Spurensuche im Mondgestein

Im Sommer 2024 publizierten Xiaolong Chen von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften in Peking und dessen Kollegen die Ergebnisse aus Untersuchungen, die sie an den Chang’e-5-Proben vorgenommen hatten. Zwischen rund 1.000 Körnchen größer als 50 Mikrometer, die unter dem Mikroskop inspiziert wurden, fand das Team einen transparenten Kristall – ein bislang unbekanntes Mondmineral. Es besteht etwa zu 41 Prozent aus Wasser, zudem aus Ammoniak, Magnesium und Chlor ((NH₄)MgCl₃ · 6H₂O)). „Das ist eine neue Form von Wasser, die im Mondgestein gespeichert ist“, sagt Chen.

Die chemische Struktur weist auffällige Ähnlichkeiten mit Novograblenovit auf. Dieses Mineral haben Geologen vor wenigen Jahren erstmals auf der russischen Halbinsel Kamtschatka entdeckt: in Fumarolen am Vulkan Tolbatschik. Aus solchen Bodenöffnungen tritt heißer Wasserdampf gemeinsam mit vulkanischen Gasen aus; sie sind ein Beleg für vulkanische Hitze im Untergrund. Wahrscheinlich bildete sich das Tolbatschik-Mineral, als Wasserdampf zusammen mit Salzsäure und Ammoniak mit vulkanischem Gestein in Kontakt kam. Ein ähnlicher Prozess könnte auch das Mondmineral erzeugt haben, vermutet Chen.

Wasser für Astronauten?

Für die Raumfahrt ist Wasser ist eine wichtige Ressource, aus der sich Raketentreibstoff, Atemluft und Trinkwasser herstellen lassen. Welche Bedeutung könnte der Fund also für kommende Mondmissionen haben? Zwar ist die Menge des Minerals in den Proben gering, doch verglichen mit anderen potenziellen lunaren Quellen kann daraus vielleicht einfacher Wasser für künftige Mondfahrer gewonnen werden – vorausgesetzt, es gibt tatsächlich nennenswerte Mengen bei alten Vulkanen, meint Shifeng Jin. Er arbeitet ebenfalls an der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und war an der Studie beteiligt.

Außerdem kann der Fund einen Hinweis darauf geben, woher die flüchtigen Substanzen und das Wassereis in den dunklen Polkratern stammen, spekulieren die chinesischen Forscher. Denkbar ist, dass diese Stoffe aus der Entgasung von Magma beim Ausbruch urzeitlicher Mondvulkane stammen. Dies würde das Verständnis der Mondgeschichte grundlegend ändern, erfordert aber noch mehr Belege, kommentiert Sara Russel vom Natural History Museum in London. Sie war an der Untersuchung nicht beteiligt.

Die chinesische Mission hat noch weitere Einblicke in die Historie der Mondvulkane ermöglicht. Das geschah bereits durch die Auswahl der Landestelle, die auf der uns zugewandten, vorderen Mondseite im Norden des Oceanus Procellarum, dem größten aller Mare-Gebiete auf dem Mond, liegt. Die dunklen „Mondmeere“, die das uns vertraute Mondgesicht formen, sind bereits vor Milliarden Jahren entstanden, als heftiger Vulkanismus die Mondoberfläche umgestaltete.

Chang’e 5 setzte 170 Kilometer nordöstlich des bis zu 1.300 Meter hohen Vulkangebirges Mons Rümker auf. Es ist nach dem Astronomen Carl Rümker benannt, der im 19. Jahrhundert die Hamburger Sternwarte leitete. Aus dem Umfeld dieser kuppenartigen Erhebung gab es bislang keine Gesteinsproben. Altersermittlungen auf Grundlage von Kraterzählungen zeigen jedoch, dass dort über Milliarden von Jahren immer wieder Magma austrat.

Nun liegen 1.731 Gramm an Probenmaterial für Laboruntersuchungen vor. Durch die Blei-Isotopen-Methode datiert, stellte es sich mit einem Alter von 1,96 bis 2,03 Milliarden Jahren als vergleichsweise jung heraus. In der Region der Rümker’schen Feuerberge floss Magma also rund eine Milliarde Jahre näher an der Gegenwart, als es alle anderen lunaren Proben belegen.

Hitze von oben

Um den geologisch jungen Vulkanismus zu verstehen, muss man gedanklich noch viel weiter zurückreisen: in die Zeit vor über vier Milliarden Jahren. Damals war der Mond von einem globalen Meer aus Magma bedeckt. Als sich dieses nach und nach verfestigte, war die verbleibende Flüssigkeit angereichert mit chemischen Elementen, die nicht in die Kristallgitter der sich formenden festen Minerale passten.

Damals bildete sich eine geochemische Komponente der Mondgesteine, die auf der Erde keine Entsprechung hat: KREEP. Das Akronym steht für Kalium, Rare Earth Elements und Phosphor, wobei REE für die Seltenen-Erden-Elemente des Periodensystems steht. „KREEP entstand aus der letzten verbliebenen Flüssigkeit bei der Verfestigung des lunaren Magmaozeans“, sagt Stephen Elardo von der University of Florida. Zudem enthalten KREEP-Gesteine erhöhte Konzentrationen an radioaktiven Elementen, darunter gehäuft Kalium-40, Uran und Thorium. Infolge der radioaktiven Zerfallswärme ist KREEP deshalb eine beträchtliche Wärmequelle.

Zusammen mit Kollegen berichtete Elardo im Juli 2025 im Fachmagazin Science Advances über einen möglichen Motor dieses Vulkanismus. Mit Hochdruck- und Hochtemperatur-Experimenten an synthetischem Pulver, das chemisch mit dem Material von der Changʼe-5-Landestelle identisch war, simulierte das Team die damaligen Verhältnisse in der Tiefe des Mondes.

Ergänzend machten sie Modellrechnungen. Dabei ging es vor allem um die Frage, wieso der Mond so lange vulkanisch aktiv blieb, obwohl er als relativ kleiner planetarer Körper doch viel früher hätte abkühlen müssen. „Anhand unserer experimentellen Resultate und Berechnungen zur thermischen Entwicklung haben wir ein einfaches Modell erstellt“, erläutert Elardo. „Es zeigt, dass eine Anreicherung radioaktiver Elemente den oberen Mondmantel selbst vor zwei Milliarden Jahren noch um mehrere Hundert Grad heißer gehalten hätte, als er es sonst gewesen wäre.“ Bereits eine etwa zehn Kilometer dicke KREEP-Schicht unmittelbar unter der Kruste könnte den darunterliegenden Mantel beträchtlich aufgeheizt haben.

Bislang herrschte die Idee vor, dass der oberflächennahe Mondmantel zuerst abkühlte, als seine Wärme ins All entwich. Demnach wäre jüngere Lava – also auch die von Chang’e 5 gesammelten Proben – ursprünglich von weit unten zu Tage gefördert worden, da zu diesem Zeitpunkt nur noch in der Tiefe genügend Hitze vorhanden gewesen sei. Die Resultate von Elardos Team deuten allerdings in die Gegenrichtung: Demnach existierten viel näher an der Oberfläche auch in der späten Phase der Mondabkühlung noch KREEP-Taschen. Die darin von den radioaktiven Elementen produzierte Hitze hätte ausgereicht, um das Mantelgestein bis über den Schmelzpunkt aufzuheizen. Die ursprüngliche Mantel-Quelle für das Chang’e-5-Gestein liegt nur 75 bis 130 Kilometer tief, schreiben die Forscher.

Proben von der Rückseite

Das Modell ist zwar plausibel, allerdings nur schwer zu testen, kommentiert Carsten Münker die Studie. Seine Skepsis bezieht sich auf die durchaus kontrovers diskutierte Annahme, dass KREEP nur indirekt für Hitze sorgte.

Unterdessen dauern in seinem Kölner Labor die chemischen Analysen an. Zunächst wurden die Mondproben in starken Säuren aufgelöst, um in weiteren Schritten an die reinen chemischen Elemente zu gelangen. Dann begann die eigentliche Analyse, die auf die Untersuchung bestimmter Isotope abzielt.

Es geht beispielsweise um die Isotopenverhältnisse von Wolfram, einem schwer schmelzbaren Übergangsmetall. „Wir können sie bis auf die sechste Nachkommastelle genau messen“, sagt Münker. „Dafür brauchen wir mit zwei Gramm allerdings relativ viel Probenmaterial. Für weniger exakte Messungen reichen Milligramm-Proben.“ Die Analyse ist aufwendig und kann mehrere Monate in Anspruch nehmen. Trotzdem lohnt es sich: Experten können aus den präzise ermittelten Isotopenverhältnissen weit in die Mondgeschichte zurückblicken.

Infolge der gebundenen Rotation zeigt der Mond uns Erdlingen immer dieselbe Seite, die andere Hälfte bleibt unsichtbar. Gleichwohl wurde auch die Rückseite durch Mondsatelliten vollständig kartiert. Das Apollo-Becken gehört mit einem Durchmesser von 492 Kilometern zu den größten Strukturen. Es ist beim Einschlag eines massereichen Planetoiden oder Kometen entstanden. Benannt wurde es schon 1970 nach dem amerikanischen Apollo-Programm. Obwohl US-Astronauten nie die Rückseite betreten haben, wurden mehrere kleine Krater innerhalb des Beckens nach ihnen benannt – auch nach Roger Chaffee, der 1967 bei der Apollo-1-Mission umkam.

Ausgerechnet dort schrieb die chinesische Raumfahrt jüngst Geschichte: Ungefähr 50 Kilometer südlich des Chaffee-Kraters setzte am 1. Juni 2024 die Sonde Chang’e 6 auf. Ihre Mission steht für ein Novum in der Raumfahrt: Erstmals wurden Proben von der Mondrückseite eingesammelt und für weitere Analysen zur Erde transportiert: exakt 1,9353 Kilogramm.

Seinerseits liegt das Apollo-Becken innerhalb des enormen Südpol-Aitken-Beckens. Mit etwa 2.500 Kilometer Durchmesser größer als der Mondradius, gehört dieses zu den größten bekannten Impaktstrukturen im ganzen Sonnensystem. Der Einschlag, der es einst formte, schmolz das Mondgestein bis zu 250 Kilometer tief auf, katapultierte Auswurfmaterial über die gesamte Mondoberfläche und hob Mantelgestein aus der Tiefe an die Oberfläche .

Schon allein das macht das Becken zu einem interessanten Ort für Mondgeologen. Darüber hinaus vermuten manche Forscher, dass der Einschlag eine Teilursache für den beträchtlichen Unterschied zwischen den beiden Mondhalbkugeln ist.

Rätselhafte Asymmetrie

Die hintere, bis zur Raumfahrt völlig unbekannte „dark side of the moon“ ist nicht dunkel, denn sie erhält ebenso viel Sonnenlicht wie die Vorderseite. Allerdings sind bis heute grundlegende Fragen mit der hinteren Hemisphäre verbunden:

Wieso nehmen Maare dort nur 2 Prozent der Oberfläche ein, wenn es vorne rund 30 Prozent sind? Auch ist die hintere Mondkruste im Durchschnitt mächtiger als die vordere. Die Chemie der Oberflächengesteine ist ebenfalls anders: KREEP-Gestein findet sich bevorzugt auf der Vorderseite, auf der Rückseite ist es selten. Zudem belegt eine im Mai 2025 publizierte Studie eines Teams um Ryan Park vom kalifornischen Jet Propulsion Laboratory, dass der Mantel der Mondvorderseite verglichen mit seinem rückseitigen Pendant wärmer war und es bis heute ist.

Missionen zur Mondrückseite sollen diese Asymmetrie erklären. Qin Zhou von den Nationalen Astronomischen Observatorien in Peking und seine Kollegen untersuchten die Chang’e-6-Proben, um herauszufinden, ob der SPA-Einschlag zum Unterschied beider Mondseiten beigetragen hat. Ihre Studienobjekte: 16 winzige Basaltfragmente, vier davon hatten mit 30 Milligramm genügend Masse, um die Konzentration mehrere Isotope zu untersuchen. Die Resultate publizierten die Forscher im Juli 2025 in der angesehenen Fachzeitschrift nature. Es stellte sich heraus, dass die Proben extrem geringe Werte an Strontium und Neodym aufweisen; letzteres ist ein Metall aus der Gruppe der Seltenen Erden. Die Proben entstammen also einer Quelle aus dem Mondmantel, die in dieser Hinsicht sehr stark reduziert ist.

Ein Einschlag wirkt nach

Wie lässt sich das Untersuchungsergebnis deuten? Eine mögliche Erklärung ist, dass der Einschlag, der vor etwa 4,3 Milliarden Jahren das Südpol-Aitken-Becken formte, genügend Hitze erzeugte, um den Mantel teilweise aufzuschmelzen. Dabei wurden bestimmte Elemente aus den zurückgebliebenen festen Mineralien entfernt. Als diese Mantelquelle vor 2,8 Milliarden Jahren erneut aufschmolz, entstand die neodym- und strontiumarme Lava, die Chang’e 6 zur Erde gebracht hat.

Falls sich dieses Szenario erhärtet, wären die Konsequenzen weitreichend, kommentiert Stephen Elardo. Denn sowohl Merkur als auch Venus und Mars sind in ihrer Frühzeit von riesigen Himmelskörpern getroffen worden – ebenso die Erde. Der Einfluss solch gigantischer Einschläge auf die Entwicklung unseres Planeten ist bislang also womöglich von Geologen nicht genügend gewürdigt und ausgearbeitet worden. ■