SCHWEIZ / LONDON (IT BOLTWISE) – Forschende kartieren in einem Marsmeteoriten wasserstoffreiche Bereiche im Gesteinsinneren erstmals dreidimensional und zerstörungsfrei. Dazu kombinieren sie Neutronen- und Röntgentomografie und nutzen dabei die besondere Empfindlichkeit von Neutronen für Wasserstoff. Die Analyse der Probe „Black Beauty“ liefert Hinweise, dass Wasser schon früh mit der jungen Marskruste reagierte. Entscheidend ist dabei, dass die hydratisierten Signaturen als klar abgegrenzte Makro-Hotspots auftreten und nicht gleichmäßig verteilt sind.
Der Eindruck, der „Rote Planet“ sei über geologische Zeit hinweg nur eine trockene Staubwüste gewesen, wird immer wieder durch neue Messdaten herausgefordert. Eine internationale Studie setzt dabei genau an der offenen Frage an, wann und auf welche Weise Wasser im Marsumfeld in Gestein überging: nicht als flüssiges Wasser, das im Nachhinein Spuren hinterlässt, sondern als chemisch gebundener Wasserstoff in Mineralen. Konkret geht es um Wasser-Gesteins-Reaktionen in der Frühphase des Mars – also um die Phase, in der die Umgebung möglicherweise eher als heute mit Energie und Wasserstoffchemie „arbeiten“ konnte. Statt den Wassergehalt nur global abzuschätzen, wollen die Forschenden wissen, wie er räumlich im Gestein verteilt ist.
Untersucht wird dafür der Marsmeteorit NWA 7034, in der Community als „Black Beauty“ bekannt. Der rund 320 Gramm schwere Brocken enthält Material, das bis zu 4,48 Milliarden Jahre alt sein soll, und zählt damit zu den ältesten bekannten Fragmenten der Marskruste. Frühere Analysen sind zwar zu dem Ergebnis gekommen, dass im Meteoritenmaterial „Wasser“ im weiteren Sinne steckt – etwa als hydratisierte Minerale oder chemische Spuren von Wasser-Gesteins-Umwandlungen. Doch diese Arbeiten litten an einem klassischen Zielkonflikt: Entweder lieferten sie nur Aussagen zum Gesamtwassergehalt, oder sie betrachteten winzige lokale Bereiche, die das räumliche Gesamtbild nicht abbilden. „Black Beauty“ wirkt dabei zudem nicht homogen, sondern wie ein geologisches Patchwork.
Die neue Methodik kombiniert deswegen zwei komplementäre Bildgebungsverfahren, die unterschiedliche physikalische Signaturen liefern. Die Neutronenmessungen fanden an der Schweizer Spallations-Neutronenquelle SINQ am Paul Scherrer Institut (PSI) statt. Neutronen sind besonders empfindlich für Wasserstoff, weil dessen Kern im Vergleich zu vielen Gesteinsbestandteilen stark mit Neutronen wechselwirkt. PSI-Wissenschaftler David Mannes, der die Neutronentomografie am PSI zusammen mit Anders Kaestner durchgeführt hat, hebt genau diese Stärke hervor: „In Kombination mit der Röntgentomografie konnten wir damit nicht nur winzige hydratisierte Minerale nachweisen, sondern erstmals auch größere, makroskopische Wasserstoffvorkommen sichtbar machen.“ Damit adressiert das Team die Kernlimitierung vorangegangener Ansätze: Wasserstoff lässt sich in dichtem Gestein nicht so leicht über Bildkontrast „sehen“, wenn man nur mit Röntgen arbeitet.
Die Röntgentomografie dient dabei als Kontrast- und Kontextgeber. Röntgen funktioniert im Prinzip wie ein Schattenwurf: Strahlung tritt in ein Objekt ein, wird je nach Material abgeschwächt oder gestreut und wird hinter dem Objekt detektiert, sodass ein zweidimensionales Bild des Inneren entsteht. Für die Tomografie wird das Objekt anschließend um 360 Grad gedreht, wodurch sich eine vollständige dreidimensionale Rekonstruktion ergibt – zerstörungsfrei. Röntgenstrahlen eignen sich besonders gut, um die Verteilung schwererer Elemente wie Silizium oder Eisen zu erfassen. Kaestner beschreibt den Erkenntnissprung so, dass die Röntgenaufnahmen bereits größere „Löcher“ im dichten Gestein erkennen ließen, aber erst die Neutronentomografie klärt, ob diese Hohlräume tatsächlich leer sind oder wasserstoffhaltiges Material enthalten: „Erst mit der Neutronentomografie konnten wir schließlich zeigen, dass diese Löcher nicht leer sind, sondern wasserstoffhaltiges Material enthalten.“ Der zentrale Mehrwert liegt also in der Kombination, nicht in der einzelnen Methode.
Um die gemessenen Wasserstoffsignaturen richtig einzuordnen, benötigen die Forschenden zusätzlich einen geologischen Rahmen. „Black Beauty“ ist dafür ein besonders spannender Kandidat, weil der Meteoritenbrocken als Brekzie interpretiert wird: ein Verbund aus Fragmenten verschiedener geologischer Zeitabschnitte, der durch intensive Prozesse „zusammengeknetet“ wurde. Marsgeologin Katrine Wulff Nikolajsen erläutert das Konzept mit einem anschaulichen Bild: „Ein Konstrukt, das aus Trümmern verschiedener geologischer Zeitabschnitte besteht und das wie mit einem Gesteinsbeton zusammengebacken wurde.“ Die komplexe Komposition wird mit mehreren großen Meteoriteneinschlägen in Verbindung gebracht. Solche Ereignisse liefern enorme Energie, zerbrechen und mischen Gestein, teilweise wird es aufgeschmolzen, dann neu vermischt. Ein finaler Einschlag setzte schließlich die Energie frei, um die Brekzie vom Mars ins All zu schleudern; sie landete später in der marokkanischen Sahara.
Aus den Tomografiedaten folgt dann ein Ergebnis, das für die Interpretation von „frühem Marswasser“ besonders wichtig ist: Die hydratisierten Spuren sind nicht homogen über den untersuchten Abschnitt verteilt, sondern treten als konzentrierte makroskopische Hotspots auf. Diese Hotspots befinden sich vor allem in uralten Gesteinsfragmenten und machen laut den Angaben der Geologin etwa elf Prozent des gesamten Wassergehalts der untersuchten Probe aus. Daraus lässt sich ableiten, dass Wasser bereits sehr früh in der Marsgeschichte vorhanden gewesen sein muss und in Kontakt mit der jungen Kruste kam. Die Autoren diskutieren als plausible Mechanismen energiereiche geologische Prozesse wie vulkanische Aktivität oder Impaktereignisse, die Wasserstoff in hydratisierte Minerale überführen und damit konservieren konnten – ein Prozessprinzip, das man in ähnlicher Form auch auf der Erde beobachten kann. So verbindet die Studie zwei Ebenen: die Verteilungssignatur im Gestein und die zeitliche Einordnung über das sehr alte Material in „Black Beauty“.
Auch methodisch verschiebt die Arbeit Grenzen. Das Team untersuchte zwar nur einen etwa 12 mal 8 mal 2 Millimeter großen Abschnitt der Probe, aber die Richtung ist klar: Das Verfahren lässt sich prinzipiell auf größere Proben anwenden. Damit wird es für die nächste Phase der Marsforschung relevant, insbesondere für Gesteinsproben, die von Missionen oder über andere Herkunftskanäle zur Erde gelangen. Der entscheidende Fortschritt ist, dass Wasserstoff in Marsgestein erstmals dreidimensional und zerstörungsfrei kartiert werden kann – und damit räumliche Muster sichtbar macht, die sich mit rein chemischen Gesamtanalysen oder lokalisierten Mikroskopstudien nicht zuverlässig rekonstruieren lassen. Über die Resultate berichtet das Forschungsteam im Fachjournal Geophysical Research Letters (Naver, E. B. et al., 2026: „Direct detection of hydrogen reveals a new macroscopic crustal water reservoir on early mars“).
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