Suche nach den ältesten Gesteinen im Sonnensystem

Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) hat den Universitäten Köln und Bonn 1,2 Millionen Euro für den Kauf eines hochpräzisen Massenspektrometers bewilligt. Mit dem Gerät werden die Mineralogen unter anderem nach der ältesten Materie im Sonnensystem fahnden. In einem neuen Bonn-Kölner Labor für Isotopengeochemie wollen sie auch Mondgestein unter die Lupe nehmen.

Vor 14,7 Millionen Jahren hagelte es im heutigen Tschechien grünes Glas. Kurz zuvor war in Süddeutschland ein riesiger Meteorit eingeschlagen. Dabei hatte er einen Krater von 23 Kilometern Durchmesser gerissen: Das Nördlinger Ries. Das Projektil verdampfte, mit ihm einige Kubikkilometer Erdgestein. Innerhalb weniger Minuten bildete sich eine Wolke von über 100 Kilometern Höhe. Daraus kondensierten die Glaskörper, die wenig später südlich des heutigen Prag herunterregneten. Ein bis zehn Zentimeter groß sind diese Moldavite. Sie ähneln zerbrochenen Bierflaschen und haben mit dem Gestein, das man heute hunderte Kilometer weiter westlich im Nördlinger Ries findet, augenscheinlich nicht viel gemein. „Mit Isotopenmessungen konnte man aber nachweisen, dass die Moldavite tatsächlich aus dem Meteoritenaufprall stammen“, erklärt der Bonner Mineraloge Professor Dr. Carsten Münker.

Altersrekord liegt bei 4,570 Milliarden Jahren

Münkers Arbeitsgruppe hat zusammen mit seinem Kölner Kollegen Professor Dr. Herbert Palme gerade ein neues Messgerät bewilligt bekommen, das diesen Nachweis noch präziser führen könnte: Ein extrem empfindliches Massenspektrometer, mit dem sich die Häufigkeit verschiedener Isotope in Gesteinen und Mineralen messen lässt. „Isotope sind Teilchen ein und desselben chemischen Elements, die jedoch unterschiedliche Massen besitzen, also unterschiedlich ’schwer’ sind“, erklärt Münker. „Mit dem neuen Gerät können wir den Anteil eines Isotops in einem Festkörper bis auf 0,001 Prozent genau bestimmen.“ Mit dem 1,2 Millionen Euro teuren Gerät wollen sich die Mineralogen nun nach den ältesten Gesteinen und Mineralen im Sonnensystem fahnden. Bisheriger Rekordhalter sind nach neuen Ergebnissen der Köln-Bonner Mineralogen die so genannten Eisen-Meteorite: Sie sind bis zu 4,570 Milliarden Jahre alt und damit etwa 3 Millionen Jahre vor dem bislang ältesten datierten Material im Sonnensystem entstanden.

Isotope dienen den Mineralogen als Uhr: Viele von ihnen sind nicht stabil, sondern zerfallen im Laufe der Zeit. Von einem Gramm Uran bleibt so nach 4,5 Milliarden Jahren nur noch etwas mehr als die Hälfte übrig, die andere Hälfte hat sich in dieser Zeit in Blei verwandelt. Aus dem Verhältnis von Uran zu Blei in sehr alten Erdgesteinen kann man daher das Mindestalter unseres Heimatplaneten abschätzen – allerdings nur ziemlich grob, da die Erde durch Plattenbewegungen stets ihre Oberfläche verjüngt. „Es gibt aber auch Elemente, die eine so geringe Halbwertszeit hatten, dass sie schon wenige hundert Millionen Jahre nach Entstehung der Erde komplett zerfallen waren“, erläutert Münker. „Sie erlauben eine viel genauere Altersmessung – vorausgesetzt, man hat ein entsprechend empfindliches Massenspektrometer.“

Ausgestorben ist beispielsweise das Isotop Hafnium-182. Es wandelt sich mit einer Halbwertszeit von 9 Millionen Jahren in Wolfram-182 um – Wolfram ist das Metall, aus dem unter anderem der Draht von Glühbirnen besteht. Als sich die Erde kurz nach ihrer Entstehung abkühlte, sank das meiste Wolfram in den metallischen Erdkern ab. Da in der inzwischen erstarrten äußeren Hülle der Erde damals noch ein wenig Hafnium-182 vorhanden war, bildete sich dort aber noch Wolfram-182 nach. Aus der Wolfram-182-Menge im Erdgestein lässt sich daher errechnen, wann sich der metallische Kern der Erde bildete – ein viel verlässlicheres Maß für das Alter unseres Planeten (ungefähr 4,53 Milliarden Jahre). „Dazu benötigen wir aber als Referenz Material aus dem All, also beispielsweise von niedergegangenen Meteoriten“, erklärt Münker. „Nur so können wir feststellen, wie hoch die Wolfram-182-Menge auf der Erde heute wäre, wenn ein Großteil davon nicht unwiederbringlich im Erdkern verschwunden wäre.“

20.000 Meteorite pro Jahr

Eine Spezialität der Bonn-Kölner Mineralogie ist daher die Untersuchung von außerirdischen Proben. Mangel herrscht daran glücklicherweise nicht: Rund 20.000 Meteorite mit einer Masse von mehr als 100 Gramm fallen pro Jahr auf die Erdoberfläche. Besonders leicht fündig wird man an den Polen oder in großen Sandwüsten wie der Sahara: Einerseits verwittert das Material dort nicht so schnell, andererseits hebt es sich aufgrund seiner dunklen Farbe gut vom Untergrund ab. „Wir untersuchen aber beispielsweise auch Mondgestein, das durch die Apollo-Missionen zur Erde gebracht wurde“, erklärt Münker. Etwa 360 Kilogramm hatten die Raumfahrer damals eingesammelt. Das Material ist extrem wertvoll; daher darf man für Untersuchungen nur kleinste Mengen verbrauchen. Kein Problem für das neue Gerät, betont Professor Münker: „Das Spektrometer ist so empfindlich, dass wir damit schon an geringsten Probenmengen Isotopenmessungen durchführen können.“

Kontakt:
Professor Dr. Carsten Münker
Mineralogisch-Petrologisches Institut der Universität Bonn
Telefon: 0228/73-2733
E-Mail: muenker@uni-bonn.de