Atmosphärenforscher sind mit jedem Gesteinskern, den der Marsrover Perseverance der NASA in seinen Titanprobenröhrchen versiegelt, etwas aufgeregter. Diese werden dann im Rahmen der Mars Sample Return-Kampagne für den Transport zur Erde gesammelt. Bisher wurden 24 Stück entnommen.
Die meisten dieser Proben bestehen aus Gesteinskernen oder Regolith (gebrochenes Gestein und Staub), die wichtige Informationen über die Geschichte des Planeten liefern und darüber, ob vor Milliarden von Jahren mikrobielles Leben vorhanden war. Einige Wissenschaftler sind jedoch ebenso begeistert von der Aussicht, den „Kopfraum“ oder die Luft in dem zusätzlichen Raum um das Gesteinsmaterial in den Röhren zu untersuchen.
Sie möchten mehr über die Marsatmosphäre erfahren, die hauptsächlich aus Kohlendioxid besteht, aber auch Spuren anderer Gase enthalten könnte, die möglicherweise seit der Entstehung des Planeten vorhanden waren.
„Die Luftproben vom Mars würden uns nicht nur etwas über das aktuelle Klima und die Atmosphäre verraten, sondern auch, wie sie sich im Laufe der Zeit verändert haben“, sagte Brandi Carrier, eine Planetenforscherin am Jet Propulsion Laboratory der NASA in Südkalifornien. „Sie werden uns helfen zu verstehen, wie sich Klimata entwickeln, die sich von unserem eigenen unterscheiden.“
Der Wert von Headspace
Zu den Proben, die zur Erde gebracht werden könnten, gehört ein Rohr, das ausschließlich mit Gas gefüllt ist, das als Teil eines Probendepots auf der Marsoberfläche abgelagert wurde. Doch ein weitaus größerer Teil des Gases in der Sammlung des Rovers befindet sich im Luftraum von Gesteinsproben. Diese sind einzigartig, weil das Gas jahrelang mit dem Gesteinsmaterial in den Rohren interagieren wird, bevor die Proben geöffnet und in Laboren auf der Erde analysiert werden können.
Die daraus gewonnenen Erkenntnisse werden den Wissenschaftlern Aufschluss darüber geben, wie viel Wasserdampf in der Nähe der Marsoberfläche schwebt. Diese Tatsache ist ein Faktor, der bestimmt, warum sich an bestimmten Stellen auf dem Planeten Eis bildet, und wie sich der Wasserkreislauf des Mars im Laufe der Zeit entwickelt hat.
Wissenschaftler wollen auch die Spurengase in der Marsluft besser verstehen. Am wissenschaftlich spannendsten wäre die Entdeckung von Edelgasen (wie Neon, Argon und Xenon), die so reaktionsträge sind, dass sie möglicherweise seit ihrer Entstehung vor Milliarden von Jahren unverändert in der Atmosphäre vorhanden sind.
Wenn diese Gase eingefangen werden, könnten sie Aufschluss darüber geben, ob der Mars ursprünglich eine Atmosphäre hatte. (Der Mars in der Antike hatte eine viel dichtere Atmosphäre als heute, aber Wissenschaftler sind sich nicht sicher, ob sie schon immer da war oder sich später entwickelt hat.) Es gibt auch große Fragen dazu, wie die Atmosphäre des alten Planeten im Vergleich zu der der frühen Erde aussah.
Der Headspace würde außerdem die Möglichkeit bieten, die Größe und Toxizität von Staubpartikeln zu beurteilen – Informationen, die zukünftigen Astronauten auf dem Mars helfen würden.
„Die Gasproben haben für Marsforscher viel zu bieten“, sagte Justin Simon, Geochemiker am Johnson Space Center der NASA in Houston. Er gehört zu einer Gruppe von über einem Dutzend internationaler Experten, die mitentscheiden, welche Proben der Rover sammeln soll. „Selbst Wissenschaftler, die den Mars nicht erforschen, wären daran interessiert, weil es Licht auf die Entstehung und Entwicklung von Planeten werfen wird.“
Apollos Luftproben
Im Jahr 2021 untersuchte eine Gruppe von Planetenforschern, darunter Wissenschaftler der NASA, die Luft, die die Astronauten von Apollo 17 etwa 50 Jahre zuvor in einem Stahlcontainer vom Mond mitgebracht hatten.
„Die Leute denken, der Mond sei luftlos, aber er hat eine sehr dünne Atmosphäre, die im Laufe der Zeit mit den Gesteinen auf der Mondoberfläche interagiert“, sagte Simon, der bei Johnson eine Vielzahl von Planetenproben untersucht. „Dazu gehören Edelgase, die aus dem Inneren des Mondes austreten und sich auf der Mondoberfläche sammeln.“
Die Methode, mit der Simons Team das Gas für die Untersuchung extrahierte, ähnelt der Methode, die mit den Luftproben von Perseverance durchgeführt werden könnte. Zunächst legten sie den zuvor ungeöffneten Behälter in einen luftdichten Behälter. Dann durchbohrten sie den Stahl mit einer Nadel, um das Gas in eine Kältefalle zu extrahieren – im Wesentlichen ein U-förmiges Rohr, das in eine Flüssigkeit mit niedrigem Gefrierpunkt wie Stickstoff hineinragt. Durch Veränderung der Temperatur der Flüssigkeit konnten die Wissenschaftler einige der Gase mit niedrigerem Gefrierpunkt am Boden der Kältefalle einfangen.
„Es gibt vielleicht 25 Labore auf der Welt, die Gas auf diese Weise manipulieren“, sagte Simon. Dieser Ansatz werde nicht nur zur Erforschung der Herkunft planetarer Materialien eingesetzt, sondern könne auch auf Gase aus heißen Quellen und solche angewendet werden, die von den Wänden aktiver Vulkane ausgestoßen werden, fügte er hinzu.
Natürlich liefern diese Quellen viel mehr Gas, als Perseverance in seinen Probenröhrchen hat. Aber wenn ein einzelnes Röhrchen nicht genug Gas für ein bestimmtes Experiment enthält, könnten Marsforscher Gase aus mehreren Röhrchen kombinieren, um eine größere Gesamtprobe zu erhalten – ein weiterer Weg, auf dem der Freiraum zusätzliche Möglichkeiten für die Wissenschaft bietet.