Eigenschaften von Kieserit relevant für Mars und Eismonde

Das Vorkommen des Minerals Kieserit, Magnesium-Sulfat-Monohydrat, und anderer wasser- haltiger Sulfate ist eine der aufregendsten Entdeckungen der wissenschaftlichen Anstrengun- gen der letzten Jahre, Genaueres über die Zusammensetzung extraterrestrischer Körper, wie der Marsoberfläche oder den Eismonden von Jupiter und Saturn (z.B. Ganymed und Europa), zu erfahren. Das auf der Erde eher unbedeutende Mineral Kieserit spielt eine wichtige Rolle für den Wasserhaushalt des Planeten Mars, und sein vermutetes Vorkommen im Inneren großer Eismonde könnte ein entscheidender Faktor für die Existenz von Ozeanen unter ihrer Eisoberfläche und damit verbundener Phänomene wie Kryo-Vulkanismus sein. Im aufreg- endsten Szenario könnten diese extraterrestrischen Ozeane sogar primitives außerirdisches Leben in unserem Sonnensystem erlauben. Zahlreiche Studien an diesen planetaren Objekten brachte eine Fülle von Erkenntnis- sen, aber unzählige Fragen blieben naturgemäß bisher offen, etliche davon Kieserit und ähnliche Sulfate betreffend. Neben dem kaum vorhandenen Wissen über die Stabilität von Kieserit in Abhängigkeit von Zusammensetzung, Temperatur und Druck, ist es das bisher ungelöste Rätsel einer vermutlichen zweiten, auf der Marsoberfläche vorherrschenden, aber strukturell ungeklärten Variante dieses Minerals, das einer eingehenden experimentellen Studie bedarf. Weitgehend unbekannt sind auch die Eigenschaften von Kieserit-Mischkris- tallen, in denen Mg zum Teil durch kosmochemisch höchst relevante und häufige Kationen wie Fe, Mn oder Ni ersetzt wird. Bei solchen Variationen der Zusammensetzung, aber auch der Temperatur und des Drucks wie sie auf extraterrestrischen Körpern zu erwarten sind, ändert sich die Kristallstruktur kontinuierlich oder auch schlagartig, und damit auch ihr spektrales Muster. Da solche spektroskopischen Daten von Raumsonden in Umlaufbahnen (tw. auch direkt von Rovern auf der Marsoberfläche) die Hauptinformationsquelle zu diesen Himmelkörpern darstellen, ist ein Vergleich mit entsprechenden im Labor hergestellten Verbindungen entscheidend für ein aussagekräftigeres Verständnis dieser spektralen Daten. Daher planen wir eine umfassende kristallographische und spektroskopische Studie an synthetischen Kieseritkristallen variabler Zusammensetzung mittels Infrarot- und Raman- Spektroskopie sowie Röntgenbeugungsmethoden. Um das Verhalten von Kieserit im Inneren großer Eismonde zu verstehen, werden Kristalle auch unter extremen Drucken in Diamant- stempelzellen untersucht. Die aus diesen Untersuchungen an kosmochemisch wichtigen Sulfat-Monohydraten hervorgehenden Daten und Ergebnisse sollen uns und der wissen- schaftlichen Gemeinschaft eine genauere Interpretation entsprechender Fernerkundungs- daten von Körpern unseres Sonnensystems ermöglichen, und im Speziellen zu einem tiefer gehenden Einblick in die astromineralogischen und kosmochemischen Prozesse führen, wie sie für den Mars und die Eismonde von Jupiter und Saturn von Bedeutung sind.

Das Vorkommen beachtlicher Mengen von wasserhaltigen sulfatischen Mineralen in unserem Sonnensystem, insbesondere (aber nicht nur) am Mars, wurde in mehreren Raumsonden- und Rover-Missionen der vergangenen vier Jahrzehnte erkundet und ist dadurch bereits fast zu Allgemeinwissen geworden. Diese Minerale spielen wichtige Rollen, vom Einfluss auf den Wasserkreislauf des Planeten Mars bis zum Vorkommen sulfatreicher Salzlösungen auf Eismonden von Jupiter und Saturn. Dort ermöglichen sie die Existenz von Ozeanen unter der Eisoberfläche, die möglicherweise sogar extraterrestrische Organismen beheimaten könnten, oder verursachen den sogenannten Kryovulkanismus: Geysire am Südpol des Saturnmondes Enceladus ermöglichen den kontinuierlichen Bestand der spektakulären Ringe des Saturn, die sie mit stets neuer Materie beliefern. Fernerkundungsspektren bieten derzeit die einzige Möglichkeit, großflächige Informationen zu Sulfatablagerungen auf anderen planetaren Körpern zu erhalten, vorausgesetzt sie basieren auf verlässlichen Daten über synthetische oder natürliche Mineralanaloga auf der Erde. Trotzdem ist unser Wissen über das genaue spektroskopische Verhalten, die Phasengrenzen und Kristallchemie vieler dieser Sulfate eher begrenzt, vor allem wenn kosmochemisch wichtige Übergangsmetallionen in ihre Strukturen eingebaut werden. In unserem Projekt haben wir uns auf eines dieser wichtigen Minerale konzentriert, nämlich auf das Magnesiumsulfatmonohydrat Kieserit, der häufig am Mars und möglicherweise auch auf den Eismonden von Jupiter und Saturn vorkommt. Anhand von synthetisch hergestellten Proben haben wir genaue Untersuchungen durchgeführt, wie der schrittweise Ersatz von Magnesium durch die Übergangsmetalle Eisen, Nickel, Mangan und Kobalt die Kieseritstruktur sowie die Lage der Absorptionsbanden in seinen Infrarot- und Ramanspektren beeinflusst, und haben jeweils enge lineare Korrelationen mit dem Chemismus aufgezeigt. Ebenso wurde der Einfluss von tiefen Temperaturen, wie sie auf der Marsoberfläche herrschen, auf die Spektren und Strukturen der Kieseritproben dokumentiert. Zudem haben wir einige Proben Drucken ausgesetzt, wie sie im Inneren der Eismonde vorliegen, und dabei zwei strukturelle Phasentransformationen entdeckt und charakterisiert, mit wichtigen Implikationen für weiterführende thermodynamische Überlegungen. Die im Rahmen dieses Projekts erzielten Erkenntnisse und detaillierten Daten stellen wichtige Bezugsnormen und Vergleichsquellen dar, die es Astronomen ermöglichen, künftige als auch schon vorhandene Fernerkundungsdaten vom Mars und anderen Himmelkörpern präziser zu evaluieren zu können. Mit einer zumindest ungefähren Information über die Temperatur während der Messung kann sogar quantitativ die Zusammensetzung des Kieserits abgeleitet werden. Dies ermöglicht eine chemische Kartierung Kieserit-haltiger Sulfatablagerungen auf dem Mars und anderswo im Sonnensystem, um mehr Einsicht über die Entstehung und Struktur solcher Vorkommen zu erhalten.