Wasser nachweisen, wo heute keines mehr vorhanden ist: Neutronen- und Röntgentomografie machen es möglich. In einer internationalen Studie unter Beteiligung des Paul Scherrer Instituts PSI konnten Forschende makroskopische wasserstoffreiche Bereiche im Inneren eines Marsmeteoriten sichtbar machen. Die Resultate liefern Hinweise auf frühe Wasser-Gesteins-Reaktionen auf dem Mars.

Der rote Planet war nicht immer die staubige Wüste, als die er sich uns heute präsentiert. Unser Nachbar barg einst Wasser: Daten von Raumsonden und Rover-Messungen deuten darauf hin, dass es sogar an der Oberfläche floss – und heute vor allem als chemisch gebundener Wasserstoff in Mineralen im Gestein vorkommt.

Wie alt diese wasserstoffhaltigen Minerale sind und wo und in welcher Konzentration sie vorkommen, ist bislang jedoch nur teilweise verstanden. Dabei wären solche Details entscheidend, um die frühe Umwelt des Mars besser zu verstehen – und damit auch seine mögliche damalige Bewohnbarkeit.

In einer interdisziplinären Kollaboration ging ein Forschungsteam aus Dänemark, Schweden und der Schweiz dem Wasser auf dem Mars nach – nicht auf dem Mars selbst, sondern in einem Stück Marsgestein, das vor vielen Millionen Jahren auf die Erde geschleudert wurde: NWA 7034 – besser bekannt als «Black Beauty». Zwar enthält dieser Marsmeteorit kein flüssiges Wasser. Doch wenn Wasser mit Gestein reagiert, hinterlässt es chemische Spuren – etwa veränderte Eisenverbindungen oder hydratisierte Minerale. Genau solche Spuren wollten die Forschenden im Innern der Probe sichtbar machen.

Dafür kombinierte das Team zwei komplementäre bildgebende Verfahren: Neutronen- und Röntgentomografie. Die Neutronenmessungen fanden an der Schweizer Spallations-Neutronenquelle SINQ am PSI statt. «Neutronen sind besonders empfindlich für Wasserstoff», erklärt PSI-Wissenschaftler David Mannes, der zusammen mit Anders Kaestner die Neutronentomografie am PSI durchgeführt hat. «In Kombination mit der Röntgentomografie konnten wir damit nicht nur winzige hydratisierte Minerale nachweisen, sondern erstmals auch grössere, makroskopische Wasserstoffvorkommen sichtbar machen.»

Die wasserstoffreichen Signaturen finden sich in sehr altem Marsgestein und treten in klar abgrenzbaren, makroskopischen Bereichen auf. Daraus lässt sich folgern, dass Wasser bereits früh mit der noch jungen Marskruste reagierte. Über ihre Resultate berichten die Forschenden im Fachjournal Geophysical Research Letters.

Blick ins Innere der «Schwarzen Schönheit» – mit Neutronen

«Black Beauty» – die «schwarze Schönheit» – ist ein Stück vom roten Planeten, das einst vor langer Zeit durch einen Meteoriteneinschlag auf dem Mars ins All geschleudert wurde und nach langem Irrflug schliesslich in der marokkanischen Sahara niederging. Der rund 320 Gramm schwere Gesteinsbrocken enthält Material, das bis zu 4,48 Milliarden Jahre alt ist – und zählt damit zu den ältesten bekannten Fragmenten der Marskruste.

Bereits in früheren Studien wurde dieses begehrte Stück Stein aufwendig untersucht. Eine erste Abschätzung seines Wassergehalts erfolgte durch kontrolliertes Erhitzen des Meteoriten und der Analyse des dabei freigesetzten Wassers. In späteren Arbeiten untersuchten Forschende mikrometergrosse Dünnschliffe unter dem Mikroskop, um die Mineralogie von «Black Beauty» im Detail zu erfassen. All diese Studien kamen zu einem ähnlichen Schluss: «Black Beauty» ist voller Wasser – zumindest voller Spuren davon.

Das Problem solcher Untersuchungen war jedoch, dass sie entweder nur quantitative Aussagen zum Gesamtwassergehalt lieferten oder sich bloss auf kleine, lokale Bereiche im Gestein beschränkten. Ein Bild über die räumliche Verteilung der hydratisierten Minerale im gesamten Meteoriten ergab sich daraus nicht.

Genau hier setzt die neue Studie an: Das internationale Team kombinierte erstmals Neutronen- und Röntgentomografie, um einen zusammenhängenden Abschnitt des Meteoriten dreidimensional und zerstörungsfrei zu durchleuchten. «Der 12 x 8 x 2 Millimeter grosse Abschnitt von «Black Beauty» kam via Paketdienst von Kopenhagen in die Schweiz», erinnert sich Anders Kaestner schmunzelnd. «Hier platzierten wir die Probe in unserer Strahllinie und rekonstruierten mithilfe von Neutronen dessen Inneres.»

Zwei Methoden – ein Gesamtbild

Röntgen kennen wir alle aus dem Krankenhaus: Es funktioniert im Prinzip wie ein Schattenwurf. Strahlung tritt in ein Objekt ein, wird je nach Material unterschiedlich abgeschwächt oder gestreut, tritt auf der anderen Seite wieder aus und wird detektiert – so entsteht ein zweidimensionales Bild des Inneren. Die Tomografie geht noch einen Schritt weiter: Dabei wird das Objekt in der Strahlung um 360 Grad gedreht, sodass sich sein Inneres vollständig dreidimensional und zerstörungsfrei darstellen lässt.

Röntgenstrahlen eignen sich besonders gut, um die Verteilung schwererer Elemente wie Silizium oder Eisen sichtbar zu machen. Leichte Elemente wie Wasserstoff liefern dagegen in dichtem Gestein kaum Kontrast. «Als wir uns die Röntgentomografie des Meteoriten angeschaut hatten, sahen wir bereits viele grössere «Löcher» im ansonsten dichten Gestein», sagt Anders Kaestner. «Erst mit der Neutronentomografie konnten wir schliesslich zeigen, dass diese Löcher nicht leer sind, sondern wasserstoffhaltiges Material enthalten.»

Die Zeitkapsel aus der Marskruste

Um diese Wasserstoffsignaturen zu verstehen, muss man sie zuerst in einen geologischen Kontext setzen: Bei «Black Beauty» handelt es sich nämlich nicht um ein simples, homogenes Gesteinsstück, sondern um ein buntes Patchwork aus sehr alten Krustenfragmenten. «In der Geologie sprechen wir von einer sogenannten Brekzie», erklärt Marsgeologin Katrine Wulff Nikolajsen von der Universität Kopenhagen, die als Mitautorin und Marsexpertin an der Studie beteiligt war. «Ein Konstrukt, das aus Trümmern verschiedener geologischer Zeitabschnitte besteht und das wie mit einem Gesteinsbeton zusammengebacken wurde.»

Die komplexe Komposition von «Black Beauty» ist auf mehrere gewaltige Meteoriteneinschläge auf dem roten Planeten zurückzuführen. «Bei solchen Ereignissen wird enorm viel Energie ins System eingebracht», sagt Wulff. «Gestein aus verschiedenen Schichten wird aufgewühlt, zerbrochen, teilweise aufgeschmolzen und neu vermischt.» Ein finaler Einschlag versorgte die Brekzie schliesslich mit so viel Energie, dass sie das Gravitationsfeld des Mars überwinden und ihre Reise zur Erde antreten konnte.

Was als «Black Beauty» in der marokkanischen Sahara niederging, ist also eine Art geologische Zeitkapsel, die Material aus unterschiedlichen Epochen der Marskruste enthält – darunter die ältesten uns bekannten Gesteinsproben vom roten Planeten. «Mit unseren beiden Analysemethoden stellten wir fest, dass die hydratisierten Spuren nicht homogen in der Probe verteilt sind, sondern als konzentrierte, makroskopische Hotspots auftreten», so die Geologin. «Diese Hotspots treten vor allem in uralten Gesteinsfragmenten auf – sie machen rund elf Prozent des gesamten Wassergehalts der untersuchten Probe aus.»

Daraus lässt sich schliessen, dass Wasser bereits sehr früh in der Geschichte des roten Planeten vorhanden gewesen sein muss. Durch energiereiche geologische Prozesse – etwa vulkanische Aktivität oder Impaktereignisse – könnte dieses Wasser mit dem Gestein reagiert und in Form hydratisierter Minerale konserviert worden sein. «Solche Prozesse beobachten wir auch auf der Erde», sagt Wulff.

Die Studie liefert damit nicht nur neue Einblicke in die frühe Marsgeschichte, sondern auch einen methodischen Durchbruch: Erstmals lässt sich Wasserstoff in Marsgestein dreidimensional und zerstörungsfrei kartieren. Zwar wurde nur ein 12 x 8 x 2 Millimeter grosser Abschnitt untersucht, doch das Verfahren liesse sich auch auf grössere Proben anwenden – und könnte künftig eine wichtige Rolle spielen, wenn Gesteinsproben von Marsmissionen oder anderen Himmelskörpern zur Erde zurückgebracht werden.

«Wir wären bereit», sagt David Mannes. «Am PSI verfügen wir über die komplette Infrastruktur – von der Neutronentomografie an der Schweizer Spallations-Neutronenquelle SINQ bis zur hochauflösenden Röntgentomografie an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS.»