„Black Beauty“ durchleuchtet: Neutronen finden Wasserstoff-Hotspots im Marsgestein

Der Mars ist heute eine kalte, trockene Staubwüste. Doch sein Gestein bewahrt Spuren einer wasserreichen Vergangenheit. Wo sich Spuren früherer Wasser-Gesteins-Reaktionen in uraltem Marsgestein konzentrieren, zeigt nun ein Forschungsprojekt: Mit einer Kombination aus Neutronen- und Röntgentomografie haben Forschende den berühmten Marsmeteoriten „Black Beauty“ dreidimensional durchleuchtet. Das Ergebnis: Im Inneren des uralten Gesteins konnten gezielt wasserstoffreiche Zonen lokalisiert werden, die wertvolle Einblicke in die frühe Geologie unseres Nachbarplaneten liefern.

Ein Fenster in die frühe Geschichte des Roten Planeten

Unter der wissenschaftlichen Bezeichnung NWA 7034 aufbewahrt, zählt „Black Beauty“ zu den wertvollsten Fundstücken der Planetenforschung. Der Meteorit ist eine sogenannte Brekzie – ein durch gewaltige Einschläge zusammengebackenes Gemenge aus Gesteinsbruchstücken unterschiedlichster Epochen. Einige dieser Fragmente enthalten Material, das bis zu 4,48 Milliarden Jahre alt ist und damit aus der Frühzeit der Marskruste stammt.

Ein internationales Forschungsteam aus Dänemark, Schweden und der Schweiz nahm den Meteoriten nun genauer unter die Lupe, um die räumliche Verteilung wasserstoffhaltiger Mineralphasen zu kartieren. Ihre Ergebnisse wurden im Fachjournal Geophysical Research Letters publiziert.

Wenn Neutronen durch dichten Stein blicken

Flüssiges Wasser befindet sich selbstverständlich nicht mehr in der Probe. Nachweisbar sind jedoch chemische Spuren: wasserstoffreiche Alterationsphasen, die durch frühere Wasser-Gesteins-Reaktionen entstanden sind. Als mögliche Prozesse diskutieren die Forschenden unter anderem hydrothermale Veränderungen und Verwitterung.

Bisherige Analysemethoden stießen hier schnell an Grenzen. Die klassische Röntgentomografie bildet Unterschiede in Dichte und Zusammensetzung des Gesteins gut ab, liefert bei leichtem Wasserstoff in einer dichten Gesteinsmatrix jedoch nur wenig Kontrast. An der Schweizer Spallations-Neutronenquelle SINQ des Paul Scherrer Instituts PSI nutzten die Forschenden daher die besondere Empfindlichkeit von Neutronen gegenüber Wasserstoff.

In den ursprünglichen Röntgendaten zeichneten sich vermeintliche Hohlräume im Gestein ab. Erst die Überlagerung mit der Neutronentomografie zeigte: Die vermeintlichen Löcher waren keineswegs leer, sondern enthielten wasserstoffhaltiges Material.

Konzentrierte Wasserstoff-Hotspots in uraltem Krustengestein

Welche Mineralphase den Wasserstoff hauptsächlich bindet, lässt sich bislang nicht eindeutig bestimmen. Zwar identifizierte das Team mittels Röntgenbeugungs-Computertomografie Minerale wie Magnetit beziehungsweise Maghemit, Ilmenit, Rutil und Feldspat, doch der Hauptträger des Wasserstoffs steckt vermutlich in einer extrem feinkörnigen, hydratisierten Phase – denkbar wären Eisen-Oxyhydroxide wie Goethit oder Ferrihydrit.

Bemerkenswert ist die Verteilung innerhalb des lediglich 12 × 8 × 2 mm großen Probenstücks:

• Räumliche Begrenzung: Die wasserstoffreichen Zonen machen nur rund 0,4 Vol.-% der untersuchten Probe aus.
• Hohe Konzentration: Durch die starke Anreicherung entfallen auf diese kleinen Zonen knapp 11 % des gesamten Wassergehalts von NWA 7034.
• Geologische Zuordnung: Die Strukturen befinden sich primär in den ältesten magmatischen Gesteinsfragmenten.

Die Lage der Hotspots in sehr alten Gesteinsfragmenten deutet darauf hin, dass Wasser bereits früh mit der Marskruste reagierte. Als mögliche Ursachen kommen unter anderem hydrothermale Veränderungen, frühe Verwitterungsprozesse sowie Bedingungen infrage, die durch vulkanische Aktivität oder Meteoriteneinschläge entstanden. Ähnliche hydratisierte Eisenminerale wies auch der NASA-Rover Perseverance im Jezero-Krater nach.

Zerstörungsfreie Analytik für künftige Mars-Proben

Über die Marsgeologie hinaus besitzt die Studie auch methodische Bedeutung für die Raumfahrt und Planetologie. Extrem seltene Proben – etwa künftig zur Erde gebrachtes Material vom Mars, vom Mond oder von Asteroiden – lassen sich mit solchen kombinierten Tomografieverfahren zunächst untersuchen, ohne sie direkt zu zerschneiden, zu zermahlen oder chemisch aufzulösen.

Wissenschaftler können vorab ein dreidimensionales Bild des Inneren erstellen und gezielt bestimmen, welche Bereiche für weitere Untersuchungen besonders interessant sind. Erst anschließend lassen sich dort beispielsweise Dünnschliffe anfertigen oder Material für chemische und isotopische Analysen entnehmen.

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