DRESDEN / LONDON (IT BOLTWISE) – Neue Messungen aus einer Mangankruste in der Tiefsee deuten darauf hin, dass ein extremes r-Prozess-Ereignis vor mindestens 100 Millionen Jahren nahe der Erde stattgefunden hat. Entscheidend war dabei das seltene Isotop Plutonium-244, das nur unter hochexplosiven Neutronen-Influx-Bedingungen entsteht. Das Team aus Dresden, Sydney und Canberra nutzt dafür neben der radioaktiven Zerfallskinetik auch modernste Datierungstechniken. Parallel baut das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf mit dem „Hamster“ eine eigene Hochpräzisions-AMS-Anlage für solche Spurenanalysen.
Vor über 100 Millionen Jahren könnte die Erde sehr knapp an einem kosmischen Ereignis vorbeigeschrammt sein, das in astronomischem Maßstab als „Mega-Katastrophe“ gilt. Den Hinweis liefern Forscherinnen und Forscher aus Dresden, Sydney und Canberra, die radioaktive Spuren in einer Mangankruste aus der Tiefsee untersucht haben. Im Zentrum der Interpretation steht das seltene Isotop Plutonium-244, das offenbar im Rahmen eines besonders energiereichen r-Prozesses entstanden sein muss. So entsteht das Bild einer nahen Supernova oder einer Neutronenstern-Kollision, bei der zwei Sterne verschmolzen sind, die dabei massiv schwere Elemente erzeugen.
Technisch ist die Arbeit vor allem deshalb bemerkenswert, weil sie mehrere Messdimensionen zusammenführt: Erstens nutzen die Teams den Nachweis und die relativen Mengenverhältnisse von Plutonium-244 sowie weiteren Radionukliden, die im Ozeanboden über sehr lange Zeiträume konserviert bleiben. Zweitens datieren sie das Ereignis über den Zerfall dieser instabilen Isotope und damit über die zeitliche „Rückrechnung“ in den Tiefseeproben. Damit die Datierung hinreichend eng wird, kamen besonders empfindliche Forschungsanlagen in Rossendorf, Sydney und Canberra zum Einsatz. Der entscheidende Punkt ist, dass der r-Prozess nicht „nebenbei“ abläuft, sondern extremen Neutronenfluss erfordert.
Der r-Prozess, auf den die Messung indirekt hinweist, beschreibt ein Szenario, in dem Atomkerne in sehr kurzer Zeit in schneller Folge extrem viele Neutronen einfangen. Genau dieses Bedingungsfenster ist Voraussetzung dafür, dass Plutonium-244 in der notwendigen Form überhaupt entstehen kann. In der astrophysikalischen Praxis konkurrieren dabei zwei große Erklärungsketten: eine Supernova, bei der die nötigen Bedingungen während kurzer Phasen im Sterninneren oder in dessen Umgebung erreicht werden, oder die Verschmelzung zweier Neutronensterne, die beim Auswurf von Materie ebenfalls hochenergetische Nukleosyntheseprozesse antreibt. Wie die Datierung zeigt, liegt das „letzte große“ Ereignis, das solche Elemente nahe der Erde erzeugt haben könnte, mindestens 100 Millionen Jahre zurück.
Während solche Analysen früher stark auf wenige, sehr spezialisierte Labore angewiesen waren, verschiebt sich der Wettbewerb zunehmend in Richtung „Instrumenten-Mastery“: Wer besonders niedrige Nachweisgrenzen, saubere chemische Abtrennung und präzises Isotopen-Counting kombiniert, gewinnt Entscheidungsspielräume bei der Zeitauflösung kosmischer Ereignisse. In der Breite arbeiten Teams weltweit mit Beschleuniger-Massenspektrometrie (AMS), doch die konkrete Leistungsfähigkeit hängt von Design, Ionenoptik, Detektoren und Probenchemie ab. In diesem Kontext ist der Aufbau eigener Kapazitäten in Dresden strategisch, denn er reduziert Abhängigkeiten von Kapazitätsengpässen externer Messplätze und kann die Bearbeitungszeit für neue Tiefseeproben verkürzen. Als Vergleichspunkt dient etwa die Vorgehensweise anderer Forschungsgruppen, die Plutonium- und Neutronenprozessspuren in Umwelt- und Gesteinsarchiven in AMS-Systemen routinemäßig untersuchen.
Branchen- und Forschungsseitig passt das Vorhaben in eine länger laufende Agenda: Das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf und seine Netzwerke beschäftigen sich seit Jahren mit Astrophysik, Kernfusion und verwandten Themen. Der Gedanke dahinter ist, dass kosmische Ereignisse nicht nur beobachtet, sondern über seltene Isotopensignaturen in irdischen Archiven rekonstruiert werden können. Gleichzeitig laufen in Dresden parallele Hochrechnungs- und Experimentierstränge, darunter Simulationen komplexer Prozesse im All und Projekte, die die „Speicherfunktion“ der Erde in Eis und Tiefsee untersuchen. Damit entsteht ein Ökosystem aus Messinstrumenten, Probenchemie und Modellierung – und genau hier entscheidet sich, wie belastbar die Aussage über „wann“ und „was“ in der Nähe der Erde passiert ist.
Mit Blick auf die Instrumentierung konkretisieren die Dresdner Forschenden ihre Strategie in einem neuen Beschleuniger-Massenspektrometer, das intern als „Hamster“ beschrieben wird. Es basiert auf dem Prinzip der AMS: Proben werden so aufbereitet, dass Atomkerne als elektrisch geladene Ionen vorliegen, im Magnetfeld abgelenkt, anschließend in einem Hochspannungsbereich beschleunigt und danach von empfindlichen Detektorsystemen gezählt werden. Das System soll Spannungen bis zu einer Million Volt (1,0 MV) aufbauen können, während ergänzend am Standort bereits eine 6-MV-AMS-Anlage existiert. Zwei neue Chemielabore sollen die Probenvorbereitung übernehmen, weil die chemische Reinheit direkt auf die Messunschärfe wirkt und damit auf die Datierungsqualität.
Ein weiterer Wettbewerbsfaktor ist die Frage, wie schnell Erkenntnisse aus Messungen in astrophysikalische Modelle zurückfließen. In der bisherigen Praxis wurden ähnliche Isotopspuren oft in großen, internationalen Kampagnen gewonnen und anschließend in Fachartikeln in Fachjournalen zusammen mit Nukleosynthese-Modellen interpretiert. Genau hier kann eine lokalisierte Mess- und Probenkette in Dresden den Takt erhöhen: Neue Tiefsee- oder Archivproben ließen sich zeitnäher prüfen, wodurch sich die statistische Aussagekraft verbessern lässt. Für Unternehmen und Entwickler aus dem Umfeld von Laborautomation, Sensorik und Datenanalyse ist das relevant, weil Präzisionsmessungen häufig von Software-gestützter Qualitätskontrolle, spektraler Kalibrierung und robustem Datenmanagement abhängen.
In den nächsten Schritten wird entscheidend sein, ob das Ereignisszenario „Supernova“ versus „Neutronensternverschmelzung“ durch weitere Isotopensignaturen eindeutig eingegrenzt werden kann. Das ist auch deshalb spannend, weil Neutronenstern-Mergers in der modernen Astronomie zunehmend mit multimodalen Beobachtungen (zunehmend auch in Kombination mit Detektoren für Gravitationswellen und hochenergetische Signaturen) diskutiert werden, während die r-Prozess-Resultate in terrestrischen Archiven eine Art Zeitanker liefern. Parallel muss die Messkette gegen mögliche Kontaminationen und Probenalterseffekte abgesichert werden, da selbst kleinste Fehler im chemischen Aufschluss oder in der Hintergrundkorrektur die Rückdatierung verschieben können. Rechtlich und regulatorisch sind solche Arbeiten außerdem eingebettet in strenge Anforderungen an den Umgang mit radiologischen Proben, Dokumentation und Sicherheit in den Laborprozessen.
Für die Zukunft ergibt sich daraus ein klares Entwicklungspotenzial: Je besser die AMS-Kapazitäten und die Probenchemie, desto präziser lässt sich nicht nur ein einzelnes Ereignis rekonstruieren, sondern auch die Häufigkeit solcher r-Prozess-„Zuführungen“ über geologische Zeiträume. Das kann helfen, Modelle zur Häufigkeitsverteilung kosmischer Nukleosyntheseprozesse zu kalibrieren, und langfristig die Brücke zwischen Astrophysik und Erdwissenschaften noch enger schlagen. Mit dem „Hamster“-Bau erweitert das HZDR sein Instrumentarium in Richtung stärkerer Autonomie – ein Vorteil, wenn neue Proben aus Tiefseeprojekten, Eisarchiven oder ergänzenden geochemischen Untersuchungen anstehen. Gleichzeitig profitieren Entwickler von datengetriebenen Workflows rund um Kalibrierung, Plausibilitätschecks und Qualitätsmetriken, die sich künftig auch für andere Spurenanalysen in Umwelt und Materialien übertragen lassen.
Die wissenschaftliche Veröffentlichung, auf der die aktuellen Befunde basieren, lautet: „The timing of the last r-process event near Earth from interstellar 60Fe, 244Pu and 247Cm deposition on Earth“ von D. Koll, S. Fichter, M. A. C. Hotchkis, S. T. Battisson, S. Beutner, L. K. Fifield, M. B. Froehlich, J. Lachner, S. Pavetich, G. Rugel, Z. Slavkovska, S. G. Tims und A. Wallner, in: „Nature Astronomy“, 2026. Fundstelle im Netz und DOI: 10.1038/s41550-026-02841-6.
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