Der Einfluss des Sonnenwinds auf den Mond wird überschätzt

Obwohl der Mond keine dichte Lufthülle wie die Erde besitzt, umgibt ihn eine äußerst feine Schicht aus Gas – die sogenannte Exosphäre. Diese besteht aus wenigen, sehr weit auseinanderliegenden Atomen und Molekülen. Jahrzehnte war jedoch unklar, wie genau diese Exosphäre des Mondes eigentlich entsteht. Zwei Prozesse wurden bisher als wahrscheinlichste Erklärungsansätze betrachtet: Entweder stammen die Teilchen aus dem Einschlag winziger Mikrometeoriten, oder sie werden durch die Wechselwirkung der Mondoberfläche mit dem Sonnenwind aus dem Gestein gelöst. Verlässliche Messdaten zum tatsächlichen Beitrag des Sonnenwinds fehlten bislang jedoch.

Forschende beschäftigen sich seit Jahren weltweit mit diesem Thema. Nun gibt es erstmals neue Erkenntnisse. Im Fokus der Untersuchungen stand die Wirkung der geladenen Teilchen, die die Sonne fortwährend ins All schleudert. Diese als Sonnenwind bezeichneten Ionen sind in der Lage, Atome aus den oberen Gesteinsschichten des Mondes herauszuschlagen, was – wie oben beschrieben – zur Entstehung der Exosphäre führt. Bislang ging die Wissenschaft davon aus, dass dieser Vorgang, die sogenannte Sputtererosion, einen erheblichen Anteil an der Exosphäre des Mondes hat. Ein interdisziplinäres Forschungsteam unter Leitung der TU Wien hat mit neuen Methoden jedoch erstmals schlüssig zeigen können, dass dieser Effekt in bisherigen Modellen signifikant überschätzt wurde.

Exosphäre des Mondes: Forschung mit Original-Gestein

Zu diesen Ergebnissen kamen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der TU Wien dank einiger Experimente mit echtem Mondgestein. Das wurde im Rahmen der Apollo-16-Mission gesammelt. „Der Mond hat keine dichte Atmosphäre wie die Erde – aber um ihn herum existiert eine extrem dünne Exosphäre, in der sich einzelne Atome und Moleküle befinden“, erklärt Friedrich Aumayr, Professor am Institut für Angewandte Physik. Die Herkunft dieser Teilchen allerdings ist nach wie vor ein Rätsel und laut Aumayr „eine der zentralen Fragen der Mondforschung“. Ein Team der TU Wien setzte nun eine eigens entwickelte Quarz-Mikrowaage ein, mit der sich exakt messen ließ, wie viel Masse das Mondgestein unter Beschuss mit Ionen verliert. Parallel dazu erfolgten umfangreiche 3D-Simulationen, die erstmals die tatsächliche Struktur der porösen Mondoberfläche in die Berechnungen einbezogen.

Die Analyse enthüllte einen entscheidenden Unterschied zu früheren Annahmen: Der sogenannte Regolith – die lockere, staubartige Oberfläche des Mondes – bremst den Sonnenwind stärker aus als erwartet. Die geladenen Teilchen können in die kleinen Hohlräume des Regoliths eindringen und ihre Energie dort abgeben, da sie mit den Hohlräumen kollidieren. Das sorgt dafür, dass die Effizienz des Herauslösens von Teilchen deutlich sinkt. Zugleich gelangen weniger Atome in die Exosphäre des Mondes, als bisher in Modellen angenommen wurde.

Welche Rolle spielen Mikrometeoriten bei der Exosphäre des Mondes?

Frühere Modelle hatten die Sputter-Effekte des Sonnenwinds als wichtigsten Faktor für die Exosphäre des Mondes angenommen. Die neuen Experimente belegen jetzt: Die Erosionsrate durch den Sonnenwind wurde bislang erheblich überschätzt. Kernursache ist die rau strukturierte und poröse Beschaffenheit der Mondoberfläche. Darüber hinaus bestätigen die aktuellen Ergebnisse, dass auch Mikrometeoriten eine maßgebliche Rolle spielen: Sie sind nach neuesten Erkenntnissen sogar die Hauptquelle der Teilchen in der Exosphäre.

Ein kürzlich publiziertes isotopenchemisches Analyseverfahren belegte bereits, dass Mikrometeoriten langfristig deutlich mehr Teilchen aus der Oberfläche des Mondes lösen als der Sonnenwind. „Unsere Studie liefert die ersten realistischen, experimentell abgesicherten Sputter-Werte für echtes Mondgestein“, bilanziert Aumayr. Damit klärt sich auch ein wissenschaftlicher Widerspruch: Zwei bislang konkurrierende Theorien zur Herkunft der Exosphäre des Mondes lassen sich nun miteinander in Einklang bringen.

Relevanz der Exosphäre des Mondes für künftige Weltraummissionen

Diese neuen Erkenntnisse kommen zur rechten Zeit, da die Erforschung des Mondes vor einem neuen Kapitel steht. Mit der anstehenden Artemis-Mission der NASA rückt die bemannte Erkundung des Mondes erneut in den Fokus. Auch die ESA-JAXA-Mission BepiColombo, die zum Merkur startet, soll in den nächsten Jahren vergleichbare Daten zu dessen Exosphäre liefern. Für die Auswertung der künftigen Messungen ist es zentral, die zugrunde liegenden Prozesse der Erosion – wie die Wirkung des Sonnenwinds und der Mikrometeoriten – präzise zu verstehen.