Spurensuche im All: IPHT und Uni Jena entwickeln Spezial-Komponenten für die Weltraumforschung

Forscher-Teams am IPHT, am Institut für Physikalische Chemie (IPC) der Uni Jena und am Institut für Planetologie der Uni Münster unter Leitung von Prof. Dr. Jürgen Popp und Prof. Dr. Elmar Jessberger haben in Zusammenarbeit mit den Firmen Kayser-Threde (München) und Von Hoerner & Sulger (Schwetzingen) spezielle Komponenten entwickelt, die schnell, eindeutig und zuverlässig die chemische Zusammensetzung von Mars-Gesteinen untersuchen können und so möglicherweise die entscheidende Hinweise darauf liefern, ob es auf dem Mars je Leben gegeben hat oder womöglich immer noch gibt.

„Wir verfügen über langjährige Erfahrungen bei der Beurteilung mineralogischer und biologischer Proben mittels der so genannten Raman-Spektroskopie“, so Popp. „Diese Technologie für den Einsatz auf der Mars-Oberfläche tauglich zu machen, ist für uns eine große Herausforderung“. Damit die Einzelteile – ein Messkopf, der zwei Laser-spektroskopische Verfahren vereint und ein Raman-LIBS-Spektrometer – überhaupt ins All reisen können, müssen sie besonders klein und leicht sein und den extremen Bedingungen beim Start und während des Fluges standhalten. Die Abkürzung LIBS steht für „Laser Induced Breakdown Spectroscopy“ und beschreibt ein Verfahren, das genau jene Informationen über die einzelnen Elemente in einer Probe liefern kann, welche man mittels Raman nicht erhält.

Die in den Teams entwickelten Komponenten werden, einmal auf dem Mars angekommen, auf einem kleinem Fahrzeug, einem so genannten Rover, über die Planetenoberfläche fahren und das Gestein analysieren. Damit sie während der sechsmonatigen Lebensdauer des Rovers funktionsfähig bleiben, müssen sie Temperaturen zwischen -150 und +70 Grad Celsius aushalten. Das Raman-Spektrometer, von dem verschiedene Prototypen am IPHT entwickelt wurden, muss hinsichtlich räumlicher und spektroskopischer Auflösung die gleichen Anforderungen erfüllen wie ein Laborgerät – und muss dabei etwa 20mal kleiner sein als sein „großer Bruder“. „Zusätzlich muss das Spektrometer, welches schließlich fliegen soll, neben Raman-Daten auch die LIBS-Daten aufzeichnen können, was die Anforderungen nicht leichter macht!“ betont IPHT-Direktor Popp.

An den wissenschaftlichen Grundlagen für die Analysen arbeiten Popp und seine Mitarbeiter bereits seit Jahren in ihren irdischen Labors. Unterstützung bei ihrer Geräteentwicklungen erhalten sie dabei von Prof. Dr. Falko Langenhorst vom Lehrstuhl für Mineralogie der Universität Jena. Neben seiner wissenschaftlichen Expertise stellt er auch die Mars-Meteoriten zur Verfügung, an denen Popp die Raman-Spektroskopie stetig weiterentwickelt, um die größtmögliche Informationsmenge aus jeder Probe heraus zu holen. „Die nach dem indischen Physiker Chandrasekhara Venkata Raman benannte Spektroskopie-Methode liefert uns Informationen über die chemische Zusammensetzung des Mars-Gesteins“, erläutert der Physikochemiker Popp. „So können wir Aussagen über die Art und das Mengenverhältnis der einzelnen chemischen Komponenten machen.“ Was die Raman-Spektroskopie nicht leistet, ist ein Nachweis von chemischen Elementen. „Deshalb kombinieren wir zusammen mit Prof. Jessberger in dem Messkopf für die ExoMars-Mission die Raman-Spektroskopie mit der LIBS-Methode“, fährt Popp fort.

Die Daten zu erheben ist das eine, eine sinnvolle und vergleichbare Auswertung das andere. Auch hier leistet das Team von Chemikern und Physikern um Jürgen Popp und Elmar Jessberger entscheidende Beiträge für das Gelingen der ExoMars-Mission. „Wir stützen uns auf unsere statistische und chemometrische Expertise und die Erfahrungen, die wir bei der Identifikation von Bakterien gemacht haben. Für die Auswertung unserer Ergebnisse benutzen wir da spezielle Computerprogramme, wie sie in ähnlicher Form auch zur Analyse von Sicherheitskameras aufgezeichneter Fotos eingesetzt werden“, erklärt Popp. Mit Hilfe dieser Programme kann er nach den Prinzipien der Mustererkennung Raman-Spektren einzelnen Bakterienarten zuweisen. „Allerdings müssen wir dazu den Computer erst einmal mit einer großen Menge Daten füttern, damit er Vergleichsmöglichkeiten hat“, erläutert der Wissenschaftler. „Die Bakterien können sich geringfügig verändern, je nachdem, auf welchen Nährböden und bei welcher Temperatur die Keime gewachsen sind.“ In gleicher Weise sind auch die Daten vom Mars von vielen verschiedenen Faktoren abhängig, die in die Auswertung mit einfließen müssen, um vergleichbare Aussagen zu erhalten.

Doch nicht nur die Weltraumforschung profitiert von den Jenaer Raman-Innovationen. „Die wissenschaftlichen Erkenntnisse und das technische Know How aus dem Mars-Projekt, fließen natürlich auch in unsere anderen Forschungen mit ein, etwa, wenn es um die Aufklärung von Krankheitsursachen oder neue Diagnosemethoden auf spektroskopischer Basis geht“, betont Popp.

Weitere Informationen:
Prof. Dr. Jürgen Popp
Wissenschaftlicher Direktor des IPHT
Tel.: 03641/ 206 300
Fax: 03641/ 206 399
E-Mail: juergen.popp@ipht-jena.de
Prof. Dr. Falko Langenhorst
Institut für Geowissenschaften, Lehrstuhl für Mineralogie
Tel.: 03641/ 948 700
Fax: 03641/ 948 602
E-Mail: falko.langenhorst@uni-jena.de
Hintergrundinformationen zur ExoMars-Mission:
ExoMars ist ein geplanter europäischer Mars-Rover, der im Rahmen des Aurora-Programms 2013 gestartet werden soll. Zunächst erwog man, den Rover 2011 ins All zu schicken, die Landung sollte zwei Jahre später (2013) erfolgen. Im November 2006 verschob die ESA den Starttermin auf 2013, um mehr Zeit zur Entwicklung von Schlüsseltechnologien zu haben. Die Reise zum Mars soll nun nur ein Jahr dauern und die Landung schon 2014 erfolgen. Die Kosten der Mission sollen etwa 600 Millionen Euro betragen.
Die Mission der ESA dient unter anderem der Suche nach Leben auf dem Mars. Damit wird sie nicht nur zur Klärung einer der spannendsten Fragen der Wissenschaft beitragen, sondern auch Technologien erproben, die bei weiteren europäischen Planeten-Erkundungen und vor allem für bemannte Missionen eine Schlüsselrolle spielen. Zwei Elementegehören zu ExoMars: Ein Rover und ein kleine stationäre Einheit. Während diese geophysikalische Messungen anstellen wird, die wichtig sind, um die Entstehungsgeschichte des Mars zu verstehen und Möglichkeiten der Besiedelung auszuloten, wird sich der Rover auf die Suche nach den sprichwörtlichen Marsmännchen begeben. Dazu trägt das kleine Fahrzeug eine ganz besondere Last: Das „Pasteur“-Packet besteht aus einer ganzen Sammlung von Instrumenten, die der Rundum- und eine Langstreckenuntersuchung, dem Aufspüren von Wasser und der Analyse von geologischen und möglichen biologischen Proben dient. Dabei wird nicht nur die Mars-Oberfläche untersucht. „Pasteur“ wird sich vielmehr bis zu zwei Meter tief in den Planetenboden bohren und damit in Schichten vordringen, in denen sich Spuren von Leben möglicherweise bis heute erhalten haben.

Heute zeigt uns der Mars ein kaltes, trockenes und ödes Gesicht. Seine Oberfläche ist intensiver zerstörerischer und lebensfeindlicher UV-Strahlung ausgesetzt. Die tiefen Temperaturen und der hohe Druck schließen die Existenz von Wasser eigentlich aus, es kommt lediglich in Form von Eis an den Polen vor sowie im Dauerfrost tief liegender Bodenschichten und in Spuren in der Atmosphäre. Große Kanäle, verzweigte Täler und Steinablagerungen legen aber den Schluss nahe, dass es früher flüssiges Wasser in großen Mengen auf dem Mars gegeben haben muss. Wenn die Planetenoberfläche in den ersten 500 Millionen Jahren der Marsgeschichte etwas warmer und feuchter war, dann hat sich dort Leben möglicherweise zur gleichen Zeit entwickelt wie auf der Erde. Es ist möglich, dass sich die frühen Lebensformen in tiefere Mars-Schichten zurückgezogen haben, als es auf dem Roten Planeten immer ungemütlicher wurde. Die Tatsache, dass man auf der Erde in mehreren Kilometern Tiefe eine vielfältige Bakterienwelt entdeckt hat, lässt Wissenschaftler hoffen, dass sie auch bei Bohrungen auf dem Mars auf Leben stoßen.