Seit acht Jahren ist die europäisch-japanische Forschungssonde BepiColombo (externer Link) unterwegs und hat auf ihrem Weg fast zehn Milliarden Kilometer zurückgelegt. Mittlerweile hat die ESA-Mission (externer Link) die entscheidende Ankunftsphase am Merkur erreicht. Der Eintritt in einen Merkurorbit ist für den 21. November 2026 geplant. Die wissenschaftliche Missionsphase soll im April 2027 beginnen. Ihr Ziel ist, dessen Oberfläche zu erforschen und seine Zusammensetzung zu entschlüsseln.
An Bord der Sonde sind 16 wissenschaftliche Instrumente, darunter mehrere spezialisierte Spektrometer. Sie arbeiten nach einem Prinzip, dessen Grundlagen der bayerische Forscher Joseph von Fraunhofer gelegt hat. Dieses Jahr jährte sich der Todestag Fraunhofers zum 200. Mal, weshalb die UNESCO es zum Gedenkjahr für ihn ausgerufen hat. Einer seiner wichtigsten Arbeits- und Forschungsstätten war die Glashütte am Kloster Benediktbeuern (externer Link). Heute, am 18. September, wird dort eine neu gestaltete Ausstellung eröffnet, die Leben und Werk Joseph von Fraunhofers beleuchtet und die Wirkung seiner Arbeiten bis in die Gegenwart.
Fraunhofer-Linien: Fingerabdrücke im Licht des Merkur
Fraunhofer untersuchte das Sonnenlicht systematisch und entdeckte dabei dunkle Linien im Spektrum, die später nach ihm benannten Fraunhofer-Linien. Diese Linien entstehen, weil verschiedene chemische Elemente bestimmte Lichtwellen absorbieren. Das gilt auch für das von der Merkur-Oberfläche und die Mineralien darin, die das Sonnenlicht reflektieren. Aus den charakteristischen Mustern in diesem Lichtspektrum lassen sich die Minerale auf der Oberfläche bestimmen, erklärt Geologe Harald Hiesinger von der Universität Münster: „Das ist wie ein Fingerabdruck, und über diese Fingerabdrücke können wir bestimmen: ‚Das ist Mineral A oder das ist Mineral B'“.
MERTIS-Spektrometer soll Karte der Merkur-Mineralien ermöglichen
Zwölf der insgesamt 16 Instrumente an Bord von BepiColombo sollen den Merkur aus einer Höhe zwischen 480 und 1.500 Kilometern untersuchen. Eines davon ist das Spektrometer MERTIS, das vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (externer Link) entwickelt wurde. Mit ihm wollen Harald Hiesinger (externer Link) und sein Team eine Karte der Merkur-Oberfläche mit einer Auflösung von 500 Metern erstellen, die zeigt, welche Mineralien wo vorkommen. Im Gegensatz zu Fraunhofer, der Glasprismen nutzte, arbeitet MERTIS mit hochmodernen Metalloptiken.
Metall statt Glas – wie die Optiken am Merkur funktionieren
Metalloptiken sind reflektive Optiken, erklärt der an der Entwicklung und Herstellung der Optiken beteiligte Ingenieur Stefan Risse vom Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feimechanik IOF (externer Link): Sie sammeln einfallendes Licht und leiten es über hochpräzise Spiegel weiter zum nächsten optischen Element. „Mehrere Spiegel bereiten das Licht im Empfangsbereich auf und leiten es in den Spektrometer. Dort sorgen weitere Spiegel und ein feines Gitter dafür, dass das Licht in seine einzelnen Spektralbereiche zerlegt wird.“
Was Temperaturveränderungen über das Gestein verraten
MERTIS misst Licht im einem Spektralbereich von 7 bis 12 Mikrometer Wellenlänge, so Risse weiter, die Genauigkeit liege bei 0,9 Nanometer. Dadurch erhalte man auch exakte Daten des Wärmebildes. Zusammen mit einem Radiometer, das Temperaturen – ähnlich einer Wärmebildkamera – aufzeichnet, soll der Temperaturverlauf exakt bestimmt werden können. Auf dem Merkur sind die Unterschiede extrem: Auf der sonnenzugewandten Seite können über 400 Grad Celsius herrschen, im Schatten fallen die Temperaturen auf bis zu minus 170 Grad. Aus der Geschwindigkeit, mit der sich die Oberfläche erhitzt und wieder abkühlt, lassen sich Rückschlüsse auf die Korngrößen der Gesteine ziehen, erläutert Hiesinger: „Feines Material kühlt schnell ab, ähnlich wie ein kleiner Espresso, während große Brocken langsamer auskühlen – wie ein großer Kaffeepott.“ Über die Abkühlungsrate kann man somit die Korngröße bestimmen.
MERTIS: Klein wie ein Schuhkarton, aber hochpräzise und robust
Das hochpräzise Messinstrument wiegt nur 3,3 Kilogramm und ist „klein wie ein Schuhkarton“, so Stefan Risse. Die Metalloptiken haben die Größe einer 2-Euro-Münze. Als Schutz vor UV- und radioaktiver Strahlung sind sie in die Sonde eingebettet. Diese schützt sie auch vor den starken Temperaturschwankungen, so Risse weiter, aber auch das Material, aus dem die Optiken bestehen: „Metall ist sehr geeignet für solche Anwendungen, es ist relativ temperaturstabil“. Zum Einsatz kommt das Spektrometer MERTIS ab März 2027. Dann soll BepiColombo in seine endgültige Umlaufbahn um den Merkur einschwenken und mit den Messungen beginnen.
