Was ein trockener Meteorit über Wasser auf dem Mars erzählt

Der Mars weist heute zwar vorwiegend Trockenheit auf, historische Messdaten von Raumsonden und Rovern belegen jedoch ein früheres Fließgewässersystem. Das Wasser ist in der Gegenwart primär als chemisch gebundener Wasserstoff in gesteinsbildenden Hydratmineralen vorhanden. Zur Rekonstruktion der frühzeitigen Umweltbedingungen und der differentiellen Habitationsfähigkeit des Planeten ist die Bestimmung von Verteilung, Konzentration und Alter dieser Phase entscheidend. Eine internationale Kollaboration (Dänemark, Schweden, Schweiz) analysierte hierzu den Marsmeteoriten NWA 7034 („Black Beauty“). Der 320 Gramm schwere Fundkörper aus der marokkanischen Sahara besteht aus bis zu 4,48 Milliarden Jahre altem Krustenmaterial und gehört zu den ältesten bekannten Regolith-Brekzien des Mars.

Methodische Restriktionen bisheriger Analytik

Frühere Untersuchungen von NWA 7034 nutzten thermische Extraktionsverfahren zur Quantifizierung des Gesamtwassergehalts oder untersuchten mikrometergroße Dünnschliffe mittels Mikroskopie. Diese Ansätze lieferten jedoch entweder ausschließlich summative Messwerte ohne Ortsauflösung oder blieben auf zweidimensionale, stark verengte Probenareale beschränkt. Eine präzise räumliche Kartierung der Sekundärminerale über das Gesamtvolumen der Probe war dadurch bisher unmöglich.

Kombinierte Neutronen- und Röntgentomografie als Lösungsansatz

Zur dreidimensionalen, zerstörungsfreien Materialcharakterisierung untersuchten die Forschenden ein 12 × 8 × 2 mm großes Fragment an der Schweizer Spallations-Neutronenquelle SINQ des Paul Scherrer Instituts (PSI). Die komplementäre Kombination aus Röntgentomografie und Neutronenbildgebung nutzt unterschiedliche Schwächungskoeffizienten: Während Röntgenstrahlung vorrangig an schwereren Elementen wie Silicon oder Eisen streut, zeigt die Neutronentomografie eine hohe Sensitivität gegenüber leichten Elementen, insbesondere Wasserstoff.
„Neutronen sind besonders empfindlich für Wasserstoff“, erklärt PSI-Wissenschaftler David Mannes, der zusammen mit Anders Kaestner die Messungen durchführte. „In Kombination mit der Röntgentomografie konnten wir damit nicht nur winzige hydratisierte Minerale nachweisen, sondern erstmals auch grössere, makroskopische Wasserstoffvorkommen sichtbar machen.“

In den Absorptionskontrasten der Röntgendaten fielen zunächst unbesetzte Volumina auf. „Als wir uns die Röntgentomografie des Meteoriten angeschaut hatten, sahen wir bereits viele grössere „Löcher“ im ansonsten dichten Gestein“, führt Anders Kaestner aus. „Erst mit der Neutronentomografie konnten wir schliesslich zeigen, dass diese Löcher nicht leer sind, sondern wasserstoffhaltiges Material enthalten.“

Heterogene Signalverteilung in der Regolith-Brekzie

Geologisch stellt „Black Beauty“ eine Polymikt-Brekzie dar, die durch mehrere Impaktereignisse aus unterschiedlichen Krustenschichten zusammengesetzt, teilweise aufgeschmolzen und komprimiert wurde. „In der Geologie sprechen wir von einer sogenannten Brekzie“, erklärt Marsgeologin Katrine Wulff Nikolajsen. „Ein Konstrukt, das aus Trümmern verschiedener geologischer Zeitabschnitte besteht und das wie mit einem Gesteinsbeton zusammengebacken wurde.“ Ein hochenergetischer Trennimpekt beförderte die Brekzie schließlich in den extraterrestrischen Raum.

Die tomografischen Rekonstruktionen belegen, dass die hydratisierten Phasen nicht homogen vorliegen, sondern als makroskopische Cluster angereichert sind. „Mit unseren beiden Analysemethoden stellten wir fest, dass die hydratisierten Spuren nicht homogen in der Probe verteilt sind, sondern als konzentrierte, makroskopische Hotspots auftreten“, betont Wulff Nikolajsen. „Diese Hotspots treten vor allem in uralten Gesteinsfragmenten auf – sie machen rund elf Prozent des gesamten Wassergehalts der untersuchten Probe aus.“

Implikationen für die Planetologie und zukünftige Sample-Return-Missionen

Das gehäufte Auftreten hydratisierter Minerale in den ältesten Matrix-Klasten belegt hydrothermale oder alterative Wasser-Gesteins-Reaktionen in der Verwitterungszone der frühen Marskruste, getrieben durch Vulkanismus oder Impakte. „Solche Prozesse beobachten wir auch auf der Erde“, ordnet Wulff Nikolajsen die Befunde ein.

Neben den planetologischen Erkenntnissen demonstriert die Studie die Anwendbarkeit der multimodalen Tomografie für extraterrestrisches Probenmaterial. Das Protokoll lässt sich auf größere Fragmente skalieren und steht für künftige Sample-Return-Missionen (z. B. Mars Sample Return) zur Verfügung. „Wir wären bereit“, ergänzt 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.“

Quelle

Paul Scherrer Institut (PSI) (08/2026)