Wie Wassereis auf dem Mond überlebt und warum das wichtig ist

Kältefallen an den Polen

Der Mond scheint der trockenste Ort zu sein, den man sich vorstellen kann. Seine Oberfläche wird von heftiger Sonnenstrahlung gebrannt, hat keine Atmosphäre und verliert jegliche freiliegende Feuchtigkeit sofort an das Vakuum des Weltraums. Doch unter dieser ausgedörrten Oberfläche – eingeschlossen in tiefen Polkratern, die noch nie Sonnenlicht gesehen haben – befindet sich Wassereis, und möglicherweise eine große Menge davon.

Der Schlüssel liegt in der außergewöhnlich geringen axialen Neigung des Mondes von weniger als zwei Grad. Im Gegensatz zur Erde, die sich um 23,5 Grad neigt und Jahreszeiten durchläuft, wackelt der Mond kaum. Infolgedessen neigen sich die Böden bestimmter tiefer Krater in der Nähe der Mondpole nie zur Sonne – nicht einmal einmal über Milliarden von Jahren. Sonnenlicht streift die Kraterränder, dringt aber nie bis zum Boden vor.

Ohne jegliche Sonneneinstrahlung sinken die Temperaturen in diesen permanent beschatteten Regionen (PSRs) auf etwa –240 °C (–400 °F), was sie zu den kältesten Orten im gesamten Sonnensystem macht – kälter sogar als die Oberfläche des Pluto. Unter diesen extremen Bedingungen können Wassermoleküle, die hineindriften, nicht entweichen. Wissenschaftler nennen diese Orte Kältefallen, und sie wirken wie natürliche Tiefkühltruhen, die seit geologischer Zeit ununterbrochen laufen.

Wie Wissenschaftler es bestätigten

Hinweise auf polares Wasser ergaben sich aus Radardaten, die 1994 von der NASA-Raumsonde Clementine und 1998 von Lunar Prospector gesammelt wurden. Der endgültige Beweis kam jedoch am 9. Oktober 2009, als die NASA die ausgebrannte Centaur-Raketenstufe der LCROSS-Mission absichtlich in den Cabeus-Krater in der Nähe des lunaren Südpols stürzen ließ. Der Einschlag schleuderte eine Trümmerwolke von etwa 30 Kilometern Höhe in die Luft. Ein nachfolgendes Raumschiff flog durch die Wolke und entdeckte Wasserdampf und Eiskristalle – was eine Wasserkonzentration von etwa 6 Prozent im Zielgebiet bestätigte, wobei einige Stellen nahezu reine Eiskristalle enthielten.

Eine detailliertere Bestätigung erfolgte im Jahr 2018, als eine in PNAS veröffentlichte Studie Daten des Moon Mineralogy Mapper-Instruments der NASA verwendete, um oberflächenexponiertes Eis direkt an beiden Polen zu kartieren. Das Eis konzentrierte sich in PSRs genau dort, wo Kältefallenmodelle es vorhersagten – was den bisher deutlichsten visuellen Beweis dafür liefert, dass die Pole des Mondes tatsächlich vereist sind.

Woher kam das Wasser?

Wissenschaftler glauben, dass im Laufe von Milliarden von Jahren mehrere Quellen dazu beigetragen haben:

• Kometen und Asteroiden: Eisige Körper, die mit dem Mond kollidierten, lagerten Wassermoleküle ab, die eher polwärts wanderten als in den Weltraum zu entweichen. Eine Analyse aus dem Jahr 2022 unter der Leitung des Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory ergab, dass Kometen die dominierende Quelle sind, basierend auf molekularen Fingerabdrücken in der LCROSS-Wolke.
• Mikrometeoriten: Winzige, staubkorngroße Impaktoren regnen ständig wasserhaltige Mineralien auf die Oberfläche und setzen Moleküle frei, die zu Kältefallen gelangen können.
• Solarwindchemie: Wasserstoffionen, die von der Sonne strömen, reagieren mit Sauerstoff im Mondboden und bilden Hydroxyl (OH) und Spuren von Wasser (H₂O) – ein langsames, aber kontinuierliches Tröpfeln über geologische Zeiträume hinweg.

Wie viel Eis gibt es?

Die Schätzungen variieren stark, da die Kartierung von PSRs technisch schwierig ist – keine umkreisende Kamera kann eine Oberfläche fotografieren, die kein Sonnenlicht reflektiert. Durch die Kombination von Radardaten des Lunar Reconnaissance Orbiter der NASA und Chandrayaan-1 aus Indien legen aktuelle Modelle nahe, dass die beiden Pole zusammen Hunderte von Millionen Tonnen Wassereis enthalten könnten, die sich über etwa 1.850 km² eisiges Gelände verteilen.

Neuere Studien warnen jedoch davor, dass ein Großteil dieses Eises in geringen Konzentrationen in lockeren Regolith verdünnt sein könnte, anstatt als reine, leicht abbaubare Schichten vorzuliegen. Wie sauber es extrahiert werden kann, bleibt eine offene technische Frage.

Warum es die Weltraumforschung verändern könnte

Wasser ist die wertvollste Ressource, die die Menschheit jenseits der Erde finden könnte. Der Transport eines einzigen Kilogramms von der Erde zur Mondoberfläche kostet schätzungsweise 2.000 bis 20.000 US-Dollar, abhängig von der Trägerrakete. Eine Langzeit-Mondbasis könnte Dutzende von Tonnen pro Jahr benötigen. Mond-Eis könnte dieses Problem auf dreierlei Weise lösen:

1. Trinkwasser und Lebenserhaltung – extrahiert, gefiltert und direkt von Astronauten verwendet.
2. Atmungsaktiver Sauerstoff – Elektrolyse spaltet Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff und liefert als Nebenprodukt Luft.
3. Raketentreibstoff – flüssiger Wasserstoff und flüssiger Sauerstoff, die aus gespaltenem Wasser gewonnen werden, sind die Treibstoffe, die in einigen der leistungsstärksten Raketentriebwerke verwendet werden, was Tankstellen ermöglicht, die die Kosten für Reisen zum Mars drastisch senken könnten.

Das Artemis-Programm der NASA hat die südpolare Region – insbesondere den Shackleton-Kraterrand und die angrenzenden PSRs – teilweise aus diesem Grund als vorrangiges Landeziel identifiziert. Die Chang'E-7-Mission Chinas umfasst ein spezielles Instrument zur Messung von Wassereis am Südpol. Und der Lunar Trailblazer-Satellit der NASA zielt darauf ab, die Verteilung, Häufigkeit und physikalische Form von Mondwasser in beispielloser Detailgenauigkeit zu kartieren.

Eine uralte Ressource im Dunkeln

Das Wasser des Mondes ist kein See oder Fluss. Es ist eine dünne, verstreute, uralte Ablagerung – Korn für Korn aus Kometeneinschlägen und solarer Chemie über Milliarden von Jahren zusammengesetzt und durch ewige Dunkelheit konserviert. Das genaue Verständnis, wo es sich versteckt, wie tief es reicht und wie sauber es gewonnen werden kann, könnte darüber entscheiden, ob die Menschheit einen dauerhaften Stützpunkt jenseits der Erde aufbauen kann – und ob der Mond zu einem Wegpunkt zum Rest des Sonnensystems wird oder einfach nur ein weiteres Ziel.