Der mysteriöse Wasserkreislauf des Mondes

Seit Jahren arbeiten Wissenschaftler daran, den Geheimnissen des Mondwassers auf die Spur zu kommen. Jetzt bestätigen zwei neue Studien, die in „Nature Astronomy“ veröffentlicht wurden, dass sich praktisch überall auf der Mondoberfläche Wasser finden lässt.

Eine der Studien berichtet über den ersten eindeutigen Nachweis von Wassermolekülen, die auf den sonnigen Bereichen der Oberfläche an den Sandkörnern des Mondbodens haften oder darin eingeschlossen sind. Die zweite Studie modellierte kleine Zonen auf dem Mond, die dauerhaft im Schatten liegen. Dabei kam heraus, dass etwa 40.000 Quadratkilometer – ein Gebiet, das etwa doppelt so groß ist wie Sachsen-Anhalt – kalt genug sind, um Eis zu beherbergen. Das sind etwa 20 Prozent mehr als ursprünglich angenommen.

Die Wissenschaftler untersuchten, in welchen Formen das Wasser auf der Mondoberfläche vorkommt und wo es sich befindet. Dadurch hoffen sie, den geheimnisvollen Wasserkreislauf des Mondes besser verstehen zu können. Anders als auf der Erde, wo Wasser in Flüssen und Niederschlägen zirkuliert, könnte die Wasserbildung auf dem Mond exotischer ablaufen: beispielsweise durch Wasserstoff im Sonnenwind, der mit Sauerstoff auf der Oberfläche reagiert, oder durch eisige Meteoriten, die auf dem Mond einschlagen. Mondwasser könnte auch aus sonnigen Regionen in schattige Zonen wandern.

Aber die genauen Bewegungen dieses Wassers und der mögliche Übergang von sonnigen in schattige Zonen bleiben rätselhaft. „Wir haben noch viel Arbeit vor uns, bis wir verstehen, ob beides überhaupt zusammenhängt“, sagt Jessica Sunshine, eine Planetenwissenschaftlerin an der Universität von Maryland, die keinem der beiden Studienteams angehörte. Aber die neue Forschung „deutet auf einen viel komplexeren Prozess hin, als wir bisher dachten“.

Diese Arbeit ist auch für zukünftige Menschen, die zum Mond oder noch weiter fliegen, von entscheidender Bedeutung. Dazu gehören auch die bevorstehenden Artemis-Mission der NASA, die die erste Frau und den nächsten Mann auf den Mond bringen sollen. Wenn tatsächlich brauchbare Mengen von Wasser und Eis vorhanden sind, könnte es möglich sein, diese Ressource abzubauen, um sie in Treibstoff umzuwandeln. So könnte man die Last verringern, die zukünftige Raumfahrer bei ihren Unternehmungen jenseits der Erde mitführen müssen.

Die neuen Einsichten in das Mondwasser sind Teil des sich langsam wandelnden Images unseres Begleiters am Himmel. Einst hielt man den Mond für eine öde, ausgetrocknete Landschaft. Allerdings entpuppt er sich zunehmend als dynamische Welt, die über komplexe Quellen für viele Formen von Wasser verfügt.

„Es war eine langsame Revolution“, sagt Paul Hayne, ein Planetenforscher an der Universität von Colorado Boulder und Hauptautor der Studie zu den Schattenzonen. „Aber es war eine Revolution.“

Eine Welt voller Wasser

Der Mond ist eine Welt extremer Hitze und Kälte. Die Tagestemperaturen in der Nähe des Mondäquators können auf sengende 121 °C ansteigen, während sie in der Nacht auf bis zu frostigen minus -133 °C fallen. Und ohne eine dicke Schutzatmosphäre kann verdampftes Wasser schnell in den Weltraum entweichen.

Doch zur Freude der Wissenschaftler scheinen schwache Spuren von Wasser auf der sonnenbeschienenen Mondoberfläche zu verbleiben. Instrumente auf drei Raumschiffen bestätigten die 2009 verkündete Entdeckung, aber es gab einen Haken: Die Analyse konnte den Unterschied zwischen Wasser und Hydroxyl nicht feststellen.

Die Forscher suchten im Infrarotbereich nach Signaturen von Wasser auf der Mondoberfläche. Ähnlich wie sichtbares Licht, das durch ein Prisma aufgespalten wird, „hat auch Infrarot seinen eigenen Regenbogen, auch wenn wir ihn nicht sehen können“, sagt Casey Honniball, eine Postdoc-Forscherin am Goddard Space Flight Center der NASA und Hauptautorin der Studie über die Wassermoleküle. Diese früheren Analysen konzentrierten sich auf einen Teil des Infrarotspektrums, in dem sowohl Wasser als auch Hydroxyl leuchten. Durch die Wahl eines anderen Abschnitts des Spektrums konnten Honniball und ihre Kollegen schließlich das H2O ausmachen.

Fotos der NASA: Erde und Mond aus der Sicht von Raumsonden

„Ich weiß ehrlich gesagt nicht, warum nicht schon früher jemand darauf gekommen ist – es ist eine brillante Idee“, sagt Sunshine, die 2009 an den Entdeckungen von Wassersignalen auf dem Mond gearbeitet hat.

Für die neue Studie sammelten Honniball und ihre Kollegen 2018 Daten während eines Fluges von SOFIA (Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy). Das Infrarot-Teleskop ist auf einem Jumbo-Jet montiert. Einige Monate später verarbeitete Honniball die Daten von ihrer Couch aus, als das Wassersignal erschien. „Ich glaube, ich habe geschrien“, sagt sie.

Zwar ist Wasser vorhanden, aber es ist wahrscheinlich knapp: Seine Konzentration beträgt wohl nur etwa 350 Gramm pro Kubikmeter Mondboden. Das ist hundertmal trockener als die Sahara, stellt Honniball fest. Allerdings betont sie, dass mehr Arbeit erforderlich ist, um die Wasserkonzentrationen zu überprüfen. Die aktuellen Schätzungen basieren schließlich nur auf einer einzigen, zeitlich und lokal begrenzten Beobachtung.

Aber für Sunshine es ist eine lang erwartete Bestätigung. „Es ist sehr befriedigend“, sagt sie. „Ich bin sehr dankbar, dass sie die Arbeit auf sich genommen haben.“

Eis in den Mondschatten

Die zweite Studie konzentrierte sich auf die schattigen Bereiche der Mondoberfläche. Wissenschaftler vermuteten schon länger, dass in dauerhaft schattigen Gebieten Wasser in gewaltigen Kratern als Eis vorhanden sein könnte. Das wurde im Oktober 2009 bestätigt, als die NASA einen Teil der LCROSS-Raumsonde in einem schattigen Gebiet in der Nähe des Mondsüdpols abstürzen ließ. In der Einschlagwolke entdeckte sie Anzeichen von Eis.

Forscher haben diese großen frostigen Regionen seither kartiert. Doch nachdem das neue Studienteam hochauflösende Bilder der Mondoberfläche vom Lunar Reconnaissance Orbiter der NASA betrachtet hatte, erkannte es, dass schattige Eiszonen selbst in sehr kleinen Gebieten häufiger vorkommen könnten als gedacht. Jedes Mal, wenn sie die Bilder vergrößerten, sahen sie mehr davon: „Es reicht bis ganz nach unten in die Schatten“, sagt Hayne.

Mit Hilfe von Temperatur- und Schattenmodellen des Mondes fand das Team heraus, dass sich Eis sogar in winzigen Bereichen von der Größe einer Ameise bilden kann. Diese winzigen Schatten können genauso kalt sein wie ihre größeren Pendants, stellt Hayne fest. Die Atmosphäre des Mondes ist so dünn, dass sie die Oberflächentemperaturen nicht ausgleicht, sodass ein kochender Hotspot direkt neben einem eiskalten Gebiet liegen kann.

Die neue Forschung legt nahe, dass die Fläche, die von kalten, schattigen Zonen bedeckt ist, etwa 20 Prozent größer ist als zuvor geschätzt. Wenn all diese Zonen voller Frost sind, entspräche die Menge an Eis mehreren Milliarden Kilogramm Wasser, sagt Hayne. Aber wie viele dieser Zonen tatsächlich Eis enthalten, ist immer noch eine offene Frage.

Meteoriten und Mond-Missionen der Zukunft

Gemeinsam könnten die Studien den Wissenschaftlern helfen, die Funktionsweise des lunaren Wasserkreislaufs zu verstehen. Das Wasser auf dem Mond stammt aus einigen wenigen verschiedenen Quellen. Teils könnte es mit Meteoriten, die mit der Oberfläche kollidieren, auf den Mond gelangen. Ein Teil des Wassers entsteht wahrscheinlich auch, wenn Wasserstoff aus dem Sonnenwind mit Oberflächensauerstoff reagiert und Hydroxyl bildet. Die Wärme der Sonne oder die Einschläge von Mikrometeoriten könnten Hydroxylmoleküle zur Kollision bringen, die daraufhin H2O bilden, erklärt Honniball.

Die Hitze von Einschlagobjekten wie Mikrometeoriten könnte zudem auch einen Teil der Felsoberfläche schmelzen und jegliches Wasser in der Nähe verdampfen lassen. Wenn die Schmelze zu Glas abkühlt, könnte sie die Wasserdämpfe einschließen – und das könnte der Grund für das wässrige Signal sein, das Honniball und ihr Team entdeckt haben.

Doch wie und wo genau sich das Wasser auf der Oberfläche bewegt, bleibt unbekannt. Meteoriten könnten einen kleinen Teil der Flüssigkeit von der Oberfläche freisetzen. Auch die Sonne könnte bei der Bewegung des Wassers eine Rolle spielen, da das Signal für Wasser und Hydroxyl schwächer wird, wenn die Hitze des Mondtags ihren Höhepunkt erreicht, sagt Sunshine. „Aber geht es wirklich verloren oder migriert es in irgendeine Schattenzone?“, fragt sie. „Diese kleinen Kältefallen könnten uns helfen, das zu verstehen.“

Wissenschaftler müssen noch viel über das Mondwasser lernen, aber einige Antworten sind vielleicht schon auf dem Weg: Für das Jahr 2022 plant die NASA, den Volatiles Investigating Polar Exploration Rover (VIPER) zum Südpol des Mondes zu schicken, um nach Wassereis zu suchen. Weitere Hinweise sollten vom Lunar Compact Infrared Imaging System (L-CIRIS) kommen, das ebenfalls für eine Mission im Jahr 2022 vorgesehen ist, sagt Hayne.

Wissenschaftler spekulieren mindestens seit den Sechzigern über das Vorhandensein von Wasser auf dem Mond. Aber in den kommenden Jahren sollten wir endlich ein vollständiges Bild davon entwickeln, wo sich das Mondwasser versteckt – und ob künftige Forscher es nutzen können.

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