Enträtselung des mysteriösen "LH-Kieserits" am Mars

Die Erforschung unseres Sonnensystems gehört zu den derzeit aufregendsten Unternehmungen der Menschheit. Zu den verschiedenen Strategien diesem Ziel näher zu kommen zählen die Erkundung anderer Planeten und ihrer Monde, nicht nur um ihre Topographie sondern auch die Verteilung und Art dort vorkommender Gesteine und Minerale zu erforschen, welche uns Einblick in deren Entstehung und die damit zusammenhängenden Prozesse gewähren. In dieser Hinsicht ist das erwiesene Vorkommen hydratisierter Sulfatminerale von großer Bedeutung. Diese enthalten nicht nur beachtliche Mengen an chemisch gebundenem Wasser, sondern sind Teil des lokalen Wasserkreislaufs und können überdies den flüssigen Zustand unter den üblichen Gefrierpunkt erweitern und damit ein mögliches Habitat für einfache Lebensformen darstellen. Auf den Eismonden von Jupiter und Saturn tragen Sulfate beispielsweise zur Existenz von flüssigen Ozeanen unter deren Eisoberflächen bei. Am Mars speichern diese Minerale große Mengen an Wasser und bilden einen Teil des planetaren Wasserkreislaufs. Es ist daher von größter Bedeutung, die Natur dieser Sulfate auf dem jeweiligen Himmelskörper zu enträtseln und deren Eigenschaften im Labor zu untersuchen. Im Rahmen eines kürzlich beendeten Projekts konnten wir nun Hinweise über die potentielle Anwesenheit einer bisher übersehenen Gruppe von Magnesium-Sulfat-Mineralen, summarisch MHSH abgekürzt, einschließlich des mysteriösen LH-Kieserits, im Sonnensystem entdecken. Deren Eigenschaften variieren sowohl mit ihrem Wassergehalt als auch mit chemischen Elementen, die Magnesium zum Teil ersetzen, und bewirken Änderungen ihres spektralen und chemischen Verhaltens. Könnten wir MHSH auf der Erde künstlich herstellen und seine variierenden Eigenschaften im Labor genau charakterisieren, würden diese Daten bei der Auswertung von Messungen auf anderen Planeten äußerst wertvoll sein Messungen, die bisher nur als Reflexionsspektren von Satelliten oder direkt durch aktuelle Rover-Missionen, wie im Fall des Planeten Mars, zugänglich sind. Somit läßt sich die erklärte Mission unseres Forschungsprojekts wie folgt zusammenfassen: 1) die provisorische Synthesemethode für MHSH und die Variation seiner Zusammensetzung entsprechend den Erwartungen für Planeten und Monde zu verfeinern; 2) die spektroskopischen und kristallographischen Eigenschaften als Funktion der chemischen Zusammensetzung detailliert zu untersuchen und zu dokumentieren, und zwar mittels Infrarot- und Raman-Spektroskopie sowie Röntgenbeugung; und 3) diese Experimente auch bei tiefen Temperaturen und hohen Drücken durchzuführen, wie sie für die Oberfläche bzw. das Innere von Himmelskörpern unseres Sonnensystems relevant sind. Die so erzielten Ergebnisse werden als Bezugswerte für den Vergleich mit Daten vom Mars oder den Eismonden dienen und uns ermöglichen, sogar die chemische Zusammensetzung von Proben der Planetenoberfläche aus gesendeten Infrarot- oder Raman- Spektren abzuleiten.

Die Erforschung der wahren Natur des 'low-humidity-Kieserits' am Mars Die Erforschung der Himmelskörper in unserem Sonnensystem zählt zu den spannendsten Unternehmungen der Menschheit. Aufgrund seiner Erd-Ähnlichkeit und seiner hohen Bewohnbarkeitsindizes ist der Mars derzeit eines der Hauptziele internationaler Forschungs-bemühungen. Mit Hilfe von Spektrometern via Satellit und in-situ Probenahme durch Mars-Rover werden die Verteilung und Beschaffenheit der lokalen Gesteine und Minerale untersucht, um mehr über ihre Entstehungsgeschichte und die dabei ablaufenden Prozesse zu erfahren. Besonders das Vorkommen von hydratisierten Sulfatmineralen am Mars zieht seit ihrer Entdeckung durch die Viking-Lander im Jahr 1976 die Aufmerksamkeit der Wissenschaft auf sich. Seitdem haben viele Studien das Vorhandensein zahlreicher sulfatreicher Regionen nicht nur auf der Marsoberfläche, sondern auch auf den Eismonden von Jupiter und Saturn bestätigt. Diese Sulfate, darunter das Mineral Kieserit, MgSO4H2O, enthalten erhebliche Mengen an chemisch gebundenem Wasser und sind ein wichtiger Bestandteil des Wasserkreislaufs auf dem Mars. In einer wässrigen Lösung stabilisieren sie die flüssige Phase unterhalb ihres üblichen Gefrierpunkts, und tragen so dazu bei, einen flüssigen Ozean unter der Oberfläche der Eismonde von Jupiter und Saturn aufrechtzuerhalten, der ein potenzieller Lebensraum für primitive außerirdische Lebensformen sein könnte. Es ist daher von größter Bedeutung, die wahre Natur der auf diesen Himmelskörpern vorkommenden Sulfate zu entschlüsseln und die strukturellen, spektroskopischen und chemischen Eigenschaften ihrer synthetischen Gegenstücke im Labor auf der Erde genau zu untersuchen. In unserem Projekt haben wir eine bisher kaum beachtete Gruppe von hydratisierten Magnesiumsulfat-Mineralen, abgekürzt 'MHSH', synthetisiert und untersucht. Ihre Eigenschaften ändern sich in Abhängigkeit von ihrem stark variablen Wassergehalt, was wiederum zu Änderungen im Spektrum und im chemischen Verhalten führt. Unsere Untersuchungen an mehr als 100 Vertretern dieser Gruppe hat auch gezeigt, dass das mysteriöse Marsmineral 'low-humidity-Kieserit' ('LH-Kieserit') - eine Phase, über die seit fast 20 Jahren kontrovers diskutiert wird - tatsächlich ein Mitglied dieser 'MHSH'-Gruppe ist. Während der zuvor erwähnte 'reguläre' Kieserit, MgSO4H2O (der in einem vorangegangenen Projekt untersucht wurde), den teilweisen oder sogar vollständigen Ersatz von Mg durch kosmochemisch relevante Übergangsmetallkationen wie Fe, Ni, Mn oder Co zulässt, nehmen Verbindungen der 'MHSH'-Gruppe offenbar keine anderen Kationen auf (außer Zn). Stattdessen ergaben Syntheseversuche, bei denen Mg durch Fe ersetzt werden sollte, die Phase FeSO4OH als Nebenprodukt. In Zusammenarbeit mit der NASA und dem SETI-Institut konnten wir zeigen, dass dessen spektraler Fingerabdruck mit gewissen spektralen Daten vom Mars übereinstimmt, die bis dahin keinem bekannten Mineral zugeordnet werden konnten. Aus den Ergebnissen des vorliegenden FWF-Projekts schließen wir daher, dass 1) 'MHSH'-Verbindungen aufgrund ihres variablen Wassergehalts eine wichtige Rolle in den sulfatreichen Gebieten am Mars spielen dürften, 2) das umstrittene und bislang recht mysteriöse Marsmineral 'LH-Kieserit' in Wahrheit zur 'MHSH'-Gruppe gehört und 3) FeSO4OH ein wichtiges Mineral auf dem Mars darstellt, das bislang auf der Erde noch nicht gefunden wurde.