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von Ansgar Grimberg
Doktorand am Institut für Isotopengeologie und Rohstoffe der ETH Zürich
Was bedeutet die unsanfte Landung der NASA Sonde Genesis für die Wissenschaft? Können die hochgesteckten Ziele des Genesis-Teams immer noch erreicht werden oder sind die Gerüchte um den Fehlschlag der Mission zutreffend. Ein kleiner Einblick hinter die Kulissen soll den Schleier der Pressemitteilungen etwas lüften.
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Es ist Mittwoch Abend, der 8. September 2004 um 17.00 Uhr. Im Institut für Isotopengeologie der ETH Zürich schaut man gebannt auf die Live-Übertragung der NASA. In einer Stunde wird die Raumsonde Genesis nach ihrer langen Reise auf der Erde zurück erwartet. Der Lohn für viele Experimente und langes Warten ist in greifbare Nähe gerückt. Neben den Institutsangehörigen befindet sich unter anderem auch ein Schweizer TV-Team unter den Anwesenden. Die Stimmung ist ausgelassen und gutgelaunt werden Interviews über das bevorstehende Landemanöver, die Versuche im Vorfeld oder die zu erwartenden Ergebnisse geführt. Und es ist 17.52, als die ersten Bilder einer nur unscharf zu erkennenden, stark trudelnden Sonde die Stimmung um 180 Grad drehen. Die weiteren Aufnahmen zeigen die Kapsel, zur Hälfte in den Erdboden gerammt, aufgeplatzt aber in scheinbar passablem Zustand (Abb. 1). Nun ist es Gewissheit dass Genesis ohne Bremsfallschirm "gelandet" und das schlimmste Szenario Wirklichkeit geworden ist. Die nächsten Wochen erweisen sich als harte Probe für einen Optimismus, der sich über die letzten 2½ Jahre perfekter Mission aufgebaut hat. Der Informationsfluss durch die NASA erfolgt sehr schleppend, da sich das Entfernen der einzelnen Proben aus der Kapsel als enorm schwierig erweist.
Das Ziel der Genesis Mission ist, hoch präzise Daten über die chemische Zusammensetzung und die Isotopie, also das Verhältnis der einzelnen Isotope und deren Anzahl eines Elements, des Sonnenwindes zu gewinnen. Dabei soll eine Genauigkeit von Absolutmengen verschiedener Isotope erreicht werden, die eine Lösung planetarwissenschaftlicher Probleme erlaubt. Weiter erhofft man sich grosse Fortschritte für das Verständnis der chemischen Zusammensetzung des gesamten Sonnensystems. Ein weiterer Punkt ist die individuelle Beprobung dreier unterschiedlicher Sonnenwindgeschwindigkeiten und die Möglichkeit, solares Material für zukünftige wissenschaftliche Projekte zu Verfügung zu stellen. Diese Daten würden es zudem erlauben, Aussagen über die Beschaffenheit des ursprünglichen solaren Nebels und die Bildung der Planeten aus diesem zu treffen. Ein Vorhaben, welches für das Grundverständnis unseres Sonnensystems von grösster Wichtigkeit ist.
Der Aufgabe, die Element- und Isotopenzusammensetzung der Sonne zu bestimmen, hat man sich im Laufe der letzten Jahrzehnte mehrfach gestellt. Neben den direkten Beobachtungen der Photosphäre (die ca. 400 km dicke Emissionsschicht, der das sichtbare Licht der Sonne entstammt und die man mit der für Menschen sichtbaren Sonnenscheibe assoziiert) über Absorptionslinien (D/H, He, CO und Li) gab es bereits direkte und indirekte Messungen des Sonnenwindes. Dies sind im wesentlichen:
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Diesen Daten verdanken wir ein recht konkretes Bild der solaren Zusammensetzung. Man vermutet, das die Photosphäre ausser für He die nahezu unveränderte Isotopie des solaren Nebels besitzt. Modelle zeigen, dass diese isotopische Zusammensetzung nur durch gravitatives Absinken der Elemente aus der äusseren Konvektionszone in den tiefer liegenden Gürtel verändert worden sein kann. Weiter kennt man die koronale Herkunft des Sonnenwindes und weiss um dessen Variabilität bezogen auf Geschwindigkeit und Isotopie. Jedoch haben viele der oben beschriebenen Experimente neben Antworten zu liefern ebenso viele Fragen aufgeworfen. Welche Unterschiede weisen die verschiedenen Regime des Sonnenwindes für bestimmte Elemente auf? Was ist der exakte Aufbau der Sonne und wie ist die solare Zusammensetzung, die als Referenz für die Diskussion planetarer Materie unerlässlich ist. Die Beantwortung dieser Fragen und die eindeutige Interpretation der Daten liessen die teilweise recht grossen Messunsicherheiten häufig nicht zu (Abb. 2). Die Gründe hierfür liegen auf der Hand. Onboard Messungen durch die Satelliten ISEE-3, Ulysses, WIND, ACE und SOHO sind durch die Präzision ihrer Messgeräte eingeschränkt. Diese müssen kompakt sein und leicht gebaut, sowie ein breites Elementspektrum abdecken können. Diese technische Gratwanderung geht häufig auf Kosten der Messgenauigkeit. Das Problem der SWC und LSCRE Experimente hingegen basiert auf der sehr kurzen Expositionszeit der Kollektorfolien von maximal 45 Stunden (Apollo 16). Die Akkumulation der Sonnenwind-Ionen in den Folien ist zwar ausreichend für die Messung der He- und auch Ne-Isotope, die neben Wasserstoff (~95%) die häufigsten Isotope im Sonnenwind darstellen. Die Genauigkeit der Bestimmung der schwereren Isotope sinkt jedoch rapide aufgrund der geringen Anzahl implantierter Ionen. Ein gänzlich anderes Problem weisen Meteorite bzw. Regolithe vom Mond auf. Sie wurden über Jahrmillionen vom Sonnenwind bestrahlt, was sie prinzipiell für die Bestimmung schwerer und somit seltener Elemente auszeichnen würde. Jedoch erschwert bei diesen extrem langen Expositionszeiten Diffusion bevorzugter Isotope aus der Oberfläche der Gesteine die Interpretation der Daten. Zudem führt die sog. Spallation (die Kollision eines Atomkerns mit einem Neutron, Proton, einem anderen Kern oder einem Elementarteilchen) durch die Bildung sekundärer Isotope (wie z.B. 3He oder 21Ne) ebenfalls zu einer Verschiebung der Isotopenverhältnisse. Diese Probleme will man bei Genesis umgehen. Mit 27 Monaten Bestrahlungsdauer werden die meisten Elemente ausreichend in den Kollektormaterialien angereichert. Für störende Spallations- oder Diffusionseffekte dürfte die Expositionszeit zu kurz sein. Und die Tatsache, die Analyse der Proben auf der Erde durchführen zu können, an für jedes Element eigens konzipierten Messgeräten, verspricht eine bisher unerreichte Genauigkeit.
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Die Arbeitsgruppe um Prof. Rainer Wieler der Isotopengeologie der ETH Zürich ist seit mehr als 4 Jahren mit Materialtests und Kalibrierungsexperimenten im Bezug auf Genesis beschäftigt. Als Kollektormaterial verwenden wir mit Gold bedampften Stahl sowie eine komplizierte, glasähnliche Metalllegierung auf Zirkoniumbasis, die extra für die Genesis-Mission angefertigt wurde (Abb. 3). Dies sind zwei von 15 verschiedenen Materialien, die auf Genesis dem Sonnwind exponiert wurden. In aufwendigen Bestrahlungstests werden in Zusammenarbeit mit dem Weltraumphysikalischen Institut der Universität Bern Edelgase künstlich in beide Materialien implantiert. Anschliessende Messungen der bestrahlten Proben an Massenspektrometern in Zürich erlauben die Bestimmung einer möglichen selektiven An- bzw. Abreicherung einzelner Isotope eines Elements (Fraktionierung), deren Ursache unterschiedlichste Gründe haben kann und sich in einer Verschiebung der Isotopenverhältnisse ausdrückt. Zudem kann so das materialspezifische Rückhaltevermögen erfasst werden. Je nach Masse des Kollektoratoms variiert die Grösse seines Atomkerns. Trifft nun ein Projektil, im Sonnenwind also ein Ion, auf den Atomkern eines Kollektors, prallt das Ion am Kern ab und wird zurückgestossen. In manchen Fällen verlässt es das Kollektormaterial und geht somit unwiederbringlich verloren. Das Verhältnis zwischen eingefangenen und abgeprallten Ionen ist für jedes Kollektormaterial spezifisch und hängt zudem von der Masse des Projektils und dessen Energie ab. Ein Beispiel: Beschiesst man Aluminium mit 4He-Ionen bei einer Projektilgeschwindigkeit von 400 km/s (3.3 keV/Ladung), so prallen ca. 8% der He-Ionen an Atomkernen des Aluminiums ab (Abb. 4). Bei 20Ne hingegen verlassen bei gleicher Geschwindigkeit (allerdings 16.6 keV/Ladung) weniger als 1% der Ne-Ionen den Al-Kollektor. Dieses spezifische Rückhaltevermögen bedingt eine Fraktionierung der Isotope, die für jedes Element unterschiedlich ist.
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Die Extraktion der Edelgase aus den Kollektoren erfolgt im Anschluss an die Implantation auf zweierlei Weise. Für die Bestimmung der undifferenzierten Edelgasisotopie, also dem gesamten Edelgasgehalt einer Probe, werden die Proben in einem Ofen bei max. 1800°C oder mit einem Infrarotlaser vollständig geschmolzen. Um jedoch unterschiedliche Eindringtiefen der Ionen zu differenzieren, die von der Energie des Projektils abhängig sind, rastert man die Oberfläche mit einem UV-Laser ab oder ätzt die Proben Schicht für Schicht an. Letzteres Verfahren ist sehr aufwendig, da dieser Vorgang, wie alle anderen Extraktionsverfahren auch, im Ultrahochvakuum bei ca. 10-9 mbar erfolgt. Dieses an der ETH entwickelte und derzeit einmalige Ätzverfahren erlaubt es jedoch, einzelne Monolagen des Kollektormaterials zu lösen und so schrittweise das implantierte Gas freizusetzen. Hintergrund für den Einsatz derartig aufwendiger Verfahren ist die Existenz der sog. solaren energiereichen Teilchen (solar energetic particle, kurz SEP). Ihre Energie ist verglichen mit der Energie des Sonnenwindes um Grössenordnungen höher. Während die Protonenenergie des Sonnenwindes zwischen 0.5-3.0 keV liegt, was einer Geschwindigkeit von ca. 300-800 km/s entspricht, reicht die Protonenenergie der SEP von 10 keV bis über 10 GeV (Abb. 5). Die daraus resultierende unterschiedliche Eindringtiefe zwischen dem eigentlichen Sonnenwind und der energiereicheren SEP-Komponente ermöglicht die Bestimmung der verschiedenen Isotopensignale. Bei einer maximalen Implantationstiefe der SEP von 500 µm ist allerdings eine Auflösung im sub-µm Bereich von Nöten, was bisher nur durch den Einsatz der Aetztechnik erreicht wird.
Neben den Edelgasisotopen konzentrieren sich andere internationale Teams vorrangig auf Sauerstoff- und Stickstoffisotope, die eine Schlüsselrolle bei den verschiedenen Modellen zur planetaren Entwicklung aus dem solaren Nebel spielen. Für sie wurde eigens ein Konzentrator entwickelt, der nach dem Prinzip eines Parabolspiegels arbeitet. Die Ionen werden elektrostatisch auf Kollektoren in der Mitte des Parabolspiegels fokussiert und so um das 20-fache angereichert.
Die Bilder der stark beschädigten Kapsel gingen um die ganze Welt und liessen Schlimmes vermuten. Die bisherige "Bergung" der Proben durch die Mitarbeiter des Genesis-Teams, die wahrscheinlich noch bis Mitte Oktober in Utah andauern wird, hat jedoch Licht ins Dunkel der Spekulationen gebracht. Bis auf sehr wenige Exemplare sind alle Kollektoren, die als Hexagone auf 5 verschiedenen Trägern angebracht waren, bei dem Einschlag zerbrochen. Die Bruchstücke reichen dabei von Staubkorngrösse bis zu mehreren cm2-messenden Scherben (Abb. 6). Die Kollektoren des Konzentrators sowie das metallische Glas sind erstaunlicher Weise heil geblieben. Dies grenzt fast an ein Wunder, schaut man sich die Fotos der völlig zerbrochenen Kapsel an, die mit 320 km/h in den Boden raste. Es zeigt, wie gut die Mission durch das Genesis-Team vorbereitet und die Sonde entworfen wurde.
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Aber was bedeutet das nun für die Auswertung der Proben und den wissenschaftlichen Wert der Mission? Diese Frage kann nicht pauschal für alle Experimente beantwortet werden. Es ist sicher, das viele der Proben ausgewertet werden können. Die Tatsache, das quasi alle Kollektoren zerbrochen sind, ist für die meisten Experimente weniger von Bedeutung. Bei den Sonnenwind-"Teilchen", wie sie so oft genannt werden, handelt es sich nicht um Staub oder sonstige Partikel die einfach so verloren gehen können. Es sind Ionen, die fest in den Kollektoren stecken, wenn auch nur in einer sehr dünnen, obersten Schicht. Für bestimmte Experimente ist allerdings eine Kontamination der Kollektoren durch das beim Einschlag in die Kapsel gelangte Bodenmaterial problematisch. Im Vergleich zu den Genesis-Proben enthält der Wüstensand zum Beispiel Sauerstoff und Stickstoff im Überfluss. Ob und mit welchem Erfolg eine Reinigung der Kollektoren möglich ist, kann an dieser Stelle noch nicht gesagt werden. Für die Edelgase spielt eine Kontamination durch terrestrisches Material hingegen kaum eine Rolle. Die Gase sind zu stark im Sonnenwind vertreten, als dass der terrestrische Beitrag ins Gewicht fallen könnte.
Sollten jedoch die Oberfläche der Kollektoren zu stark zerkratzt oder gar abgetragen sein, wäre dies ein Problem für jedes Experiment. Da die schwersten Ionen des Sonnenwindes (exklusive SEP) maximal 1 µm tief im Material stecken, ist die Wahrscheinlichkeit gross, durch eine Zerstörung der Oberfläche die Element- und Isotopenverhältnisse zu verschieben. Hier müssen Oberflächenuntersuchungen mit hochauflösenden Mikroskopen (z.B. Sekundär-Elektronen-Mikroskopie, kurz SEM) zeigen, ob die Kollektoren für Untersuchungszwecke geeignet sind oder nicht.
Erste Stücke eine Kollektorfolie, die auf der Innenseite der Kapselabdeckung angebracht war, sind bereits zu Nishizumi Kunihiko gesandt worden, dem Genesis Co-Investigator vom Space Sciences Laboratory der University of California in Berkeley. Alle weitern Kollektoren und Kollektorbruchstücke werden in den nächsten zwei Wochen zum Johnson Space Center nach Houston transportiert.
Die Genesis-Mission wird nach dem heutigen Stand der Dinge ihren Anforderungen gerecht werden und dürfte die meisten der gesteckten Ziele erreichen. Sie als Fehlschlag zu beurteilen ist demnach weitestgehend verfrüht und falsch. Genesis hat Material des Sonnenwindes auf die Erde gebracht, welches zum ersten mal in einer grösseren Distanz als der des Mondes aufgefangen wurde. Dies allein ist schon ein enormer Erfolg. Das Versagen der Bremsfallschirme, dessen Ursache derzeit von einem Expertenkomitee bei Lockheed Martin untersucht wird, kann nach Ansicht des Autors nicht als Flop der NASA bezeichnet werden. Das gleiche System setzte die Rover sicher und ohne Probleme auf dem Mars ab. Es liegt nun an den Wissenschaftlern, das Maximum an Informationen aus den Proben zu gewinnen.
Ansgar Grimberg
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