassen übersät: Auf keinem anderen Körper des inneren Sonnensystems ist das Bombardement durch Meteoriten und Asteroiden seit den frühesten Zeiten des Sonnensystems durch Einschlagskrater von Mikrometergröße bis zu mehreren Kilometer tiefen und über tausend Kilometer großen Einschlagsbecken besser dokumentiert, als auf dem Mond. Der seit gut drei Milliarden Jahren geologisch kaum aktive Erdtrabant bildet damit 4,5 Milliarden Jahre Entwicklungsgeschichte wie in einem gewaltigen Archiv ab. Die Verteilung von Einschlagskratern ist von fundamentaler Bedeutung für das Verständnis der Evolution nicht nur des Erde-Mond-Systems, sondern sämtlicher Körper im Sonnensystem mit einer festen Oberfläche. Häufigkeit und Größe der Einschlagskrater spiegeln Verteilung und Masse der zu Grunde liegenden Projektilpopulation im Asteroidengürtel wider. Integriert über 4,5 Milliarden Jahre gibt die mit dem Erde-Mond-System kollidierende Zahl an Kleinkörpern Aufschluss über einen der wichtigsten dynamischen Prozesse seit den frühesten Zeiten des Sonnensystems und ermöglicht die Bestimmung der Alter einzelner Flächen anhand deren Kraterhäufigkeiten. Lunas Werdegang in Zeit und Raum Die Kenntnis der aktuellen und historischen vulkanischen Aktivität erlaubt Rückschlüsse auf die innere thermische Entwicklung eines Planeten. Auf dem Mond, einem Körper mit starrer Kruste und ohne Plattentektonik, resultierte der Vulkanismus offenbar aus dem Aufschmelzen von Mantelgesteinen, die nicht durch Krustenmaterial verunreinigt wurden und deshalb die Zusammensetzung des Mondmantels widerspiegeln. Die Wärme, die für solch ein Aufschmelzen nötig ist, stammte zum großen Teil vom natürlichen Zerfall radioaktiver Elemente und produzierte Schmelzen mit meist basaltischer Zusammensetzung (Basalt ist ein Vulkangestein, arm an Silizium und reich an Magnesium und Eisen). Um Basaltschmelzen, wie sie auf der Erde zumeist an Ozeanböden etwa zwei Drittel der Erdoberfläche bedecken, auf dem Mond entstehen zu lassen, wären Temperaturen von mehr als Grad Celsius und Tiefen von circa 150 bis 200 Kilometer nötig. Mondgesteinsproben belegen, dass der Vulkanismus dort vor ca. drei Milliarden Jahren an Intensität abnahm. Dies lässt entweder auf ein NASA/DLR Abkühlen des Mantels unterhalb jener Temperaturen schließen, die zur Schmelzbildung nötig sind, oder auf ein Anwachsen der Krustendicke, die es Basalten letztendlich unmöglich machte, bis an die Oberfläche zu gelangen. Andererseits zeigen Altersbestimmungen mithilfe von Einschlagskratern, dass einige der Mondbasalte noch bis vor circa 1,2 Milliarden Jahre gefördert wurden: Also hat entfernt von den Landestellen doch noch Aktivität stattgefunden. Diese Ungereimtheit macht neue spektrale Untersuchungen nötig. Basaltische Laven finden sich fast ausschließlich auf der Mondvorderseite, und bedecken heute etwa 17 Prozent der Mondoberfläche, stellen aber nur ein Prozent des Krustenvolumens dar. Alter, Verteilung und Volumina magmatischen Materials spiegeln die Verteilung von Schmelzprozessen im Mantel in Raum und Zeit wider und können, in Kombination mit den zurückgebrachten Proben, unser Verständnis des Vulkanismus und damit der thermischen Entwicklung verbessern. NASA/USGS/DLR NASA/USGS/DLR NASA/USGS/DLR Die globale Erfassung des Mondes in vielen Wellenlängen ist das Ziel von LEO die genaue Bestimmung der Topographie mit einer Stereokamera ein Schwerpunkt Gesteinsbildende Minerale hinterlassen in bestimmten Wellenlängen einen untrüglichen Fingerabdruck, der mit Kamerafiltern und Spektrometern ermittelt werden kann Schon die Steigerung der Kontraste in den Filtern des sichtbaren Lichts lässt subtile Unterschiede in Zusammensetzung und Eigenschaften der Mondoberfläche sichtbar werden IGNITION

8 NASA Mondstaub, in Äonen gereift Fast die gesamte Oberfläche des Mondes ist von Regolith bedeckt, einer Schicht aus fragmentiertem und unverfestigtem Gesteinsmaterial. Die meisten Methoden der Fernerkundung, ob von der Erde aus oder im Mondorbit durchgeführt, dringen nur wenige Mikrometer bis Zentimeter in den Mondboden ein und beziehen somit ihre Information aus dem Regolith. Auch alle Landeaktivitäten wurden und werden auf dem Regolith durchgeführt und er wird im Rahmen einer späteren Nutzung des Mondes die primäre Quelle zur Gewinnung von Rohstoffen und Baumaterial sein. Der lunare Regolith ist die äußere Grenzschicht des Mondes zu den harschen Umweltbedingungen des Weltraums und gleichzeitig die untere Grenzschicht für die sehr dünne lunare Exosphäre, eine den Mond umgebende Zone mit extrem spärlich vorhandenen Atomen und Ionen flüchtiger Elemente. Die Erforschung dieser in Äonen gereiften Grenzschicht erfordert neben den klassischen Methoden der Fernerkundung ein Eindringen in den Untergrund, das nur mit Mikrowellenexperimenten, z. B. mit Radar, realisierbar ist. Das Konzept des Lunar Explorations-Orbiters ist technologisch anspruchsvoll, aber machbar. LEO wird einmalige, integrierte, globale Datensätze erzeugen, die von hohem interdisziplinärem wissenschaftlichem Wert sind. Die Mission wird einen neuen, nie vorher da gewesenen Rahmen für andere internationale Mondmissionen liefern. Darüber hinaus wird der Lunare Explorations-Orbiter Deutschlands Position als eine der führenden Raumfahrtnationen weiter festigen und Expertise und technisches Know-how Made in Germany demonstrieren. Autoren: Prof. Dr. Ralf Jaumann ist Leiter der Abteilung Planetengeologie am DLR-Institut für Planetenforschung in Berlin-Adlershof und Professor für Planetologie an der Freien Universität Berlin; Ulrich Köhler ist Diplomgeologe mit Spezialgebiet Geologie des Mondes; Prof. Dr. Tilman Spohn ist Direktor des DLR-Instituts für Planetenforschung und Professor für physikalische Planetologie der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster. Mondrückseite: Warum ist sie so anders?