Wasser auf dem Mond ist nicht nur ein wissenschaftliches Interesse, sondern eine Grundvoraussetzung für die Schaffung einer nachhaltigen Weltraumwirtschaft. Ohne Zugang zu lokalen Ressourcen bleiben alle Flüge zum Erdtrabanten, zum Mars und weiter ins Innere des Systems extrem teuer und eingeschränkt. Aus diesem Grund haben US-Geophysiker eine grundlegend neue Methode zur Erkennung verborgener Vorräte an Wassereis entwickelt, die es ermöglichen wird, diese in Tiefen von bis zu 800 Metern zu finden.
Eis verändert die Steifigkeit des Bodens
Die neue Methode, die in einer kürzlich veröffentlichten Studie beschrieben wird, basiert auf den physikalischen Eigenschaften des Mondbodens (Regolith). Wissenschaftler haben bewiesen, dass eisgesättigter Regolith eine deutlich höhere Steifigkeit aufweist als trockener Boden. Diese Eigenschaft beeinflusst direkt die Ausbreitung seismischer Wellen: In Eisschichten kann ihre Geschwindigkeit zwei- bis dreimal so hoch sein.
Zusätzlich wirken die Grenzen zwischen Bodenschichten und Eis als Reflektoren für seismische Energie. Durch die Analyse dieser Reflexionen und der Änderungen in der Ankunftszeit der Wellen können Forscher nicht nur Lagerstätten entdecken, sondern auch deren Volumen ungefähr abschätzen.
Das Labor unter dem Synchrotron
Um die Theorie zu bestätigen, führte eine Gruppe von Wissenschaftlern eine Reihe von Experimenten durch, die die Bedingungen auf dem Mond simulierten. Als Analogon zum Mondboden wurde zerkleinertes vulkanisches Gestein aus Arizona verwendet. Die Proben wurden in eine kryogene Vakuumkammer gegeben, gekühlt und mit Hilfe eines Röntgenstrahls eines Synchrotrons untersucht.
Mikrotomographie ermöglichte es, im Detail zu beobachten, wie Wasser mikroskopische Poren zwischen den Bodenpartikeln füllt und wie dies seine Verformung unter extrem niedrigen Temperaturen und im Vakuum verändert. Die gewonnenen Daten bildeten die Grundlage für ein physikalisches Modell der elastischen Eigenschaften des gefrorenen Mondregoliths.
Von Temperaturkarten zu seismischen Wellen
Der nächste Schritt bestand darin, die Labordaten mit Computersimulationen zu kombinieren. Die Wissenschaftler überlagerten die Ergebnisse mit Temperaturkarten des südlichen Polargebiets des Mondes. Dies ermöglichte es, Krater zu identifizieren, in denen Eis über Milliarden von Jahren in permanenter Schattenlage erhalten geblieben sein könnte.
Die seismische Modellierung zeigte, wie sich Wellen an unterirdischen Schichten brechen und reflektieren würden. Wichtig ist, dass das entwickelte System Lagerstätten unterschiedlichen Ursprungs und Aufbaus unterscheiden kann, was ein genaues Verständnis der Art der Ressourcen ermöglicht.
Quellen der Wellen und zukünftige Missionen
In der Praxis ist es für die Erkundung nicht notwendig, künstliche Explosionen zu verursachen. Quellen seismischer Wellen können natürliche Mondbeben, Meteoriteneinschläge oder sogar der Betrieb von Bohrgeräten von Landern und Rovern sein. Spezielle Seismometer oder empfindliche Beschleunigungssensoren, die an der Oberfläche installiert sind, werden die Reaktion des Bodens registrieren.
Diese Methode ist von entscheidender Bedeutung, da Orbitalspektrometer hauptsächlich die oberste Bodenschicht untersuchen können und tiefe Lagerstätten für Beobachtungen unzugänglich lassen.
Wer wird die Theorie als Erster überprüfen?
Die erste Gelegenheit, die neue Methode in der Praxis zu überprüfen, wird in naher Zukunft eintreten. Bis Ende des laufenden Jahres wird die chinesische Mission „Chang'e-7' zum Mond aufbrechen und den ersten modernen Sensor für seismische Aktivität auf die Oberfläche bringen. Später, im Rahmen des Programms zur Rückkehr zum Mond, werden Astronauten ihre eigenen seismischen Instrumente installieren, mit einer geplanten Landung im Jahr 2028 oder später.
Die Suche nach Wasser im Bereich des Südpols des Mondes wird eine Priorität sein, da die Zusammensetzung der flüchtigen Stoffe aus dieser Region einzigartige Informationen über die Lieferung von Wasser in das innere Sonnensystem vor Milliarden von Jahren bewahrt haben könnte.
