Die Oberflächen von Mond und Merkur: Zerstäubungsexperimente und Simulationen

Wegen der Nähe zur Sonne oder der geringen Größe konnten Merkur und der Mond ihre ausgegasten ursprünglichen Atmosphären nicht beibehalten. Nur dünne kollisionslose Exosphären umgeben diese Himmelskörper. In der Exosphäre von Merkur wurden bis jetzt eine Anzahl unterschiedlicher Elemente wie H, He, O, Na, Ca, Mg und K entdeckt. Ihre addierte Dichte entspricht einem Oberflächendruck, der um zwei Größenordnungen unterhalb der Obergrenze des Exosphärendrucks von 10-10 mbar liegt. Aus diesem Grund kann man davon ausgehen, dass weitere bis jetzt nicht beobachtete Elemente in der Merkurexosphäre existieren. Die lunare Exosphäre besteht hautsächlich aus volatilen Gasen mit einem kleinen Beitrag von refraktären Elementen aus Mineralien. Sowohl auf Merkur als auch auf dem Mond lassen sich die meisten refraktären Teilchen in der Exosphäre auf den Aufprall von energetischen Ionen (aus dem Sonnenwind und dem Plasma der Magnetosphäre) auf die Oberfläche zurückführen. Angesichts der hohen Energie führt dieser Aufprall zu Ionenimplantation und Zerstäubung von Teilchen, die zuvor fester Bestandteil der Oberfläche waren. In unserem Forschungsprojekt werden wir das erste Mal solche Zerstäubungsexperimente im Labor an realistischem Analogmaterial für Mond- und Merkurmineralien durchführen. Anhand dieser Experimente und theoretischen Studien wird man besser verstehen, wie sich Exosphären um atmosphärenlose Himmelskörper bilden können. Die Experimente dienen auch für Vorarbeiten der Merkurmission BepiColombo (ESA) und für die Verbesserung von Messinstrumenten für zukünftige Mondmissionen (Luna Missionen von Roskosmos). Die Resultate dieser Experimente grenzen die Eingabeparametervon theoretischen Modellenwie Porosität, thermische Eigenschaften, Bindungsenergien von abgelösten Mineralien und Absorption von energiereichen Teilchen genauer ein. Außerdem erlauben die Experimente, Veränderungen einer planetaren Oberfläche und Erosion durch Ionenwechselwirkung zu untersuchen. Dieses Wissen ist auch für das Verständnis der Planetenentstehung wesentlich, da erdähnliche Planeten aus dem Zusammenschluss aus kleineren, mond- oder merkurähnlichen Planetesimalen entstanden sind.

Das vom FWF und SNSF geförderte Projekt " Die Oberflächen von Mond und Merkur: ein experimenteller und numerischer Ansatz zum Ionensputtern" hatte zum Ziel, zu verstehen, wie die Oberflächen von Mond und Merkur durch die Weltraumverwitterung beeinflusst werden, die durch die solare (Ionen-)Strahlung (den sogenannten Sonnenwind) verursacht wird. Diese beiden Himmelskörper verfügen über keine schützende Atmosphäre, so dass sich ihre Oberflächen im Laufe der Zeit durch Strahlung und die Bildung extrem dünner Atmosphären (sog. Exosphären) aus emittierten Oberflächenpartikeln verändern. Im Rahmen des Projekts wurden Experimente durchgeführt, bei denen Materialien, die Mond- und Merkurmineralien ähneln, in einem Labor der Ionenbestrahlung ausgesetzt wurden. Die bei diesen Experimenten beobachteten Effekte wurden dann in Computersimulationen nachgebildet. Das Projekt war eine Zusammenarbeit zwischen der TU Wien und der Universität Bern. Die beiden Projektleiter waren Univ.Prof. Dr. Friedrich Aumayr von der TU Wien und Priv.Doz. Dr. Andre Galli von der Universität Bern. An dem Projekt waren zwei Doktoranden beteiligt, Herbert Biber von der TU Wien und Noah Jäggi von der Universität Bern. Die fünf großen Ziele des Projekts: 1. Herstellung von dünnen Mineralfilmen, die Mond- und Merkuroberflächen ähneln, und Messung ihrer Zerstäubung unter Ionenbestrahlung. 2. Herstellung von Mineralpellets und deren Bestrahlung mit Ionen, um die Zerstäubungs-Ausbeute zu messen. 3. Quantifizierung der Bedeutung der potentiellen Zerstäubung. 4. Interpretation der Ergebnisse und Vergleich mit den Ergebnissen von Simulationscodes. 5. Einordnung der experimentellen Ergebnisse und der Simulationsergebnisse in den Kontext der Weltraumforschung. wurden erreicht und übertroffen. Mehr als 10 Arbeiten wurden bereits in führenden astrophysikalischen, planetarischen und oberflächenwissenschaftlichen Fachzeitschriften veröffentlicht, und eine abschließende Arbeit über die Erosion von Mondgestein (Regolith) und seine Auswirkungen auf die lunare Exosphäre ist derzeit in Vorbereitung. Trotz Beeinträchtigungen durch die COVID-19-Pandemie (Zugang zum Labor und eingeschränkte Möglichkeiten zur internationalen Zusammenarbeit) wurden im Rahmen des Projekts sehr wichtige Meilensteine erreicht, darunter die Bestimmung der experimentellen Sputterausbeute und der Winkelverteilungen der zerstäubten Oberflächen-Teilchen für verschiedene Mineralien und Ionenarten, sowie die Entwicklung neuer Codes zur Vorhersage dieser Werte. Aufgrund der erfolgreichen Demonstration unserer einzigartigen Messtechnik konnte die NASA davon überzeugt werden, 2,4 g wertvollen "echten Mondstaub" (Lunar regolith) von der Apollo-16-Landestelle auf dem Mond für unsere Experimente zur Verfügung zu stellen. Die Ergebnisse dieses Projekts haben weitreichende Auswirkungen auf das Verständnis der Oberflächen von Himmelskörpern wie Mond und Merkur und tragen somit zu einer verbesserten Modellierung von Planetenoberflächen und Exosphären bei.