Meteoriten-Chemie und Vergleich mit Kometendaten von Rosetta

Die chemische Zusammensetzung ausgewählter Meteoritenproben wird mit mehreren spektroskopischen Methoden untersucht. Das Hauptinstrument wird ein Sekundärionen-Flugzeit-Massenspektrometer (time-of- flight secondary ion mass spectrometer, TOF-SIMS) sein, das ein Labor-Zwillingsgerät des gleichartigen Gerätes COSIMA darstellt. COSIMA (COmetary Secondary Ion Mass Analyzer) ist eines der Instrumente an Bord der Rosetta-Mission, die derzeit zu einem Kometen unterwegs ist (durchgeführt von der European Space Agency, ESA). Ab November 2014 wird COSIMA in der Nähe des Kometen Staubkörner sammeln und analysieren. Es wird erwartet, daß diese Partikel chemisch ähnlich sind den kohlig-chondritischen Meteoriten (innige Mischung aus Mineralien und organischen Verbindungen). Die mit Meteoritenproben erhaltenen Ergebnisse werden eine effizientere und sicherere Auswertung der Kometendaten ermöglichen. Weitere Geräte zur Analyse von Meteoritenoberflächen in diesem Projekt sind ein Hochleistungs-TOF- SIMS-Instrument, ein Laser-Desorptions/Ionisierungs-Tandem-Massenspektrometer (geeignet auch für Molekulares Imaging), ein Infrarot-Mikroskop und ein Raman-Mikroskop. Die Meßflächen haben Durchmesser zwischen 0.001 und 0.1 mm. Geeignete Meteoritenproben werden von Experten des Naturhistorischen Museums in Wien ausgewählt und bereitgestellt, wobei auf die weltweit größte, älteste und variantenreichste Meteoritensammlung zurück gegriffen werden kann. Für die gemeinsame Auswertung der Meßdaten von den unterschiedlichen Instrumenten werden neue Methoden aus der multivariaten Statistik entwickelt und in der Open-Source-Programmierumgebung "R" implementiert. Die Entwicklung einer geeigneten, leistungsfähigen chemometrischen Datenauswertung ist ein wesentlicher Teil des Projektes. Die Hauptziele des Projektes sind die Charakterisierung und Klassifizierung von Meteoritenoberflächen in Analogie zu den erwarteten Daten vom Kometen, die im letzten Teil des Projektes verfügbar sein werden. Mehrere Forschungsgruppen werden an diesem interdisziplinären Projekt mitwirken: In Österreich sind es zwei Institute an der Technischen Universität Wien (eines für die analytische Chemie, eines für die Statistik); weiters eine Chemieabteilung der Universität für Bodenkultur in Wien, sowie das Naturhistorische Museum Wien. Außerhalb Österreichs werden auf eigene Kosten mitarbeiten: zwei Astrophysiker am Max Planck Institut für Sonnensystemforschung (verantwortlich für COSIMA), eine Chemieabteilung des schwedischen Technical Research Institute, sowie eine Expertin für Mikrometeoriten und Kometenforschung an der Université Paris Sud. Bereits erfolgreiche Kooperationen von Projektpartnern lassen eine fruchtbringende und visionäre Arbeit dieses Konsortiums erwarten. Die Projektresultate werden unsere Kenntnisse über Meteoriten und Asteroiden erweitern, die Auswertung von Rosetta-Daten (anorganische und organische Substanzen) unterstützen und wesentliche Beiträge zur Oberflächenanalytik und der darin involvierten Chemometrie liefern.

Die Weltraummission Rosetta der ESA (European Space Agency) startete am 2. März 2004 und erreichte im August 2014 die Nähe des Kometen 67P/Churyumov-Gerasimenko. Im November 2014 lieferte eine Landeeinheit Messergebnisse von der Kometenoberfläche. Mit den Instrumenten an Bord von Rosetta wurde der Komet aus Entfernungen von typisch 20 bis 500 km 2 Jahre lang erforscht. Eines der Instrumente an Bord war COSIMA (COmetary Secondary Ions Mass Analyzer), entwickelt unter der Leitung von Jochen Kissel. Die operative Betreuung erfolgte durch das COSIMA-Team (etwa 30 Wissenschaftler) mit dem Principal Investigator (P.I.) Martin Hilchenbach vom Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung (MPS), Göttingen. Der Chemiker Kurt Varmuza (TU Wien), Autor dieses Berichts, war Co-P.I. im COSIMA-Projekt, insbesondere zuständig für die Datenanalyse und Interpretation. Die Unterstützung durch den FWF (P26871-N20) für das Projekt CoMeCS (Comet and Meteorite Materials - Studied by Chemometrics of Spectroscopic Data, Projektleiter K. Varmuza, http://www.lcm.tuwien.ac.at/comecs/) war die Grundlage für Beiträge österreichischer Wissenschaftler zu den Resultaten, die aus den COSIMA-Daten abgeleitet wurden. COSIMA sammelte zirka 1400 Partikel (0.02 - 0.9 mm), photographierte sie (1 cm 1 cm, 1024 1024 Pixel) und registrierte etwa 33000 Massenspektren (die die chemische Zusammensetzung charakterisieren; jedes Spektrum besteht aus etwa 128000 Zahlen). Alle diese Daten wurden zur Erde übertragen. Für Vergleiche wurden Meteoritenproben untersucht, die vom Naturhistorischen Museum Wien bereit gestellt wurden. Die Messungen erfolgten mit einem Labor-Zwillingsgerät von COSIMA (betrieben im MPS). Ein Ziel des CoMeCS-Projekts war die Entwicklung und Adaption von Methoden und Software aus den Gebieten der multivariaten Statistik und des maschinellen Lernens - unterstützt durch den Statistiker Peter Filzmoser (TU Wien, Research Unit Computational Statistics) - und der Anwendung auf Kometen- und Meteoriten-Daten. Wesentliche Resultate, die aus den COSIMA-Daten erhalten wurden, sind: Das organische Material in Kometenpartikel ist hochmolekular und gemischt mit Silikaten; die atomaren Häufigkeiten sind C/Si ~5, C/H ~ 1, C/N ~ 30. Mit Methoden des maschinellen Lernens wurden in den Massenspektren Signale von Ionen gefunden, die Kohlenstoff und Wasserstoff enthalten. Kometenmaterial enthält mehr Kohlenstoff als die Kohlenstoff-reichen Meteorite. Es konnten jedoch keine konkreten Moleküle in den Partikeln identifiziert werden. Auch konnten keine Substanzen nachgewiesen werden, die - so die Vermutung - nach dem Einschlag von Kometen mit der Entwicklung von Leben auf der Erde zusammenhängen. Aus dem CoMeCS-Projekt resultieren (in Zusammenarbeit mit dem COSIMA-Team) 14 wissenschaftliche Publikationen (2 davon in Nature), 2 Dissertationen (Statistik, Chemie), 4 Bachelor/Diplom-Arbeiten, sowie über 40 Präsentationen bei Konferenzen. Die entwickelte Software und eine Datenbank mit mehr als 120000 Massenspektren von Kometenmaterial stehen für zukünftige Arbeiten zur Verfügung.