Warum Wissenschaftler von der Luft in den Mars-Probenröhrchen der NASA fasziniert sind

Versteckt mit jeder Gesteins- und Bodenprobe, die von NASADer Rover Perseverance ist ein potenzieller Segen für Atmosphärenforscher.

Die Ausdauer der NASA Mars Rover sammelt auf dem Mars Proben, darunter Gesteinskerne und atmosphärische Gase, die schließlich zur Erde zurückgebracht werden sollen. Diese Proben könnten wichtige Erkenntnisse über die Marsatmosphäre und ihre Entwicklung liefern und möglicherweise die Existenz von mikrobiellem Leben vor Milliarden von Jahren nachweisen. Insbesondere die Gasproben könnten wertvolle Daten über Spurengase und das Klima des Planeten in der Antike liefern, Parallelen zur atmosphärischen Geschichte der Erde ziehen und künftigen bemannten Missionen zum Mars helfen.

Mars-Probensammlung

Mit jedem Gesteinskern, den der Marsrover Perseverance der NASA in seinen Titanprobenröhrchen versiegelt, werden die Atmosphärenforscher ein wenig aufgeregter. Diese Proben werden gesammelt, um sie im Rahmen der Mars Sample Return-Kampagne schließlich zur Erde zu bringen. Bisher wurden 24 Proben entnommen.

Die meisten dieser Proben bestehen aus Gesteinskernen oder Regolith (gebrochenes Gestein und Staub), die wichtige Informationen über die Geschichte des Planeten liefern und darüber, ob vor Milliarden von Jahren mikrobielles Leben vorhanden war. Einige Wissenschaftler sind jedoch ebenso begeistert von der Aussicht, den „Kopfraum“ oder die Luft in dem zusätzlichen Raum um das Gesteinsmaterial in den Röhren zu untersuchen.

Sie möchten mehr über die Marsatmosphäre erfahren, die hauptsächlich aus Kohlendioxid besteht, aber auch Spuren anderer Gase enthalten könnte, die möglicherweise seit der Entstehung des Planeten vorhanden waren.

Dieses Bild zeigt einen Gesteinskern von der Größe eines Stücks Kreide in einem Probenröhrchen im Bohrer des Marsrovers Perseverance der NASA. Sobald der Rover das Röhrchen versiegelt, wird Luft in dem zusätzlichen Raum im Röhrchen eingeschlossen – hier zu sehen in der kleinen Lücke (genannt „Kopfraum“) über dem Gestein. Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech/ASU/MSSS

Erkenntnisse aus dem Martian Headspace

„Die Luftproben vom Mars würden uns nicht nur etwas über das aktuelle Klima und die Atmosphäre verraten, sondern auch, wie sie sich im Laufe der Zeit verändert haben“, sagte Brandi Carrier, eine Planetenforscherin am Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA in Südkalifornien. „Sie werden uns helfen zu verstehen, wie sich Klimata entwickeln, die sich von unserem eigenen unterscheiden.“

Zu den Proben, die zur Erde gebracht werden könnten, gehört ein Rohr, das ausschließlich mit Gas gefüllt ist, das als Teil eines Probendepots auf der Marsoberfläche abgelagert wurde. Ein weitaus größerer Teil des Gases in der Sammlung des Rovers befindet sich jedoch im Freiraum von Gesteinsproben. Diese sind einzigartig, da das Gas jahrelang mit dem Gesteinsmaterial in den Rohren interagieren wird, bevor die Proben geöffnet und in Laboren auf der Erde analysiert werden können. Was die Wissenschaftler aus ihnen gewinnen, wird Aufschluss darüber geben, wie viel Wasserdampf in der Nähe der Marsoberfläche schwebt, ein Faktor, der bestimmt, warum sich Eis an den Stellen auf dem Planeten bildet, an denen es sich bildet, und wie sich der Wasserkreislauf des Mars im Laufe der Zeit entwickelt hat.

Hier ist ein versiegeltes Röhrchen mit einer Probe der Marsoberfläche zu sehen, die vom Marsrover Perseverance der NASA gesammelt wurde, nachdem es zusammen mit anderen Röhrchen in einem „Probendepot“ abgelegt wurde. Andere gefüllte Probenröhrchen werden im Rover aufbewahrt. Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech

Vergleich von Spurengasen und Atmosphären früherer Zeiten

Wissenschaftler wollen auch die Spurengase in der Marsluft besser verstehen. Am wissenschaftlich spannendsten wäre die Entdeckung von Edelgasen (wie Neon, Argon und Xenon), die so reaktionsträge sind, dass sie seit ihrer Entstehung vor Milliarden von Jahren unverändert in der Atmosphäre vorhanden sein könnten. Wenn diese Gase entdeckt würden, könnten sie Aufschluss darüber geben, ob der Mars ursprünglich eine Atmosphäre hatte. (Der Mars in der Antike hatte eine viel dichtere Atmosphäre als heute, aber Wissenschaftler sind sich nicht sicher, ob sie schon immer da war oder sich später entwickelt hat.) Es gibt auch große Fragen dazu, wie die Atmosphäre des Planeten in der Antike im Vergleich zu der der frühen Erde aussah.

Der Headspace würde außerdem die Möglichkeit bieten, die Größe und Toxizität von Staubpartikeln zu beurteilen – Informationen, die zukünftigen Astronauten auf dem Mars helfen würden.

„Die Gasproben haben für Marsforscher viel zu bieten“, sagte Justin Simon, Geochemiker am Johnson Space Center der NASA in Houston. Er gehört zu einer Gruppe von über einem Dutzend internationaler Experten, die mitentscheiden, welche Proben der Rover sammeln soll. „Selbst Wissenschaftler, die den Mars nicht erforschen, wären daran interessiert, weil es Licht auf die Entstehung und Entwicklung von Planeten werfen wird.“

Apollos Luftproben

Im Jahr 2021 untersuchte eine Gruppe von Planetenforschern, darunter Wissenschaftler der NASA, die Luft, die die Astronauten von Apollo 17 etwa 50 Jahre zuvor in einem Stahlcontainer vom Mond mitgebracht hatten.

„Die Leute denken, der Mond sei luftlos, aber er hat eine sehr dünne Atmosphäre, die im Laufe der Zeit mit den Gesteinen auf der Mondoberfläche interagiert“, sagte Simon, der bei Johnson verschiedene Planetenproben untersucht. „Dazu gehören Edelgase, die aus dem Inneren des Mondes austreten und sich auf der Mondoberfläche sammeln.“

Labortechniken für die Gasanalyse

Die Art und Weise, wie Simons Team das Gas für die Untersuchung extrahierte, ähnelte dem, was mit den Luftproben von Perseverance gemacht werden könnte. Zunächst legten sie den zuvor ungeöffneten Behälter in einen luftdichten Behälter. Dann durchbohrten sie den Stahl mit einer Nadel, um das Gas in eine Kältefalle zu extrahieren – im Wesentlichen ein U-förmiges Rohr, das in eine Flüssigkeit wie Stickstoff mit einem niedrigen Gefrierpunkt hineinragt. Durch Veränderung der Temperatur der Flüssigkeit fingen die Wissenschaftler einige der Gase mit niedrigerem Gefrierpunkt am Boden der Kältefalle ein.

„Es gibt vielleicht 25 Labore auf der Welt, die Gas auf diese Weise manipulieren“, sagte Simon. Dieser Ansatz werde nicht nur zur Erforschung der Herkunft planetarer Materialien eingesetzt, sondern könne auch auf Gase aus heißen Quellen und solche angewendet werden, die von den Wänden aktiver Vulkane ausgestoßen werden, fügte er hinzu.

Natürlich liefern diese Quellen viel mehr Gas, als Perseverance in seinen Probenröhrchen hat. Aber wenn ein einzelnes Röhrchen nicht genug Gas für ein bestimmtes Experiment enthält, könnten Marsforscher Gase aus mehreren Röhrchen kombinieren, um eine größere Gesamtprobe zu erhalten – ein weiterer Weg, auf dem der Freiraum zusätzliche Möglichkeiten für die Wissenschaft bietet.

Der Marsrover Perseverance der NASA

Der Rover Perseverance der NASA, Teil der Mars-2020-Mission, ist ein hochentwickeltes mobiles Labor zur Erforschung der Marsoberfläche. Perseverance startete am 30. Juli 2020 und landete am 18. Februar 2021 im Jezero-Krater auf dem Mars. Seine Hauptaufgabe besteht darin, nach Spuren urzeitlichen Lebens zu suchen und Gesteins- und Regolithproben (zerbrochenes Gestein und Erde) für eine mögliche Rückkehr zur Erde zu sammeln.