Wassereis auf dem Mond gilt als wichtigster Rohstoff für eine dauerhafte Präsenz von Menschen auf dem Erdtrabanten. Wo genau die größten Vorkommen liegen und wie mächtig sie sind, ist jedoch ungeklärt. Eine neue Studie zeigt nun, dass seismische Wellen eishaltigen Boden zwei- bis dreimal schneller durchlaufen als trockenen Regolith. Aus dieser Differenz lässt sich eine Karte des Untergrunds erstellen, noch bevor der erste Bohrer ansetzt.
Dass Wassereis auf dem Mond existiert, gilt seit den Messungen der vergangenen zwei Jahrzehnte als gesichert. Der Erdtrabant besitzt praktisch keine Atmosphäre und keine nennenswerte Achsneigung, weshalb der Boden einiger Krater in der Südpolregion nie von der Sonne getroffen wird. In diesen Schattenkrater genannten Bereichen sinken die Temperaturen so weit ab, dass gefrorenes Wasser über geologische Zeiträume hinweg stabil bleibt, statt in den Weltraum zu sublimieren. Für bemannte Missionen ist das entscheidend, denn aufbereitetes Eis liefert Trinkwasser, durch Elektrolyse Sauerstoff zum Atmen und Wasserstoff als Treibstoff. Jedes Kilogramm, das vor Ort gewonnen wird, muss nicht mit erheblichem Energieaufwand von der Erde gestartet werden. Bislang stammen die Hinweise fast ausschließlich aus Fernerkundung aus dem Orbit, die nur die obersten Zentimeter erfasst. Wie tief die Vorkommen reichen, bleibt dabei unbeantwortet.
Ein Team aus Forschern des Lawrence Berkeley National Laboratory, der University of Maryland und der University of Hawaii hat deshalb einen anderen Zugang verfolgt und die seismische Signatur von Mondeis bestimmt, um daraus überprüfbare Vorhersagen abzuleiten. Grundlage ist ein physikalischer Zusammenhang, der auch auf der Erde genutzt wird. Elastische Wellen breiten sich umso schneller aus, je steifer das Material ist, das sie durchlaufen. Füllt Eis die Porenräume zwischen den Körnern eines lockeren Bodens, verkittet es diese Körner miteinander und erhöht die Steifigkeit des Gesamtgefüges erheblich. Zusätzlich entsteht an der Grenze zwischen eishaltiger und trockener Schicht ein Kontrast, an dem ein Teil der Wellenenergie zurückgeworfen wird, ähnlich einem Echo an einer Wand.
Um belastbare Werte zu erhalten, kombinierten die Forscher drei getrennte Arbeitsschritte. Im Labor wurde zerkleinertes vulkanisches Gestein verwendet, dessen Korngrößen und Zusammensetzung dem Mondregolith nahekommen. Diese Probe wurde in einer eigens gebauten Kältevakuumkammer eingefroren, während Röntgenaufnahmen dreidimensional sichtbar machten, wie sich das Eis in den mikroskopisch kleinen Zwischenräumen der Körner verteilt und wie sich das Gefüge unter Belastung verformt. Parallel entstanden detaillierte Temperaturmodelle der Südpolregion, mit denen sich eingrenzen lässt, welche Krater über Milliarden Jahre kalt genug blieben, um Eis zu bewahren. Im dritten Schritt wurden auf dieser Datenbasis kleine Mondbeben simuliert und ihre Ausbreitung durch unterschiedlich stark vereiste Schichten berechnet. In jeder modellierten Konstellation hinterließ das Eis klare und messbare Spuren im seismischen Signal.
Nach den Berechnungen reicht das Verfahren bis in eine Tiefe von etwa 800 Metern und erlaubt neben der reinen Ortung auch eine grobe Abschätzung des Eisanteils, weil die Laufzeitverzögerung mit der Menge des eingelagerten Wassers skaliert. Seismische Quellen sind auf dem Mond ausreichend vorhanden, denn seit den Apollo-Seismometern ist bekannt, dass der Erdtrabant regelmäßig bebt. Ein Teil dieser Erschütterungen geht auf Einschläge zurück, ein weiterer auf tektonische Spannungen, die entstehen, weil Schrumpfungsprozesse den Mond stetig kleiner machen. Ein einzelnes gut platziertes Seismometer könnte damit einen Bereich abtasten, für dessen Erkundung sonst zahlreiche Bohrungen nötig wären.
Die Vorhersagen lassen sich schneller überprüfen, als es bei Modellstudien üblich ist. Die chinesische Mission Chang’e-7 soll noch 2026 nahe dem Shackleton-Krater aufsetzen und führt einen Seismographen mit, der Mondbeben registrieren und den Untergrund untersuchen soll. In der Umgebung des Landeplatzes werden mehrere Eisvorkommen vermutet. Für das Artemis-Programm sind bemannte Landungen in der Südpolregion ab 2028 vorgesehen, wobei ebenfalls eine seismische Messstation aufgestellt werden soll. Damit entscheidet sich in absehbarer Zeit, ob die berechneten Signaturen in echten Daten auftauchen. Bestätigen sie sich, wäre die Seismik ein vergleichsweise leichtes und energiesparendes Werkzeug für die Rohstoffsuche. Frühere Analysen deuteten bereits an, dass der Mond mehr Eis enthält als bislang angenommen.
Science Advances, The seismic signature of lunar ice; doi:10.1126/sciadv.adz7220