GÖTTINGEN / LONDON (IT BOLTWISE) – Forschende haben den Anteil von Siliziumdioxid auf der Oberfläche des Merkurs deutlich präziser bestimmt. Die Messwerte sprechen dafür, dass SiO2 dort mit etwa 37 Prozent seltener vorkommt als bisher angenommen, nämlich bis zu 25 Prozent weniger. Als Erklärung rücken die Ergebnisse stärker aufgeschmolzenes Mantelmaterial und damit veränderte Vulkan- und Abkühlungsprozesse in den Fokus. Die Kalibrierung soll nun durch die Infrarotdaten von BepiColombo, insbesondere mit MERTIS, weiter abgesichert werden.
Die Oberfläche des Merkurs gilt seit Langem als Zeitkapsel für frühe Prozesse im Sonnensystem. Genau deshalb ist es bemerkenswert, dass Forschende nun einen zentralen Baustein dieser Erzählung neu vermessen haben: den Anteil von Siliziumdioxid (SiO2) auf dem sonnennächsten Planeten. Laut den Ergebnissen aus Laborexperimenten dürfte SiO2 auf Merkuroberflächen mit einem Gewichtsanteil von etwa 37 Prozent vorkommen, aber „bis zu 25 Prozent seltener“ als bisher angenommen. Das klingt auf den ersten Blick wie eine bloße Verschiebung in einer Prozentzahl, hat aber eine praktische Konsequenz: Wenn SiO2 wirklich seltener ist, müssen auch die Temperaturbedingungen und die chemische Entwicklung der frühen Vulkanphasen plausibler neu gefasst werden.
Technisch betrachtet beginnt die Argumentationskette im Inneren des Planeten. Merkur hat eine wesentlich andere geologische Geschichte als die Erde: Der Vulkanismus soll bereits etwa eine Milliarde Jahre nach seiner Entstehung weitgehend zum Erliegen gekommen sein, während die Erde durch Plattentektonik und fortlaufende Vulkanbildung stärker „in Bewegung“ bleibt. Für die Merkurschichten heißt das, dass die Zusammensetzung der Kruste besonders stark von der Abkühlung des Magma-Ozeans bzw. des aufgeschmolzenen Mantelbereichs geprägt wurde. SiO2 reichert sich in einer solchen Schmelze über die Zeit an, weil beim Abkühlen zuerst Gesteine entstehen, die der Schmelze vergleichsweise wenig SiO2 entziehen. Die heiße Lava, die an die Oberfläche quillt, wird dadurch zunehmend SiO2-reicher. Wenn an der Oberfläche nur geringe SiO2-Anteile gemessen werden, kann das entweder auf extreme Temperaturen im Innern hindeuten oder darauf, dass der Merkur ursprünglich mehr SiO2 in der Kruste hatte, aber im Laufe der Zeit Sauerstoff verloren hat.
Die spannende Hürde liegt jedoch nicht im geochemischen Modell, sondern in der Messmethode. Aussagen über die Oberflächenzusammensetzung des Merkurs sind schwierig, weil noch nie eine Landeeinheit Material direkt entnommen hat. Es gibt also keine Gesteinsproben vom Planetenboden, die man zur Referenzbestimmung verwenden könnte. Damit bleibt nur der Rückschluss aus Fernerkundungsdaten, vor allem aus der Infrarotstrahlung. Genau dort setzt die neue Arbeit an: Statt die Interpretation von Infrarotspektren „aus dem Bauch heraus“ an vorhandene Laborwerte anzudocken, haben die Forschenden die Beziehung zwischen SiO2-Gehalt und Infraroteigenschaften über eine systematische Kalibrierung neu aufgebaut. Sie stellten winzige Glaskügelchen mit definierten SiO2-Anteilen her, die etwa einen halben Millimeter groß waren, und bestimmten die Infrarotsignaturen dieser Referenzen mit hoher Genauigkeit.
Besonders anschaulich wird der Kalibrierungsansatz in den Worten von Iris Weber von der Universität Münster: „Die Glaskügelchen haben eine ähnliche Funktion wie bei einer Waage die Eichgewichte. Ihr Gewicht ist genau bekannt. Sie erlauben es deshalb, den Ausschlag der Waage richtig zu interpretieren. Ebenso erlauben die Glaskügelchen, aus den Eigenschaften der Infrarot-Strahlung die richtigen Schlüsse zu ziehen.“ Der Vergleich mit Eichgewichten ist mehr als ein Bild: Er beschreibt ein Messdesign, bei dem systematische Abweichungen reduziert werden sollen. Damit das Vorgehen nicht nur im Labor funktioniert, testete das Team die neu gefundene Eichbeziehung in einem zweiten Schritt an einem natürlichen „Prüfstein“: dem Mond. Die NASA-Raumsonde Lunar Reconnaissance Orbiter umkreist den Mond seit 2009 und hat dessen Infrarotstrahlung mit hoher räumlicher Auflösung vermessen. Aus diesen Daten konnten die Forschenden eine erste vollständige Karte des SiO2-Gehalts der Mondoberfläche ableiten und anschließend mit vorliegenden Gesteinsproben aus unterschiedlichen Regionen vergleichen.
Erst nachdem diese Überprüfung gelungen war, gingen die Forschenden im dritten Schritt auf Merkur über. Sie nutzten dafür Infrarotmessdaten, die unter anderem am Bok Telescope des Steward Observatoriums im US-Bundesstaat Arizona aufgenommen wurden. Dass ausgerechnet der Mond als Zwischenstufe dient, ist methodisch konsequent: Er hat zwar eine andere geologische Vergangenheit als Merkur, liefert aber eine Umgebung, in der Infrarotspektren und verifizierende Bodenproben bereits gut zusammengeführt wurden. Als Ergebnis dieser Kette entsteht nun das Bild eines Merkurs, dessen vulkanische Gesteine aus stärker aufgeschmolzenem Mantelmaterial entstanden sein könnten als bisher angenommen. Christian Renggli vom Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung bringt das inhaltlich auf den Punkt: „Unsere Untersuchungen sprechen dafür, dass die vulkanischen Gesteine auf dem Merkur aus stärker aufgeschmolzenem Material des Mantels entstanden sind als bisher angenommen.“ Für die Einordnung heißt das: Die Vulkanphase war offenbar nicht nur zeitlich früh, sondern auch in den chemisch-physikalischen Rahmenbedingungen „anders“ als in manchen bisherigen Rekonstruktionen.
Für die nächsten Schritte ist die Mission BepiColombo zentral, weil sie die Labor- und Teleskopinterpretation mit neuen, deutlich präziseren Infrarotdaten unterfüttern soll. Die Doppelraumsonde ist ein gemeinsames Projekt der europäischen und der japanischen Weltraumagentur ESA und JAXA. Laut Zeitplan soll sie im November dieses Jahres in eine Umlaufbahn um Merkur einschwenken. Bereits nächste Woche steht der erste Missionsteil an: die Abtrennung beider Sonden vom Transportmodul am Donnerstag, 3. September 2026. Besonders relevant für die chemische Detailfrage ist das Instrument MERTIS (Mercury Thermal Infrared Spectrometer), das unter Leitung des DLR gemeinsam mit dem Institut für Planetologie der Universität Münster entwickelt und gebaut wurde. Es soll dann deutlich präzisere und höher aufgelöste Infrarotdaten aufzeichnen. In der Studie wird diese Messkampagne als Chance beschrieben, die aus den neuen Kalibrierungen abgeleiteten SiO2-Gehalte möglichst genau auf Merkuroberflächen zu verifizieren.
Aus Sicht der Entwicklung in der Raumfahrt und der datengetriebenen Planetenforschung ist das Vorgehen zudem ein Lehrstück für zuverlässige Inferenz: Ohne Landebohrungen wird das „Wie viel ist wovon vorhanden?“ zur Frage nach Kalibrierbarkeit. Wenn die Infrarotsignaturen durch sauber definierte Labor-Standards wie die beschriebenen Glaskügelchen besser interpretiert werden können, sinkt der Interpretationsspielraum bei der Rohdatenanalyse. Das ist auch deshalb wichtig, weil Unterschiede im SiO2-Gehalt schnell zu weitreichenden Schlussfolgerungen über Mantelprozesse, Abkühlkurven und den Umgang des Planeten mit Sauerstoff führen können. Ob die zweite Hypothese – ein ursprünglicher höherer SiO2-Gehalt mit späterem Sauerstoffverlust – ebenfalls präzise zu den neuen Daten passt, dürfte sich gerade daran entscheiden, wie stark die MERTIS-Messungen die Labor-Kalibrierung reproduzieren. Für Unternehmen und Institute, die Infrarotdatenverarbeitung, Spektralmodellierung oder Messkalibrierung für Sensorik-Projekte betreiben, liefert die Studie damit nicht nur planetologische Ergebnisse, sondern auch ein nachvollziehbares Muster, wie man aus Fernerkundung robuste Parameter ableitet.
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