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Blick auf das Eis ferner Himmelkörper
Redaktion
/ idw / Pressemitteilung der Universität Innsbruck
astronews.com
10. Juli 2025
Zahlreiche Himmelskörper im Sonnensystem sind von Eis
bedeckt, doch Eis ist nicht gleich Eis. Ein Forschungsteam aus Innsbruck hat nun
eine neue Methode entwickelt, mit der die Struktur von Eis auf fernen
Himmelskörpern mithilfe von Nahinfrarot-Spektroskopie analysiert werden kann. So
lassen sich verschiedene Eisphasen unterscheiden.
Der Jupitermond Europa ist von einer dicken
Eisschicht bedeckt. Hier eine Aufnahme der NASA-Sonde Galileo.
Bild: NASA / JPL-Caltech / SETI
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Die Studie der Arbeitsgruppe um Thomas Lörting vom Institut für Physikalische
Chemie der Universität Innsbruck liefert ein neues Werkzeug für die Untersuchung
von eisreichen Himmelskörpern wie den Monden des Jupiters oder Saturns. Die
Fähigkeit, die Ordnung der Wassermoleküle im Eis zu erkennen, eröffnet neue
Einblicke in die physikalischen Eigenschaften und die geologische Entwicklung
dieser fernen Welten. "Unsere Arbeit zeigt, dass die Nahinfrarot-Spektroskopie
eine verlässliche Methode ist, um die Struktur von Wassereis aus der Ferne zu
analysieren", erklärt Lörting. "Dies ist ein wichtiger Fortschritt, da die für
die Untersuchungen im Labor bisher genutzten Methoden wie Neutronenbeugung oder
Raman-Spektroskopie für die Fernerkundung nicht geeignet sind."
Gefrorenes Wasser ist ein zentraler Bestandteil vieler Himmelskörper und ist
ein wichtiger Hinweis für die Suche nach Leben im All. Die Struktur von
Wassereis ist jedoch komplex: Es existieren mehr als 20 bekannte kristalline
Formen, die sich durch die Anordnung der Sauerstoff- und Wasserstoffatome
unterscheiden. Wenn Wasser gefriert und kristallisiert, ordnen sich die
Sauerstoffatome in regelmäßigen Mustern an, während die Ausrichtung der
Wasserstoffatome ungeordnet bleibt. Bei tieferen Temperaturen jedoch richten
sich die Wasserdipole aus. Diese subtile Veränderung hat tiefgreifende
Auswirkungen auf die mechanischen und dielektrischen Eigenschaften des Eises.
Das Innsbrucker Team konzentrierte sich in ihrer aktuellen Studie auf die
hochdruckstabilen Eisphasen V und XIII, die als Modell für geordnete und
ungeordnete Wasserstoffstrukturen dienten. Mit Unterstützung des
Nahinfrarot-Spektroskopie-Spezialisten Christian Huck vom Institut für
Analytische Chemie und Radiochemie konnten sie zeigen, dass die
Wasserstoffordnung durch spezifische Schwingungssignaturen im Spektrum
nachweisbar ist. "Die Unterscheidung zwischen geordnetem und ungeordnetem Eis
liefert wertvolle Informationen über die Temperatur- und Druckbedingungen, unter
denen das Eis entstanden ist", erklärt Christina M. Tonauer. "Dies kann uns
helfen, die thermische und geologische Entwicklung von Himmelskörpern wie
Ganymed oder Europa besser zu verstehen."
Die Ergebnisse der Studie sind für aktuelle und zukünftige Weltraummissionen
relevant. Instrumente an Bord der ESA-Raumsonde JUICE, die 2031 den Jupiter
erreichen wird, oder des James-Webb-Weltraumteleskops könnten die neuen
spektralen Referenzdaten nutzen, um die Eisphasen auf den Oberflächen von Monden
wie Ganymed oder Europa zu identifizieren. "Unsere Arbeit legt den Grundstein
für die Analyse von Eisphasen in Weltraumbeobachtungsdaten", sagt Lörting. Das
Innsbrucker Forschungsteam plant, seine spektralen Daten in zukünftigen Studien
zu erweitern, um einen breiteren Temperatur- und Druckbereich abzudecken. Dies
soll die Modellierung von Teleskopdaten verbessern und die Wahrscheinlichkeit
erhöhen, verschiedene Eisphasen in unterschiedlichen astrophysikalischen
Umgebungen zu identifizieren.
Die Identifikation von Eisphasen auf fernen Himmelskörpern könnte nicht nur
Aufschluss über die Oberflächenbedingungen geben, sondern auch über interne
Prozesse wie Kryovulkanismus oder tektonische Aktivität. Auch der
Zwiebelschalenaufbau vieler eisiger Monde und die Tiefe, aus der die
Hochdruckeisformen an die Oberfläche gelangen, könnten so zugänglich werden.
"Die Charakterisierung von Oberflächeneis bietet uns auch ein Fenster in die
inneren Dynamiken dieser Welten", betont Lörting. Die Forschungen fanden im
Rahmen des Forschungsschwerpunkts "Funktionelle Materialwissenschaften" an der
Universität Innsbruck statt und wurden unter anderem vom Österreichischen
Wissenschaftsfonds FWF finanziell gefördert.
Die Ergebnisse des Teams wurden in einem Fachartikel veröffentlicht, der
in der Zeitschrift Physical Review Letters erschienen ist.
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