Forscher erzeugen auf der Erde „Mineral“ aus einer fremden Welt

Die Entdeckung hilft Wissenschaftlern dabei, sich ein besseres Bild von der bizarren Oberfläche des Saturnmonds Titan zu machen.Montag, 9. Dezember 2019

Morgan Cable bastelt Miniaturen fremdartiger Umweltsysteme: Sie kann einen See von der Größe eines Shotglases bauen, zarte Regentröpfchen fallen lassen und die wundersam bizarre Oberfläche des Saturnmonds Titan auf der Erde nachbauen. Auf dieser fernen Welt liegen die Temperaturen bei etwa -180 °C und Flüsse aus flüssigem Methan und Ethan fräsen Täler in eine gefrorene Eislandschaft.

„Auf gewisse Weise können wir den Titan hier im Labor berühren – auch wenn er Millionen Kilometer weit weg ist“, sagt Cable. Die Wissenschaftlerin gehört zur Astrobiology and Oceans Worlds Group am Jet Propulsion Laboratory der NASA.

Die Forscher arbeiten zwar schon seit Jahren mit diesen Miniaturwelten, aber das jüngste Mini-Modell des Titan ist dennoch etwas Besonderes: Durch eine neue Mischtechnik stellten sie aus Ethin und Butan ein zuvor unbekanntes „Mineral“ her. Die Substanz fällt streng genommen nicht unter die allgemeine Definition eines Minerals, da noch die Bestätigung dafür fehlt, dass sie auch natürlich vorkommt. Technisch gesehen handelt es sich derzeit also noch um einen Cokristall.

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Wahrscheinlich kann die ungewöhnliche Substanz auf der Erde nicht auf natürliche Weise entstehen. Auf der kohlenwasserstoffhaltigen Oberfläche des Titan könnte sie allerdings reichlich vorhanden sein, wie die Forscher im Fachmagazin „ACS Earth and Space Chemistry“ berichten. Falls dem so ist, würde die Entdeckung neue Möglichkeiten offenbaren, um die Evolution und Umwelt dieses spannenden Monds zu erforschen. Dazu zählt auch sein mögliches Potenzial, Leben zu beherbergen, wie wir es von der Erde nicht kennen.

„Wir hatten darauf gehofft, dass damit was Interessantes passieren würde“, sagt Cable über das Experiment.

Mixparty im Labor

Vor einigen Jahren lasen Cable und ihre Kollegen von seltsamen Formationen rund um die berühmten Kohlenwasserstoffseen des Titan. Daten der NASA-Sonde Cassini deuteten darauf hin, dass eine mysteriöse Substanz zurückbleibt, wenn die Seen austrocknen. Das Team fragte sich, aus was diese Überreste wohl bestehen könnten.

Als sie über die möglichen Erklärungen rätselten, einigten sie sich darauf, mit der am schlechtesten lösbaren Substanz in den Methan- und Ethanseen des Titan zu beginnen. Sie zielten zunächst also auf Benzol und Ethan ab, die sich ähnlich schlecht vermischen lassen wie Öl und Wasser. Wenn die Flüssigkeit eines Sees verdampfen sollte, so schlussfolgerten sie, würde auf jeden Fall Benzol zurückbleiben.

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Unter Laborbedingungen bildeten sich dann tatsächlich Kristalle aus den beiden Substanzen. Um mehr über das Material zu erfahren, schoss das Team Laser auf die Kristalle und zeichnete auf, welche Lichtanteile zurückgeworfen wurden. Diese Methode wird als Raman-Spektroskopie bezeichnet. Sie kann Informationen über die Interaktionen zwischen Molekülen und den Charakter ihr chemischen Bindungen liefern.

„Einer meiner Kollegen sah sich das Spektrum an und sagte dann: Hm, das ist seltsam“, erinnert sich Cable. Es schien, als würde ich das Benzol rund um die Ethanmoleküle in ungewöhnlichen organischen Kristallstrukturen arrangieren. Die optimistischen Ergebnisse veranlassten das Team dann dazu, weitere Substanzen vom Titan zu kombinieren, um herauszufinden, was sich daraus noch alles formen würde.

Für ihre jüngste Forschung nutzten sie zwei Substanzen, die auf der Oberfläche des Mondes reichlich vorhanden sind: Ethin und Butan. Beide Verbindungen sind bei Zimmertemperatur und Normaldruck gasförmig. Deshalb pumpten die Forscher die beiden Gase in eine kleine Gefrierkammer mit einem gekühlten Objektträger. Dort kondensierten sie und arrangierten sich zu den neu entdeckten Cokristallen.

Das Team war neugierig, wie stabil die seltsame Substanz unter den Bedingungen sein würde, die auf der Titanoberfläche herrschen. Die Antwort: ziemlich stabil. Sie ließen flüssiges Ethan auf die Cokristalle tropfen, wie es beispielsweise bei Regenschauern auf dem Titan passieren könnte, aber die Kristalle behielten ihre feste Form.

Mission Dragonfly auf Mikrobensuche

Mit der Entdeckung beginnt für Baptiste Journaux von der University of Washington ein neues Kapitel des komplexen Verständnisses fremder Welten. Journaux selbst war an der Studie nicht beteiligt.

„Man kann die Erde nicht verstehen, wenn man ihre chemische und mineralische Vielfalt nicht berücksichtigt“, sagt er.  „Dann kann man nicht begreifen, warum es Berge gibt, warum es Vulkane gibt, warum es verschiedene Arten von Kruste gibt oder warum es zur Mantelkonvektion kommt.“

Das Gleiche gilt für andere Planeten und Monde. Besonders der Titan scheint der Erde im Hinblick auf seine komplexe Umwelt sehr zu ähneln. Rund um den Äquator türmen sich sanfte Dünen auf. Eisige „Kiesel“ liegen auf seinen Ebenen verstreut. Seen und Meere bedecken seine Oberfläche. Am Rande der Seen kann sich sogar Schaum bilden. Aber die chemischen Prozesse auf dem Titan unterscheiden sich deutlich von denen der Erde, denn auf dem Saturnmond wehen toxische organische Verbindungen durch die Atmosphäre.

Wenn das neu entdeckte Mineral tatsächlich auf dem Titan vorkommt, könnte seine Erzeugung im Labor dabei helfen, Einblick in die Entstehung und Eigenschaften der landschaftlichen Merkmale des Monds zu erhalten. Außerdem können ethinfressende Mikroben von der Erde Energie aus der organischen Verbindung gewinnen. Das mutmaßliche Titanmineral könnte also eine konzentrierte Energiequelle für außerirdische Mikroben sein – auch wenn jegliche Erwähnung von Leben auf dem Titan reine Spekulation ist. Journaux, der zum NASA-Institut für Astrobiologie gehört, warnt davor, zu schnell auf eventuelle Bewohner zu schließen, nur weil eine Umgebung lebensfreundlich erscheint.

„Ich finde die Arbeit sehr spannend, das ist ziemlich cooles Zeug“, sagt Martin Rahm, ein Professor für theoretische Chemie an der schwedischen Chalmers University of Technology. „Anscheinend gibt es aktuell ein paar Leute, die solche Arbeit machen, und ich vermute, dass es noch etliche Cokristalle zu entdecken gibt.“

Eventuell werden Forscher schon bald mehr erfahren: Die NASA-Mission Dragonfly soll 2034 auf dem Titan landen. Bis dahin will das Team weiterhin verschiedene Mischungen der Titanverbindungen erforschen. In Zukunft werden sie eventuell auch komplexere Kombinationen aus drei organischen Substanzen untersuchen. Außerdem wollen sie mehr über die Eigenschaften dieser seltsamen Cokristalle herausfinden – und eventuell irgendwann vorhersagen können, wann sie in der Natur entstehen.

„So weit sind wir noch nicht“, sagt Cable. „Aktuell haben wir noch zu viel Spaß dabei, im Labor alle möglichen Sachen zu mixen und zu gucken, was passiert.“

Der Artikel wurde ursprünglich in englischer Sprache auf NationalGeographic.com veröffentlicht.

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