Eis auf dem Mond – und ein Rätsel

„Als ich davon hörte, war mir sofort klar, dass es tiefgreifende Auswirkungen auf die Suche nach Wassereis auf dem Mond hat“, erinnert sich Schörghofer. „Nun konnten wir die Ausrichtung der Mondachse und das Ausmaß der permanenten Schattenzonen endlich neu berechnen.“

Zu Beginn seiner Existenz dürfte auf dem Mond sehr viel Wasser verfügbar gewesen sein. Damals war die Zahl der einschlagenden Kometen ungleich höher, und die Mondvulkane spuckten mehr Wasserdampf als später. Schörghofers Studie zufolge tauchten erst vor 3,4 Milliarden Jahren kontinuierlich beschattete Bereiche in den lunaren Polgebieten auf. Zu diesem Zeitpunkt hatte die Wasserlieferung bereits nachgelassen, auch an den Polarregionen. Im Umkehrschluss bedeutet dies: Alles Eis, das heute in Polnähe existiert, muss jüngeren Ursprungs sein. Das durchschnittliche Alter der Schattenzonen beträgt der neuen Analyse zufolge höchstens 1,8 Milliarden Jahre.

Zum Teil ist das Eis sogar deutlich jünger. Ein Beispiel ist der 100 Kilometer große Cabeus-Krater am 85. südlichen Breitengrad. Dort ließ die NASA 2009 ihre Sonde LCROSS (Lunar Crater Observation and Sensing Satellite) gezielt einschlagen. Durch die Hitze des Impakts wurden 155 Kilogramm Wasserdampf freigesetzt. Die neue Studie gibt das Alter des Cabeus-Eis mit weniger als einer Milliarde Jahren an. Trotz des insgesamt geringeren Eisinventars an den Mondpolen findet Schörghofer das „ermutigend“, denn ältere Schattenzonen als im Cabeus-Krater sollten noch mehr Eis enthalten.

Radioaktivität auf der Rückseite

Gezeitenkräfte sind auch dafür verantwortlich, dass der Mond uns immer die gleiche Seite zuwendet. Aus irdischer Perspektive hat er also eine Vorder- und eine Rückseite (bdw 5/2022, „Die dunkle Seite des Mondes“), wobei die hintere Seite für Erdlinge unsichtbar ist. Die Messfühler der Raumsonden haben sie jedoch fest im Blick – und das führt immer noch zu überraschenden Entdeckungen. Ein Beispiel ist eine unterirdische radioaktive Gesteinsformation, die ein internationales Team vom Planetary Science Institute im Juli 2023 in der Fachzeitschrift nature vorstellte.

Die Erforschung dieser Region auf der erdabgewandten Seite reicht bereits Jahrzehnte zurück. Damals analysierte David Lawrence – der heute an der Johns Hopkins University in Baltimore, Maryland, forscht – die Messungen des Lunar Prospector der NASA. Dieser Satellit umkreiste ab 1998 für 19 Monate den Mond. An Bord war auch ein Gerät zur Messung von Gammastrahlen. Lawrence fand in den Daten eine deutlich erhöhte Strahlung an einer Stelle am 61. Grad nördlicher Breite: zwischen den 162 beziehungsweise 215 Kilometer großen Kratern Compton und Bel’kovich. Aus der Energie der Gammastrahlung schloss Lawrence auf überdurchschnittliche Vorkommen des radioaktiven Elements Thorium im dortigen Mondgestein. „Ich bin kein Experte für Mondgeologie. Aber selbst als Physiker sah ich, dass dies weiter untersucht werden muss“, erinnert sich Lawrence.

Seither nahmen weitere Mondsatelliten die relativ helle Stelle ins Visier. Ihre Fotos zeigen mehrere Erhebungen und chaotisch geformte Niederungen, die zusammen an eine vulkanische Caldera erinnern. Eine 2016 publizierte Datierung auf Basis von Kraterstatistiken eines Teams um Katherine Shirley von der Oxford University schätzte das Alter des Vulkans auf 3,5 Milliarden Jahre.

Heiße Magmakammer?

Spuren von früherem Vulkanismus sind auf dem Mond verbreitet. So sind die sogenannten Mondmeere (Maria) Ebenen aus erstarrter Lava; sie bedecken weite Teile der erdzugewandten Seite. Seltener sind vulkanische Dome, die von zähflüssiger, siliziumreicher Lava gebildet werden. In der neuen nature-Studie stützen sich nun die PSI-Forscher Matthew Siegler und Jianqing Feng auf Messungen des Mikrowelleninstruments an Bord der chinesischen Satelliten Chang’e-1 und Chang’e-2, die ab 2007 den Mond umkreisten. Da Mikrowellenmessungen meist von Erd-, aber nicht von Mondsatelliten stammen, stellten die chinesischen Daten ein Novum dar.

Der Mondboden wirkt wie eine wärmedämmende Schicht, welche die großen Temperaturschwankungen zwischen Mondtag und -nacht ausgleicht. „Man muss nur etwa zwei Meter unter die Oberfläche gehen, um die Hitze der Sonne nicht mehr zu spüren“, erklärt Siegler. Abhängig von der Wellenlänge erhält man sogar Auskunft über die Wärme in bis zu 5,6 Meter Tiefe. Die Messungen spiegeln somit den Wärmefluss aus dem Mondinneren wider. Und der liegt in der Compton-Bel’kovich-Anomalie rund das 20-Fache über dem Mittelwert der Mondhochländer, die lokalen Temperaturen übersteigen das Umgebungsniveau um rund 9 Grad Celsius. Die Forscher gehen davon aus, dass die Wärme und die Gammastrahlung von großen Mengen Granit stammen. Den Modellen zufolge handelt es sich um zwei Gesteinsstrukturen mit 13 und 53 Kilometer Durchmesser, die Dutzende Kilometer in die Tiefe reichen. Lawrence, der die Studie begutachtet hat, kommentiert: „Was man bei Compton-Bel’kovich sieht, ist eine Art oberflächlicher Ausdruck von etwas viel Größerem darunter.“

Wieso ausgerechnet Granit? Granit ist erstarrtes Magmagestein kilometertief im Untergrund. Von der Erde ist bekannt, dass darin radioaktive Elemente wie Thorium, Uran und Kalium enthalten sind. „Das ist eine Konsequenz der Ionenradien dieser Atome“, erläutert der Planetengeologe Ralf Jaumann von der Freien Universität Berlin. Die großen Radien verhindern, dass die Atome anderweitig eingebaut werden können; deshalb konzentrieren sie sich im Gestein.

Damit irdischer Granit entsteht, muss Magma im Erdmantel aufsteigen und dabei sehr langsam schrittweise auskristallisieren. Eine wichtige Rolle spielt dabei die Tektonik der Erdplatten, denn entlang der Plattengrenzen ist der irdische Vulkanismus hauptsächlich lokalisiert. Auch Wasser ist bei der Granitbildung eine wichtige Zutat.

Andernorts im Sonnensystem ist Granit allerdings selten. Das gilt auch für den Erdmond, wo es an Wasser mangelt und eine Plattentektonik unbekannt ist. Bisher untersuchte Mondproben enthielten folglich auch nur sehr geringe Mengen an Granitkörnchen. Warum gibt es also auf der lunaren Rückseite vergleichsweise viel davon?

Der Mondmantel ist komplexer als bislang angenommen, vermutet Ralf Jaumann. Hinsichtlich der Compton-Bel’kovich-Anomalie teilt der Planetologe die Interpretation der Autoren: „Wenn man alle Hinweise zusammennimmt, handelt es sich um eine in der Mondkruste stecken gebliebene auskristallisierte Magmakammer.“

Das Wasser könne durch einen Kometen oder eishaltigen Planetoiden beigesteuert worden sein, als er den Krater Compton oder Bel’kovich schuf, meint Jaumann. Falls es damals noch eine heiße Magmakammer gibt, wären alle Komponenten vorhanden gewesen, Granitgestein zu bilden. Künftige Landemissionen sollten der Hypothese vor Ort auf den Grund gehen.