Am 4. Juli 1997, nach einer Flugdauer von sieben Monaten, landete die NASA-Sonde Mars Pathfinder im Ares Vallis auf unserem Nachbarplaneten. Das neben den Kameras wesentliche wissenschaftliche Instrument, das Alpha-Proton-Röntgenspektrometer (APXS), wurde am Max-Planck-Institut für Chemie, Mainz, in der Abteilung Kosmochemie entwickelt und gebaut. Die Projektleitung für das APX-Spektrometer lag in den Händen von Dr. Rudolf Rieder. Neben Mainzer Wissenschaftlern und Technikern haben an diesem Projekt internationale Kollegen, vor allem aus den USA und Rußland mitgearbeitet. Das APX-Spektrometer für die chemische Analyse der Staubschicht und der darin bzw. darauf liegenden Gesteine war auf dem kleinen Mars-Rover "Sojourner" montiert, der im Jet Propulsion Laboratory der NASA in Pasadena, Kalifornien, entwickelt worden war.

Das Prinzip des Spektrometers beruht auf der Bestrahlung der zu untersuchenden Probe mit Alphateilchen aus dem Curium-Isotop 244. Drei verschiedene Wechselwirkungen der Alphateilchen mit der Probe werden benützt.

1.) Rückstreuung der Alphateilchen an den Atomkernen der Probe (Rutherfordsche Streuung). Die Energie der um etwa 180° zurückgestreuten Alphateilchen ist ein direktes Maß für die Masse des Atomkerns, an dem die Streuung stattfindet. Sie wird mit einem Halbleiterdetektor gemessen. Dieser Alpha-Modus ist besonders nützlich für die Analyse der leichten Atome Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff.

2.) Die auf die Probe auftreffenden Alphateilchen können in selteneren Fällen auch in die Atomkerne eindringen und diese zur Aussendung von Protonen anregen. Diese Alpha-Protonen Reaktionen werden für die Analyse von Natrium, Magnesium, Aluminium und Silizium mit herangezogen.

3.) In der Wechselwirkung der Alphateilchen mit den Atomhüllen der Atomkerne werden Elektronen aus den inneren Elektronenschalen herausgeschlagen. Beim Wiederauffüllen dieser Löcher entsteht charakteristische Röntgenstrahlung, die mit einem Röntgendetektor nachgewiesen und für die Analyse aller Elemente schwerer als Natrium verwendet wird.

Während die Alpha- und Protonendetektoren praktisch bei jeder Temperatur unter 30° Celsius arbeiten, hängt die Energieauflösung des Röntgendetektors stark von seiner Temperatur ab. Um kostbare elektrische Energie zu sparen, blieb ein eingebauter kleiner Peltierkühler unverwendet. Deshalb konnten die Röntgenspektren nur in der Nacht aufgenommen werden, nachdem die Temperatur unter minus 30° Celsius abgesunken war. An der Pathfinder Landestelle wurden um die Mittagszeit Temperatur-Höchstwerte von plus 5° Celsius gemessen, während in der Nacht die Temperatur auf minus 80° Celsius absank. Ursprünglich war das Mainzer Spektrometer für die russische Mars-96 Mission gebaut worden. Es hat eine Gesamtmasse von 570 Gramm und ermöglicht bei einem Energieverbrauch von 340 Milliwatt die Analyse aller Elemente außer Wasserstoff, sofern sie in einer Konzentration von mehr als 0.1 % vorliegen. Als amerikanische Wissenschaftler von den Spezifikationen des Spektrometers hörten, wurde von der Leitung des Pathfinderprojekts angefragt, ob das MPI Mainz ein solches Spektrometer auch für dieses Projekt zur Verfügung stellen würde. Die Zusage erfolgte prompt, insbesondere, da bekannt war, daß das Spektrometer auf einem Rover montiert werden sollte. Auf den russischen Sonden, den zwei "kleinen Stationen", waren nur Analysen des Staubs an den beiden Landepunkten vorgesehen, dafür aber auch Analysen in einigen Metern Tiefe mittels zweier Penetratoren. Die Mars-96 Mission scheiterte bereits kurz nach dem Start am 16./17. November 1996 . Die Mars Pathfinder Mission klappte in allen Einzelheiten hervorragend. Die erste Publikation über die Ergebnisse der Pathfinder Mission in der Zeitschrift "Science" wird heute gleichzeitig in den USA und hier in Mainz vorgestellt. Die ersten Resultate der APXS-Analysen sind dort in dem Artikel "The Chemical Composition of Martian Soil and Rocks Returned by the Mobile Alpha Proton X-ray Spectrometer: Preliminary Results from the X-ray Mode" von R. Rieder, T. Economou, H. Wänke, A. Turkevich, J. Crisp, J. Brückner, G. Dreibus und H. Y. McSween, Jr. nachzulesen.

Als erstes hatte Sojourner den Meßkopf des APX-Spektrometers in die freie Marsatmosphäre gehalten. Das Ergebnis der Analyse war nicht überraschend - praktisch reines C0₂. Für die, die dieses Spektrometer entwickelt und gebaut hatten, war es dennoch Anlaß für einen Freudenschrei: "Hurra, unser Ding hat Start, Flug und Landung überstanden." Als nächstes hat Sojourner dann seine "Spürnase" in den Sand gesteckt, also eine chemische Analyse des Marsstaubs vorgenommen. Auch hier keine große Überraschung: Der Staub an der Pathfinder Landestelle in Ares Vallis ist in seiner Zusammensetzung sehr ähnlich dem Staub, den die Vikingsonde 1 vor 21 Jahren an der etwa 1000 km weiter westlich gelegenen Landestelle Chryse gemessen hatte.

Bei der Vikingmission gab es zwei Sonden, die an zwei 6500 km voneinander entfernten Landestellen den Staub analysierten. Das feine Material des Bodens hatte aber eine beinahe identische Zusammensetzung. Die heftigen, am Mars zu bestimmten Zeiten auftretenden Staubstürme sorgen offenkundig für eine weitgehende Durchmischung der Staubschicht, zumindest in mittleren Breiten. Der Staub enthält viel Eisen und Magnesium, aber auch Aluminium und Calcium, beträchtliche Mengen von Schwefel und Chlor, jedoch sehr wenig Kalium. Diese Zusammensetzung wurde als Verwitterungsprodukt von mafischen (magnesium- und eisenreichen) Gesteinen interpretiert. Einem Modell zufolge stammen Schwefel und Chlor aus der Wechselwirkung von vulkanischen Gasen mit den mafischen Gesteinen, die zur Bildung von Sulfaten und Chloriden führt. Die Staubproben derVikingmission wurden mit einem Arm von den Sonden aus genommen, dessen Länge aber nicht ausreichte, um an Steine zu gelangen.

Mit dem Rover der Marsmission Pathfinder konnte nun erstmals an einen Stein herangefahren werden, um ihn zu untersuchen. "Barnacle Bill" tauften die NASA Wissenschaftler den ersten Stein, an den Sojourner seine Spürnase drückte. Zur großen Überraschung aller mit dem Mars beschäftigten Wissenschaftler hatte dieser Stein eine Zusammensetzung, die kaum jemand vermutet hätte: Sehr viel Si0₂, viel AI₂0₃, reichlich K₂0 aber nur sehr wenig MgO. Also ein hochdifferenziertes, typisches Krustengestein, auf der Erde vergleichbar mit einem Andesit (vulkanisches Gestein, wie es insbesondere an Subduktionszonen auftritt), nur mit einem wesentlich höheren Gehalt an FeO. Letzterer erklärt sich aus dem mehr als doppelt so hohen Fe0-Gehalt des Marsmantels im Vergleich zum Erdmantel, wie die Wissenschaftler der Abteilung Kosmochemie schon vor 13 Jahren auf Grund von Untersuchungen an Marsmeteoriten gezeigt hatten. Es wird allgemein angenommen, daß Marsmeteorite - beim Einschlag größerer Körper aus der Marsoberfläche herausgeschleudert - dem Schwerefeld des Mars entkamen und schließlich nach einigen Millionen Jahren als Meteorite auf die Erde fielen. Die Marsmeteorite (wir kennen insgesamt 12 Vertreter) haben recht unterschiedliche Zusammensetzungen mit einem starken Überwiegen der mafischen bis ultramafischen Komponenten. Die Vikinganalysen, sowie die Zusammensetzung der Marsmeteorite, führten zur Ansicht, daß Mars ein wenig entwickelter Planet wäre, auf dessen Oberfläche mafische Gesteine vorherrschten.

In Wahrheit besitzt Mars also - wie die Erde - eine hochdifferenzierte Kruste mit viel Aluminium und Silizium. Wegen der im Vergleich zur Erde wesentlich geringeren Masse (1/10 der Erdmasse) hatte man eine so große Differenzierung am Mars nicht erwartet. "Barnacle Bill" und vier weitere Steine, die Sojourner mit dem APX-Spektrometer aufsuchte, erwiesen sich in ihrer Zusammensetzung recht ähnlich, aber von der der Marsmeteorite völlig verschieden. Sollten die vereinzelten Skeptiker der Theorie über den Marsursprung dieser, auch SNC-Meteorite genannten, Meteorite etwa doch Recht haben ?

Ein Vergleich der Zusammensetzung der Steine in der Umgebung der Pathfinder Landestelle mit der Zusammensetzung des Staubs, in dem, bzw. auf dem die Steine liegen, liefert Aufschluß über diese Frage (siehe Tabelle 1 ): Der Staub kann auf keinen Fall allein aus dort liegenden Steinen entstanden sein. Selbst wenn man Verwitterung, bzw. Reaktionen mit Vulkangasen, wie S0₂ und HCI in Rechnung stellt, ist dies nicht möglich, da der Staub wesentlich mehr Mg0 und Fe0 enthält, als die Steine. Hingegen enthalten die Steine mehr Si0₂ und Kalium, als der Staub.

Es muß also auf der Marsoberfläche auch Gebiete geben, in denen Gesteine mit einer anderen Zusammensetzung vorherrschen, als die bisher an der Pathfinder Landestelle gefundenen. Vor allem Gesteine mit einem hohen Gehalt an Mg0 und FeO. Die Marsmeteorite erfüllen ihrer Zusammensetzung nach diese Kriterien in bester Weise (Abbildung 1 ). Möglicherweise stammen die Mg-haltigen Basalte aus geologisch jüngeren Vulkangebieten, z.B. aus der Tharsis Region mit ihren mächtigen Schildvulkanen, wie dem Olympus Mons, der mit etwa 500 km Durchmesser und einer Höhe von etwa 25 km die höchste Erhebung in unserem Sonnensystem darstellt (im Vergleich hierzu sind alle Berge auf der Erde ausgesprochene Zwerge). Im Gegensatz zu der relativ jungen, möglicherweise heute noch aktiven Tharsis Region wird für die Gegend der Pathfinder Landestelle ein Alter von mehr als 3 Milliarden Jahren geschätzt.

Die Steine an der Pathfinder Landestelle waren alle mehr oder minder mit Staub bedeckt. Dies geht sowohl aus den Bildern, als auch aus den APX-Analysen hervor. Insbesondere die Schwefelgehalte liegen um ein Vielfaches höher, als man für aus der Schmelze erstarrtes Gestein erwarten dürfte. Alle APX-Analysedaten von Marssteinen sind daher insofern verfälscht, als das APX-Spektrometer naturgemäß den an der Gesteinsoberfläche haftenden Staub mitmißt. Diese Staubbedeckung erreicht im Falle des Steines "Yogi" einen Wert von über 50%.Trägt man die gemessene Elementkonzentration gegen die Schwefelkonzentration auf, wie in Abbildung 2 geschehen, so ergeben sich lineare Regressionen. Extrapoliert man auf einen Schwefelwert gleich Null, so erhält man die Zusammensetzung der "staubfreien" Steine.

Zur Berechnung der Regressionsgeraden in der Abbildung 2 wurden nur die Analysenwerte der untersuchten Steine herangezogen. Wie ersichtlich, fallen die Meßwerte der Staubproben an das schwefelreiche Ende der Korrelationsgeraden. Es wäre auch denkbar, daß es sich statt anhaftendem Staub um Verwitterungskrusten handelt, die dann aber fast exakt die Zusammensetzung des Staubes haben müßten.

Die Probe A8, "Scooby Doo", hat einen sehr hohen Schwefel- und Chlorgehalt, fällt aber für alle anderen Elemente (ausgenommen Magnesium) in den Bereich der analysierten Steine. Die äußere Form und die feste Oberfläche von "Scooby Doo" könnten auf ein Sedimentgestein hindeuten. Generell muß gesagt werden, daß die untersuchten Marssteine ihrer Zusammensetzung nach zwar in den Bereich der Andesite fallen, aber ein Schluß auf eine ähnliche Entstehungsgeschichte voreilig wäre. Es könnte sich ebensogut um Sedimentgesteine oder Impakt-Brekzien handeln.

Klare Erkenntnis aus der Pathfinder Mission ist, daß Mars seiner geologischen Entwicklung nach viel komplexer, aber auch viel erdähnlicher ist, als bisher angenommen wurde. Mobilität auf der Marsoberfläche ist damit eine Grundvoraussetzung für alle künftigen Marsmissionen mit geochemischer, bzw. geologischer Zielsetzung.