Gastkommentar

Manuel Güdel © privat
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Dossier

"Apollo - Ein Fenster zum Ursprung der Erde"

Gastkommentar

29.05.2019
  • Wien (Gastkommentar) - Die Landung von Apollo 11 auf dem Mond jährt sich in diesen Tagen zum 50. Mal. Während die erste Mondlandung 1969 den "Wettlauf zum Mond" krönte und damit sowohl ein politisches Ziel erreichte als auch eine hochkomplexe technologische Herausforderung meisterte, war auch die wissenschaftliche Ausbeute dieser und der darauf folgenden Apollo-Missionen 12-17 beispiellos. Auch wenn die Forschungsergebnisse die Öffentlichkeit wenig faszinierten und die NASA die dafür zu teuren Apollo-Missionen vorzeitig beendete, sind die Resultate aus den Apollo-Missionen so aktuell wie je.

  • Erst dank der geologischen Erkundung der sechs Apollo-Landegebiete und der 382 Kilogramm zurückgebrachten Mondgesteins beginnen wir, die Entstehungsgeschichte der Erde selber überhaupt zu verstehen. Die Erde entstand nach heutigem Wissen vor ca. 4,6 Milliarden Jahren zusammen mit der Sonne und den anderen Planeten. Wegen der Umwälzungen des Oberflächengesteins als Folge der Plattentektonik ist jedoch auf der Erdoberfläche praktisch kein Gestein aus der Zeit vor 3,5 Milliarden Jahren mehr zu finden. Die kritische Urzeit der Erde, während der sich die Kruste bildete, die Atmosphäre entstand und der Wasserozean kondensierte, also Voraussetzungen für eine lebensfreundliche Oberfläche realisiert wurden, ist daher nur noch äußerst schwierig zu erschließen. Die großen Strukturen der Mondoberfläche sind dagegen überwiegend innerhalb der ersten Milliarde Jahre entstanden und haben sich seither fast unverändert erhalten. Der Mond erschließt also gerade diesen fehlenden Zeitraum. Bohrungen an den Apollo-Standorten haben gezeigt, dass das Material in nur 50 cm Tiefe während der letzten 400 Millionen Jahre unverändert geblieben ist - in diesem Zeitraum hat sich die ganze Erdoberfläche grundsätzlich mehrfach umgewandelt.

  • Vor den Apollo-Missionen ging der Nobelpreisträger Harold Urey davon aus, dass der Mond aus unveränderter, undifferenzierter Urmaterie des Sonnensystems besteht, die höchstens an der Oberfläche durch Einschläge modifiziert worden ist, aus denen die optisch auffälligen dunklen Ebenen hervorgingen. Der Mond hätte der Wissenschaft also als direktes Fenster zum Ursprung des Sonnensystems dienen sollen. Dieses Bild wurde bereits durch die von Apollo 11 zurückgebrachten Mondproben komplett widerlegt. Jetzt offenbarte sich, dass die Ebenen durch massive Lavaflüsse entstanden sind, die sich nach den Einschlägen aus dem Mondinneren ergossen haben müssen. Die Untersuchung der Materialdichte zeigte auch rasch, dass der Mond differenziert sein musste, d.h., eine innere Struktur aus einem dichten Kern, einem ausgedehnten Mantel und einer dicken Kruste hat - ähnlich wie die Erde. Das relativ leichte Material der kraterreichen und hellen Mondhochländer muss ursprünglich auf einem heißen "Magma-Ozean" geschwommen sein.

  • Die nachfolgenden Apollo-Missionen vertieften dieses Bild. Verschiedene Lavaquellen und Vulkanismus müssen die Mondoberfläche über mehrere hundert Millionen Jahre hinweg geformt haben. Erst kürzlich wurde von der NASA eine Studie veröffentlicht, die aus der Analyse von Apollo-Mondgestein sogar eine frühe Mondatmosphäre als Folge des regen Vulkanismus nachwies. Auch wenn der Mond nicht die unveränderte Urmaterie des Sonnensystems offen legt, gibt er trotzdem stückweise Geheimnisse aus der Entstehungszeit des Sonnensystems preis.

  • Auch seismische Experimente untermauerten das Bild eines differenzierten Körpers. Apollo-Seismometer maßen Mondbeben, wovon allerdings relativ wenige durch Meteoriten ausgelöst wurden, viele dagegen offenbar durch Gezeitenkräfte der Erde an bestimmten Stellen der Mondumlaufbahn. Mondbeben nach den absichtlich eingeleiteten Abstürzen ausgebrannter Raketenstufen wiesen nach, dass der Mond eine sehr dicke Kruste aufweist, die erklärt, weshalb der Mond heute kaum noch stark vulkanisch aktiv sein kann. Diese seismischen Messungen werden bis in die jüngste Zeit verfeinert ausgewertet.

  • Eine direkte Messung des Wärmeflusses von einem Meter Tiefe bis zur Oberfläche zeigte, dass der Mond Wärmeenergie von innen verliert, die durch radioaktiven Zerfall erzeugt worden ist. Einen massiven heißen Kern wie bei der Erde gibt es dagegen kaum. Magnetfeldmessungen im Mondgestein deuten zwar darauf hin, dass der frühe Mond ein stabiles Magnetfeld besessen haben muss, und damit einen internen magnetischen Dynamo wie die Erde getrieben hat; dieses Magnetfeld ist inzwischen durch die Abkühlung des Kerns verschwunden, ein Schicksal, das der Mond übrigens mit dem Mars teilt.

  • Apollo hat zudem zum Verständnis des Sonnenwindes beigetragen. Das allererste Experiment, das Apollo-11-Astronauten an ihrer Landestelle aufstellten, war eine Folie, die Teilchen des Sonnenwinds einfing. Die Analyse dieser auch bei späteren Missionen eingesetzten Folien hat völlig neue Einsichten in die Beschleunigung des Sonnenwindes in der Sonnenkorona geliefert.

  • Der wohl größte wissenschaftliche Beitrag von Apollo betrifft die Entstehungsgeschichte des Mondes und der Erde. Noch bis in die Zeit der Mondlandungen wurde spekuliert, dass der Mond getrennt von der Erde entstand und von ihr eingefangen wurde, oder dass er und die Erde zusammen als "Doppelplanet" entstanden, oder sogar, dass der Mond sich durch die schnelle Erdrotation von ihr abtrennte. Um 1975 wurden jedoch erstmals Berechnungen durchgeführt, die annahmen, dass in der Frühphase der Planetenentstehung ein marsgroßer Körper mit der frühen Erde streifend kollidierte. Dies führte zum Auswurf großer Teile des Projektils sowie des Erdmantels in eine ringförmige Umlaufbahn um die Erde, woraus sich sehr schnell der Mond kondensierte.

  • Die theoretischen Überlegungen wurden aber erst 1984 mit den Fakten aus den Apollo-Missionen vereint, als erkannt wurde, wie sehr der Mond in seiner Zusammensetzung der Erde gleicht. Einige Häufigkeitsverhältnisse von Isotopen im Mondgestein sind derart ähnlich zu den Verhältnissen auf der Erde, jedoch verschieden von anderen Körpern im Sonnensystem, dass der Mond praktisch aus dem Material des Erdmantels entstanden sein muss (Isotope sind Atome gleicher Kernladungszahl und damit gleicher chemischer Eigenschaften, die aber wegen einer verschiedenen Anzahl von Neutronen im Atomkern eine unterschiedliche Masse aufweisen).

  • Etwas unerwartet wurden in neuerer Zeit in den Apollo-Gesteinsproben auch beachtliche Anteile von gebundenem Wasser gefunden, welches während der Entstehungszeit des Mondes nicht in den Weltraum abdampfte. Dies stellt angesichts der gewaltigen Energien und der Erhitzung beim hypothetischen großen Einschlag eine Herausforderung an das Modell dar. Modifizierte Modelle sind bis heute in Bearbeitung, darunter auch solche, die auf der Erde einen heißen Magmaozean während des Einschlages annehmen - dieser würde dann bevorzugt das Material für den Mond zur Verfügung gestellt haben anstelle des kalten Projektils.

  • Eine ganz neue Wendung nahm die Erforschung der Mond- und Erdvergangenheit gerade heuer auf Grund der Analyse eines Apollo-14-Gesteinsbrockens. Dessen Eigenschaften lassen auf einen extrem großen Druck schließen, dem der Stein einst ausgesetzt gewesen sein muss. Nur auf der Erde wurden solche Drucke in wenigen Kilometern Tiefe erreicht. So wie wir auf der Erde heute einige Meteoriten finden, die durch Mondeinschläge von der Mondoberfläche ausgestoßen worden sind, dürfte ein Einschlag eines Kleinkörpers auf der Erde diesen irdischen Gesteinsbrocken vor ca. 4,1 Milliarden Jahren auf den Mond verfrachtet haben. Wenn dem so ist, könnte es sehr wohl sein, dass der Mond für uns Gestein aus den ersten Epochen der Erdgeschichte aufbewahrt, welches hier längst durch Plattentektonik verschwunden ist. Der Mond enthielte damit ein Archiv zur direkten Erforschung der irdischen Urzeit.

  • Auch 50 Jahre nach den ersten Mondlandungen zehrt die Wissenschaft von der reichen Ausbeute der Apollo-Missionen. Man brach damals zu neuen Ufern auf, um die Urmaterie des Sonnensystems zu finden. Geöffnet hat Apollo aber in mancher Hinsicht ein Fenster zur Vergangenheit unserer Erde selbst.

Zur Person

Manuel Güdel, Universität Wien

Manuel Güdel ist Professor für Astrophysik an der Universität Wien und assoziiertes Mitglied am Physikdepartement der ETH Zürich. Er studierte theoretische Physik an der ETH Zürich und promovierte dort im Gebiet der Astrophysik. Nach Postdocjahren in den USA baute er seine Laufbahn in Forschung und Lehre weiter in der Schweiz auf, bevor er im Jahr 2010 an die Universität Wien berufen wurde. Hier leitet er ein nationales Großprojekt zur Evolution und Habitabilität von (Exo-)Planeten. Er ist auf höchster Ebene Mitglied mehrerer Weltraummissionen der NASA und ESA, darunter dem James Webb Space Telescope und anderer für die Planetenforschung zentraler Weltraumobservatorien. Er leitet mit zwei Kollegen ebenso Österreichs Beitrag zum künftig größten Spiegelteleskop der Welt, dem Extremely Large Telescope der ESO mit einem Spiegeldurchmesser von 39 Metern. Güdel ist in zahlreiche astronomische Beobachtungsprojekte involviert und hat seine Forschungsbeiträge in über 550 Publikationen veröffentlicht.

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