Wie Rover organische Moleküle auf dem Mars aufspüren

Ein Chemielabor auf Rädern

Irgendwo auf dem staubigen Boden des Gale-Kraters betreibt ein Roboter von der Größe eines Kleinwagens Chemie. Der Curiosity-Rover der NASA trägt eine Reihe von Instrumenten, die zusammen als Sample Analysis at Mars (SAM) bekannt sind – ein Miniaturlabor, das in der Lage ist, die kohlenstoffbasierten Moleküle aufzuspüren, die Wissenschaftler als die Bausteine des Lebens betrachten. Das Verständnis, wie Rover diese Moleküle tatsächlich finden, offenbart den Einfallsreichtum hinter einer der ehrgeizigsten wissenschaftlichen Aufgaben der Menschheit.

Was gilt als „organisches“ Molekül?

In der Chemie bedeutet organisch nicht „von einem Lebewesen produziert“. Es bezieht sich lediglich auf Moleküle, die auf Kohlenstoff-Kohlenstoff- oder Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen aufgebaut sind. Meteoriten liefern ständig organische Verbindungen auf Planetenoberflächen, und geologische Prozesse können sie ohne Beteiligung von Biologie erzeugen. Die Herausforderung auf dem Mars besteht nicht nur darin, organische Stoffe zu finden, sondern auch darin, festzustellen, ob sie durch Leben, Geologie oder kosmische Lieferung entstanden sind.

Diese Unterscheidung ist von enormer Bedeutung. Bestimmte Muster – spezifische Isotopenverhältnisse, sich wiederholende molekulare Strukturen oder Assoziationen mit bestimmten Mineralien – könnten als Biosignaturen dienen, als Beweis dafür, dass es einst Leben gab. Rover sind darauf ausgelegt, diese Hinweise zu katalogisieren, auch wenn eine endgültige Antwort schwer zu finden bleibt.

Schritt eins: Bohren in Gestein

Die Detektion beginnt mit einem Bohrer, der am Roboterarm des Rovers montiert ist. Curiosity wählt Gesteinsziele basierend auf dem geologischen Kontext aus – tonhaltige Sedimente, die von uraltem Wasser abgelagert wurden, sind erstklassige Kandidaten. Der Bohrer pulverisiert das Gestein zu einem feinen Pulver, das dann in die internen Kammern von SAM geleitet wird. Der gesamte Prozess muss eine Kontamination durch Chemikalien irdischen Ursprungs vermeiden, die an Bord des Rovers mitgeführt werden, was eine ständige technische Herausforderung darstellt.

Schritt zwei: Erhitzen und Schnüffeln

Die Standardmethode von SAM ist die Pyrolyse – das Erhitzen der pulverförmigen Probe in einem winzigen Ofen auf Temperaturen von über 800 °C. Während das Gestein gebacken wird, entweichen eingeschlossene Gase. Diese Dämpfe passieren einen Gaschromatographen, ein langes, spiralförmiges Rohr, das das Gemisch in einzelne molekulare Komponenten aufteilt, je nachdem, wie schnell sich jede durch die Säule bewegt. Die getrennten Gase gelangen dann in ein Massenspektrometer, das jedes Molekül anhand seines Masse-Ladungs-Verhältnisses über einen Bereich von 2 bis 535 Dalton identifiziert.

Diese Technik, bekannt als Gaschromatographie-Massenspektrometrie (GC-MS), ist das Arbeitspferd der organischen Detektion auf dem Mars. Sie hat das Vorhandensein von Chlorbenzol, Thiophenen und anderen kleinen Kohlenstoffverbindungen in marsianischem Schlammstein bestätigt.

Schritt drei: Nasschemie – der Durchbruch

Einige der interessantesten Moleküle – Aminosäuren, Fettsäuren und andere große Verbindungen, die für die Biologie von zentraler Bedeutung sind – zerfallen oder bleiben bei hohen Temperaturen unsichtbar. Um sie einzufangen, führt SAM neun versiegelte Becher mit chemischem Lösungsmittel für eine Technik namens Nasschemie mit.

Bei diesem Ansatz wird eine Gesteinsprobe in einen Becher gegeben, der Tetramethylammoniumhydroxid (TMAH), gelöst in Methanol, enthält. Das stark alkalische Reagenz hydrolysiert die Probe, schneidet große Moleküle von Mineraloberflächen ab und zerlegt sie in kleinere, flüchtige Fragmente. Der Ofen erhitzt das Gemisch dann auf etwa 550 °C, und die freigesetzten Gase fließen zur Identifizierung in dieselbe GC-MS-Pipeline.

Diese Methode erwies sich als spektakulär erfolgreich. In Ergebnissen, die in Nature Communications veröffentlicht wurden, entdeckte Curiositys erstes TMAH-Experiment mehr als 20 organische Verbindungen in 3,5 Milliarden Jahre altem Sandstein, darunter sieben, die noch nie zuvor auf dem Mars gesehen wurden. Darunter befanden sich stickstoffhaltige Heterocyclen – ringförmige Moleküle mit Strukturen, die DNA-Vorläufern ähneln – und Benzothiophen, das größte bestätigte aromatische Molekül, das als einheimisch für den Roten Planeten identifiziert wurde.

Warum es wichtig ist

Jeder neue Nachweis erweitert den Katalog der marsianischen Chemie und zeigt, dass die Oberfläche des Planeten organische Moleküle über Milliarden von Jahren konservieren kann. Diese Konservierung ist entscheidend: Wenn es jemals Leben auf dem Mars gab, könnten seine chemischen Fingerabdrücke noch immer in den Gesteinsaufzeichnungen lesbar sein.

Zukünftige Missionen werden noch weiter gehen. Der Perseverance-Rover der NASA versiegelt Gesteinsproben in Röhrchen für die eventuelle Rückführung zur Erde, wo Labore in voller Größe Techniken anwenden können, die weit über das hinausgehen, was jeder Rover mit sich führt. Der Rosalind-Franklin-Rover der Europäischen Weltraumorganisation wird bis zu zwei Meter unter die Oberfläche bohren und Schichten erreichen, die vor der harschen Strahlung geschützt sind, die organische Stoffe an der Oberfläche abbaut.

Vorerst wird die Detektivarbeit mit jedem Bohrloch fortgesetzt – ein Roboterchemiker liest geduldig das molekulare Tagebuch einer Welt, die vielleicht nicht immer tot war.