(Main) Der treue Begleiter der Erde, der Mond (inset) eine Illustration der Zusammensetzung des „Wundermaterials“ Graphen.(Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva)/NASA)
Wissenschaftler haben in Mondbodenproben natürlich gebildete Graphenflocken entdeckt, die möglicherweise Licht in das Rätsel um die Entstehung des Mondes bringen.
Die Proben wurden 2020 von Chang’e-5 (CE-5), der fünften Monderkundungsmission des chinesischen Monderkundungsprogramms und Chinas erster Mission zur Rückführung von Proben zur Erde, auf dem Mond gesammelt.
Graphen ist eine Form von Kohlenstoff oder ein „Allotrop“, das aus einer einzigen Schicht von Atomen besteht, die in einer Bienenwabenstruktur angeordnet sind. Es wurde erstmals im Jahr 2004 von Andre Geim und Konstantin Novoselov entdeckt. Im Jahr 2010 erhielt das Duo den Nobelpreis für Physik für die Entdeckung von Graphen aufgrund seiner bemerkenswerten physikalischen Eigenschaften und seiner potenziellen Anwendungen in der Elektronik, Energiespeicherung, Sensorik und Biomedizin, neben vielen anderen.
„Graphen hat mit seinen neuartigen physikalischen Phänomenen und außergewöhnlichen Eigenschaften die Forschung im Bereich der Physik der kondensierten Materie und der Materialwissenschaften revolutioniert“, schreibt das Team der Mondprobe in einem kürzlich in der Zeitschrift National Science Review veröffentlichten Artikel.
Aber warum haben die Wissenschaftler überhaupt auf dem Mond nach Graphen gesucht?
Inhaltsübersicht
Könnte Graphen Aufschluss darüber geben, wie der Mond entstanden ist?
Die Entstehung des Mondes ist nach wie vor umstritten, obwohl im Laufe der Jahre viele Theorien aufgestellt wurden. Vor allem eine Theorie, die Hypothese des Rieseneinschlags, hat an Popularität gewonnen.
Diese Hypothese besagt, dass die Erde vor etwa 4,5 Milliarden Jahren mit einem marsgroßen Planeten kollidiert ist und dabei Trümmer in der Erdumlaufbahn entstanden sind, aus denen sich schließlich der Mond gebildet hat. Riesige Einschläge wie dieser waren im inneren Sonnensystem üblich, als sich die Erde in der turbulenten Frühzeit unseres Planetensystems zusammensetzte.
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Die Zusammensetzung des Mondes ähnelt zwar der der Erde, aber Proben, die von den Apollo-Missionen der NASA mitgebracht wurden, haben gezeigt, dass der langjährige Mondbegleiter unseres Planeten im Vergleich zu unserem Planeten relativ wenig flüchtige Elemente (Elemente, die leicht verdampfen), einschließlich Kohlenstoff, enthält.
Eine künstlerische Darstellung der heftigen Kollision, aus der der Erdmond entstand (Bildnachweis: NASA)
Wissenschaftler vermuteten, dass die intensive Hitze, die durch eine solch massive Kollision erzeugt wurde, flüchtige Elemente verdampfen und entweichen ließ, wobei ein kohlenstoffarmer Körper zurückblieb. Die Apollo-Proben zeigten auch eine Ähnlichkeit in der Isotopenzusammensetzung zwischen der Erde und dem Mond. Isotope sind Atome desselben Elements mit einer unterschiedlichen Anzahl von Neutronen in ihren Kernen. Diese Ergebnisse stützen also die Vorstellung, dass sich der Mond aus Material gebildet hat, das nach einem gewaltigen Einschlag von der Erde weggeschleudert wurde.
Diese neuen Daten von CE-5 und die jüngsten Beobachtungen, bei denen Kohlenstoff-Ionenströme vom Mond ausgingen, deuten darauf hin, dass dort einheimischer oder einheimischer Kohlenstoff vorhanden sein könnte. Das stellt den bestehenden Konsens zu dieser Theorie in Frage.
„Es ist sehr wünschenswert, die kristalline Struktur des einheimischen Kohlenstoffs [des Mondes] zu entschlüsseln“, schreibt das Team. Der Grund dafür ist, dass Kohlenstoff ein grundlegendes Element für das Verständnis der Entstehung und Entwicklung planetarer Körper ist, da seine Form und Struktur durch den Prozess seiner Entstehung bestimmt wird.
„Da Graphen routinemäßig mit Hilfe künstlicher Techniken hergestellt wird, deren Morphologie und Eigenschaften durch den spezifischen Entstehungsprozess bestimmt werden, würde die Charakterisierung der Zusammensetzung und Struktur von natürlichem Graphen reichhaltige Informationen über die geologische Entwicklung der Ausgangskörper liefern“, so das Team.
Artist’s concept of China’s Chang’e 5 lunar sample-return mission. (Bildnachweis: CNSA)
Das Team, das für die Entdeckung von Graphen in Mondproben verantwortlich ist, hat eine 2,9 Millimeter lange und 1,6 Millimeter breite „olivenförmige“ Mondbodenprobe analysiert.
Um in dieser Probe nach Graphen-Kohlenstoff zu suchen, setzten die Forscher eine Reihe von Charakterisierungstechniken ein, die von Chemikern üblicherweise verwendet werden, darunter Rasterelektronenmikroskopie (SEM) und Raman-Spektroskopie.
Raman-Spektroskopie ist eine Lichtstreutechnik, mit der Wissenschaftler die Schwingungs-, Rotations- und Niederfrequenzmoden von Bindungen in Molekülen untersuchen können. Auf diese Weise können Einblicke in die Struktur und Zusammensetzung dieser Moleküle gewonnen werden. Das REM hingegen erzeugt mit Hilfe eines fokussierten Elektronenstrahls hochauflösende Bilder von der Oberfläche eines Materials. Mit SEM lässt sich die elementare Zusammensetzung bestimmen.
Mondproben der Chang’e-5-Mission in einer Vitrine, die im Chinesischen Nationalmuseum in Peking zu sehen sein wird. (Bildnachweis: CCTV)
Mit diesen Werkzeugen identifizierten die Wissenschaftler eingebettete Graphenflocken in kohlenstoffreichen Bereichen der Probe, die zwischen zwei und sieben Schichten dick waren. Das Team beobachtete auch, dass das geschichtete Graphen eine Schalenstruktur bildet, die einen Kern aus komplexen Verbindungen umschließt.
Dies deutet auf einen Bottom-up-Syntheseprozess hin und nicht auf eine Entstehung durch Exfoliation, d. h. die Abtrennung von Schichten durch Aufbrechen von Bindungen zwischen ihnen, was normalerweise eine Hochtemperaturreaktion erfordert.
Neben Graphen fanden die Wissenschaftler in den von CE-5 zurückgegebenen Mondbodenproben auch eine eisenhaltige Verbindung, die nur in den Bereichen der Probe vorhanden war, in denen auch Kohlenstoff gefunden wurde.
Dies ist interessant, weil eisenhaltige Mineralien auf dem Mond, wie Olivin und Pyroxen, eine Rolle bei der Katalyse der Umwandlung von Kohlenstoff in Graphen gespielt haben könnten.
Vulkanische Aktivitäten, Sonnenwinde oder Meteoriteneinschläge könnten die nötige Energie für diese Umwandlung geliefert haben, wodurch die für die Umwandlung von Kohlenstoff in Graphen erforderlichen Umgebungen mit hohem Druck und hoher Temperatur entstanden sein könnten.
„Diese Entdeckung könnte das Verständnis von chemischen Komponenten, geografischen Episoden und der Geschichte des Mondes neu erfinden“, so das Team, das hinter dieser Entdeckung steht.
