logos background logos background Logo ETH Logo Insight Die ETH Zürich auf dem Mars
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InSight

Von der ETH Zürich aus dem Mars auf den Puls fühlen?

Die unbemannte InSight-Mission der NASA macht es möglich. Sie bringt geophysikalische Instrumente auf den roten Planeten, die es erlauben, sein Inneres zu erforschen. Mit an Bord ist ein Seismometer, um Marsbeben und Meteoriteneinschläge zu registrieren. Mehrere Gruppen der ETH Zürich zeichnen sich für dessen Datenerfassungs- und Steuerungselektronik verantwortlich und werden die damit gewonnen Daten auswerten und interpretieren.

News

25.10.2023

Rätsel um Kern des Mars gelöst

Der Marskern aus flüssigem Eisen ist kleiner und dichter als gedacht. Darüber gibt es eine Schicht aus flüssigem Mantelmaterial. Das schliessen ETH-Forscher aufgrund von seismischen Daten der Sonde InSight.

Vier Jahre lang registrierte die Nasa-Sonde InSight mit ihrem Seismometer auf dem Mars Beben. Forschende an der ETH erfassten und analysierten die zur Erde übermittelten Daten, um die innere Struktur des Planeten zu bestimmen. «Obwohl die Mission bereits im Dezember 2022 beendet wurde, haben wir jetzt etwas sehr Interessantes entdeckt», sagt Amir Khan, Privatdozent im Departement Erdwissenschaften der ETH Zürich.

Die Analyse der registrierten Marsbeben kombiniert mit Computersimulationen zeigen ein neues Bild des Inneren des Planeten. Zwischen dem Marskern aus einer flüssigen Eisenlegierung und dem Mantel aus festem Silikatgestein befindet sich eine rund 150 Kilometer dicke Schicht aus flüssigen Silikaten. «Eine solche, völlig geschmolzene Silikatschicht sehen wir auf der Erde nicht», sagt Khan.

Diese Erkenntnis, die jetzt in der Wissenschaftszeitschrift Nature veröffentlicht wurde, liefert auch neue Werte für die Grösse und Zusammensetzung des Marskerns und löst damit ein Rätsel, das sich die Forscher bisher nicht erklären konnten. Gleichzeitig erschienen ist eine Studie unter der Leitung von Henri Samuel vom Institut de Physique de Globe de Paris, die mit komplementären Methoden zu ähnlichen Ergebnissen kommt.

Die Analyse der ersten beobachteten Marsbeben hatte nämlich ergeben, dass die mittlere Dichte des Marskerns bedeutend kleiner sein musste als diejenige von reinem, flüssigen Eisen. Der Erdkern besteht zu rund 90 Gewichtsprozenten aus Eisen. Leichte Elemente wie Schwefel, Kohlenstoff, Sauerstoff und Wasserstoff machen ungefähr 10 Gewichtsprozente aus. Im Marskern hatten die leichten Elemente gemäss der ersten Analysen einen Anteil von 20 Gewichtsprozenten. «Über dieses seltsame Resultat haben wir uns damals gewundert», sagt Dongyang Huang, Postdoktorand am Departement Erdwissenschaften der ETH Zürich.

Weniger leichte Elemente

Aufgrund der neuen Berechnungen beträgt der Radius des Marskerns nun anstatt 1800 bis 1850 Kilometer noch 1650 bis 1700 Kilometer und macht damit ungefähr 50 Prozent des Radius vom Mars aus. Ist der Marskern kleiner als bisher angenommen, aber gleich schwer, so bedeutet dies folgendes: Seine Dichte ist grösser, und er enthält weniger leichte Elemente. Gemäss der neuen Berechnungen sinkt der Anteil der leichten Elemente auf 9 bis 14 Gewichtsprozente. «Damit ist die mittlere Dichte des Marskerns zwar immer noch etwas klein, aber nicht mehr unerklärbar», sagt Paolo Sossi, Assistenzprofessor im Departement Erdwissenschaften der ETH Zürich und Mitglied des NCCR Planet S. Denn man nimmt an, dass der Mars sehr früh entstanden ist, als die Sonne noch von einem Gasnebel mit leichten Elementen umgeben war, die sich im Kern ansammeln konnten.

Die ersten Berechnungen stützten sich auf Beben, die ziemlich nahe bei der InSight-Sonde stattgefunden hatten. Im August und September 2021 registrierte das Seismometer jedoch zwei Beben, die sich auf der anderen Seite des Mars ereigneten. Eines davon stammte von einem Meteoriteneinschlag. «Diese Beben produzierten seismische Wellen, die durch den Kern liefen», erklärt Cecilia Duran, Doktorandin im Departement Erdwissenschaften der ETH Zürich. «Damit konnten wir den Kern durchleuchten.» Bei den früheren Beben hingegen wurden die Wellen an der Kerngrenze reflektiert und lieferten keine Informationen über den inneren Bereich des Roten Planeten. Neu konnten die Forschenden nun Profile der Dichte und der Geschwindigkeit der Bebenwellen im Kern erstellen, die bis in eine Tiefe von rund 1000 Kilometer im Kern reichen.

Simulationen mit Supercomputer

Um aus solchen Profilen auf die Zusammensetzung des Materials zu schliessen, vergleichen Forschende normalerweise die Werte mit jenen von künstlich hergestellten Eisenlegierungen, die unterschiedliche Anteile anderer Elemente enthalten. Im Labor setzt man diese Legierungen hohen Temperaturen und Drücken aus, wie sie im Planeteninnern herrschen, und misst die entsprechende Dichte und Geschwindigkeit der Bebenwellen. Doch die meisten dieser Experimente beziehen sich auf das Innere Erde und lassen sich kaum auf den Mars anwenden. Die ETH-Forschenden verwendeten deshalb eine andere Methode. Sie bestimmten die Eigenschaften verschiedenster Legierungen mit quantenmechanischen Berechnungen, die sie am Nationalen Hochleistungsrechenzentrum der Schweiz (CSCS) in Lugano durchführten.

Doch als die Forschenden die berechneten mit den gemessenen Profilen verglichen, stiessen sie auf ein Problem: Es gab kein Material, das gleichzeitig zu den Werten im Innern und am äusseren Rand des Kerns passte. An der Kerngrenze hätte die richtige Eisenlegierung beispielsweise viel mehr Kohlenstoff enthalten müssen als im Kerninnern. «Das brachte uns auf die Idee, dass der Bereich, den wir früher als den äusseren, flüssigen Eisenkern betrachtet hatten, gar nicht der Kern ist, sondern der tiefste Bereich des Mantels», erklärt Huang. Tatsächlich stimmten die in den äussersten 150 Kilometer gemessenen und berechneten Profile überein mit denjenigen einer flüssigen Schicht aus Silikatmaterial, aus dem auch der Marsmantel besteht.

Weitere Analysen der früheren Marsbeben sowie zusätzliche Computersimulationen bestätigten dieses Resultat. Die Forschenden bedauern, dass die InSight-Sonde aufgrund der verstaubten Solarpanels keine weiteren Daten liefern konnte, die noch mehr Aufschluss über die genauere Zusammensetzung des Materials im Marsinnern hätten geben können. «Doch InSight war eine sehr erfolgreiche Mission, aus der wir viel herausgeholt und viel Neues gelernt haben», fasst Khan zusammen.

Literaturhinweise

Khan A, Huang D, Duran C, Sossi PA, Giardini D, Murakami M: Evidence for a liquid silicate layer atop the Martian core. Nature, 26 Oct 2023, doi: 10.1038/s41586-023-06586-4

Samuel H, Drilleau M, Rivoldini A, et al. Geophysical evidence for an enriched molten silicate layer above Mars' core, Nature, 26 Oct 2023, doi: 10.1038/s41586-023-06601-8

16.05.2023

Die Kruste des Mars ist richtig dick

Dank eines starken Bebens auf dem Mars konnten Forschende der ETH Zürich die globale Dicke der Kruste des Planeten bestimmen. Im Durchschnitt ist die Marskruste mit 42 bis 56 Kilometern viel dicker als diejenige der Erde oder des Mondes

Den vollständigen Artikel dazu finden Sie hier.

27.04.2023

Die NASA Mars InSight Mission - Feier mit Vorträgen & Apéro

Das Team der ETH Mars InSight blickt auf eine herausfordernde, erfolgreiche, spannende und unterhaltsame wissenschaftliche Reise zurück und lädt Sie am 9. Mai 2023 ab 17.15 Uhr zu einer festlichen Abschlussveranstaltung ein. Wir werden Vorträge über die Geschichte der Mission, die Erfolge, die operativen und wissenschaftlichen Highlights, die Erfahrungen der Studierenden und die Öffentlichkeitsarbeit halten, gefolgt von einem Apéro.

Die NASA-Mission InSight lieferte Daten von über 1400 Marstagen, die einen noch nie dagewesenen Einblick in das Innere des Planeten ermöglichten. Die Mission startete im Mai 2018. Fast genau fünf Jahre später laden wir Sie ein, ihre Geschichte und ihre wissenschaftlichen Errungenschaften zu feiern.

InSight landete im November 2018 auf dem Mars. Im Februar 2019 wurde das Seismometer SEIS auf der Marsoberfläche abgesetzt und sendete Daten zur Erde. Der Marsquake Service (MQS) der ETH Zürich, dessen Vorbereitungen bereits fünf Jahre zuvor begonnen hatten, konnte mit der täglichen Verarbeitung beginnen. Während der gesamten Dauer der Mission identifizierte und charakterisierte der MQS mehr als 1’300 Marsbeben, zahlreiche Meteoriteneinschläge und über 10.000 Staubtromben. Die Analyse und Interpretation der Daten enthüllte Geheimnisse über die innere Struktur des Planeten von der Kruste bis zum Kern.
Mit der Zeit verringerte die Staubansammlung auf den Sonnenkollektoren die für den wissenschaftlichen Betrieb verfügbare Energie. Die NASA beendete die InSight-Mission offiziell im Dezember 2022.

Der beispiellose Datensatz, der auf dem Mars gesammelt wurde, hat bereits viel über den roten Planeten verraten und wird weitere jahrzehntelange Untersuchungen anregen.

Feiern Sie mit uns die Höhepunkte und Erfolge der Mission am 9. Mai 2023

von 17.15 - 18.30 Uhr: Vorträge in C 60, NO-Gebäude

ab 18.30 Uhr: Apéro in der focusTerra-Halle (NO-Gebäude)

Bitte melden Sie sich hier für den Apéro an.

06.03.2023

Simon Stähler erhält den Newcomb Cleveland Prize 2023 der AAAS

Der ETH-Seismologe Simon Stähler und seine Kollegen erhielten den Newcomb Cleveland Prize 2023 der American Association for the Advancement of Science (AAAS) für ihre Publikation "Seismic Detection of the Martian Core", die in der renommierten Zeitschrift Science veröffentlicht wurde.

Den vollständigen Artikel dazu finden Sie hier.

InSight lander

Erkunden Sie die interaktive Grafik und lernen Sie mehr über den InSight Lander und seine Instrumente.

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