Warum Elon Musk zum Mars will

Kürzlich war ich bei einem Vortrag über das Alphateilchenspektrometer, das 1997 bei der Mars Mission Sojourner als deutsches Experiment (Max-Planck-Institut für Chemie aus Mainz) mitflog, was damals etwas Besonderes war. In der Unterhaltung nach dem Vortrag meinte der inzwischen emittierte Wissenschaftler, dass sich sogar Elon Musk für die Ergebnisse interessiert habe. Er hätte ihn nach einer Veröffentlichung Fragen gestellt. Später habe er von Kollegen beim JPL und der NASA erfahren, dass er versucht habe, dort durchzusetzen, dass auch die 2003 gestarteten großen Rovers ein solches Instrument bekommen.

Das hat mich dann doch interessiert und ich bat ihn um eine Kopie der Veröffentlichung. Das Original ist wie üblich, aber trotzdem nicht weniger ärgerlich, hinter einer Paywall. MaiThinkX hat das mal zum Thema gemacht und ich finde die Folge sehenswert. Also ich habe die Veröffentlichung zweimal gelesen, denn beim ersten Mal fiel mir nichts auf. Es wird eben angegeben welche Elemente man fand und was man daraus für Rückschlüsse für die Mineralogie ziehen kann, denn ein Alphateilchenspektrometer (APXS) bestimmt Elemente und keine Verbindungen. Beim zweiten Lesen schaute ich dann genauer auf die Tabellen und da gab es noch eine Tabelle mit Spurenbestandteilen. Sie stammen nur aus einer Messung und wurden nicht diskutiert. Zum einen, weil die Häufigkeiten zu klein sind und zum zweiten ist eine Messung in der Wissenschaft nichts wert. Es kann ja eine Fehlmessung sein, oder ein Ausreißer, also an einer Stelle ist die Zusammensetzung stark abweichend vom Rest der erkundeten Stelle.

An der Stelle vielleicht mal eine kleine Erklärung warum es nur eine Messung ist. Ein Alphateilchenspektrometer sendet Heliumkerne aus, die aus dem Zerfall eines radioaktiven Elementes stammen gegen die Probe. Die treffen zu einem kleinen Teil einen Atomkern, der dann eine charakteristische Röntgenstrahlung aussendet die detektiert wird. Das Problem bei der Methode ist: Ein Atomkern nimmt nur 1/100.000 stel des Atomdurchmessers ein. Die meisten Alphateilchen fliegen daher am Kern vorbei. Materie besteht zum größten Teil aus Vakuum – das die Atome sich nicht zusammenballen, dafür sorgt die Abstoßung der Elektronenhüllen. Es gibt Materie, die so dicht ist wie der Atomkern, das sind Neutronensterne. Neutronensterne entstehen aus massereichen Sternen, wenn der Kernbrennstoff im Zentrum verbraucht ist. Dann fällt die Energiefreisetzung weg, die bisher die Gravitation in Schach hält und der innere Kern kollabiert (der äußere Teil prallt beim Kollaps auf den kollabierenden Kern was ihn so verdichtet das spontane Kernfusion eintritt und der Stern als Supernova explodiert). Dabei werden die Elektronen in die Atomkerne gedrückt und aus Protonen und Elektronen entstehen die Neutronen, daher die Bezeichnung Neutronenstern. Dann ist wieder ein stabiler Zustand erreicht, denn die Kräfte zwischen den Neutronen sind größer als die elektromagnetische Kraft ,die bei der Kernfusion gegen die Gravitation wirkte. Ein solcher Neutronenstern hat 1,4 bis 3,2 Sonnenmassen, aber nur einen Durchmesser von 10 bis 20 km.

Das Alphateilchenspektrometer von Sojourner hatte daher beim normalen Betrieb wo es einige Stunden auf eine Probe einwirkt, keine Chance Spurenbestandteile zu finden. Die Messung stammt vom Ende der Mission. Ab dem 27.9.1997 gab es immer mehr Probleme mit Pathfinder zu kommunizieren. Solange diese nicht gelöst waren, wurde der kleine Rover nicht mehr bewegt. Schließlich fiel Pathfinder am 7.10.1997 aus, am Tag vorher konnte man die Daten des APXS abrufen, das nun neun Tage lang anstatt einige Stunden Messungen der Oberfläche machte. Das steigerte die Sensitivität für seltene Elemente beträchtlich. Das ist auch der Grund, warum kein Rover seitdem ein solches Experiment an Bord hat, denn sie haben nicht die Zeit so lange auf eine Messung an einem Platz zu bleiben. Ein zweites Exemplar ging leider 2000 bei dem Absturz des Mars Polar Landers verloren.

In der Tabelle fand sich ein Element, das selbst Leute kennen, die sich sonst nicht mit Chemie oder Mineralogie beschäftigen. Nämlich Gold. Ich vermute das hat Musks Interesse geweckt. Gefunden wurden 33 ppm ⁺/_–12 ppm. Ich erwähne zusätzlich noch Blei, zur Erklärung komme ich noch: 15 ppm ⁺/_– 8 ppm. Was ist daran besonders? Nun in der Erdkruste kommt Gold nur mit einem Gehalt von 0,0005 ppm vor, Blei mit 18 ppm. An dieser Stelle auf de Mars kommt also Gold 66.000-mal häufiger vor als in der Erdkruste, noch häufiger als in Asteroiden (5-15 ppm). Wie ist das zu erklären? Nun alle Elemente entstanden aus Wasserstoff durch Kernfusion. Wasserstoff und Helium entstanden direkt nach dem Urknall, die Elemente bis zur Kernladung von Eisen entstanden später bei der Energieerzeugung von Sternen und wurden freigesetzt als diese am Ende ihres Lebens ihre äußeren Schichten abstoßen. Diese ringförmigen Schalen bezeichnet man als planetarische Nebel. Alle anderen Elemente entstanden bei mehr oder weniger explosiven Ereignissen unter extremen Bedingungen. Für Gold und Silber ist der wichtigste Prozess die Kollision zweier Neutronensterne. Das ist extrem selten. Es kommt nur in Doppelsternsystemen vor in dem beide Sterne massereich sind und in geringer Entfernung entstanden. Gold und Blei liegen nur drei Ordnungszahlen auseinander (dazwischen liegen Quecksilber und Titan bei denen aber ein sterbender masseärmer Stern die Hauptquelle ist). In Asteroiden kommen daher beide Elemente in etwa gleich häufig vor und auch das Vorkommen von Blei in der Erdkruste ist ähnlich hoch wie in Meteoritenfunden.

Nach der gängigen Theorie der Entstehung der Erde wurde diese vor 4,5 Milliarden Jahren von einem anderen Protoplaneten Theia getroffen. Aus dem Auswurfmaterial das dabei frei wurde, entstand der Mond. Das hat die Erde nochmals enorm aufgeheizt. Man nimmt heute an das sich eine stabile Kruste erst wieder vor 4 Milliarden Jahren gebildet hat. Die ganze Erde wurde also nochmals in den flüssigen Zustand versetzt. Dann sinken aber schwere Elemente zum Zentrum ab. Das geschah so mit Eisen, das nur zum Teil mit anderen Elementen reagieren konnte. Gold und Blei sind erheblich dichter als Eisen. Sie sollten daher vor allem in den Kern gesunken sein. Der Unterschied zwischen beiden Elementen ist, dass Gold als Edelmetall mit praktisch nichts reagiert, Blei bildet dagegen Oxide bzw. unter den Bedingungen der Erde Sulfide. Bleisulfid (PbS) hat aber eine Dichte von 7,6, Blei eine von 11,34. Gold eine von 19,32. So nimmt man an, dass das meiste Gold, das die Erde mal besaß heute im Erdkern steckt. Blei ist weniger dicht und sank weniger stark ab, Bleiverbindungen sind noch weniger dicht. So ist zu erklären das Blei und Gold in Meteoriten ähnlich konzentriert sind. Im Mondgestein findet man 0.001-0.010 ppm Gold und 10-20 ppm Blei. Der Bleigehalt entspricht der Erdkruste (der Mond entstand aus dem früheren Erdmantel von Erde und Thea) aber der Goldgehalt ist zwei bis 20-mal höher als in der Erdkruste, woran man schon erkennen kann das durch den Zusammenstoß es noch weine weitere Abreichung gab.

Beim Mars gab es kein solches Ereignis. Er hat keinen oder nur einen sehr kleinen Kern und kühlte wohl so schnell ab, das er bald eine feste Kruste bildete. Einige Wissenschaftler nehmen daher an das sich Leben zuerst auf dem Mars bildete und dann erst auf der Erde oder es sogar von dort zur Erde kam.

Das Gold auf der Erde hat zwei Ursprünge. Der primäre sind Magmaströme die das Metall wieder an die Erdoberfläche oder die Kruste tragen. Da es mit keinem andern Element reagiert wohl aber mit sich selbst und mit Silber eine Metalllegierung, bilden sich dann Adern mit feinen Goldpartikeln. Die zweite Quelle ist, wenn dieses Gestein durch Erosion freigelegt und zerkleinert wird. Da Gold viel schwerer als Gestein ist – Dichte von Gestein etwa 2,5 bis 3,5 g/cm³ – lagert es sich bei Regenfällen oder wenn Wasser fließt am Boden von Flüssen ab und sammelt sich an. Das Ägyptische Reich beutete jahrtausendelang die Goldvorkommen am Boden von Wadis in Nubien aus, die durch sintflutartige Überschwemmungen durch den Monsun entstanden. In Tut Anch Amuns Grab (der ja schon als 17-18 Jähriger verstarb) wurden 100 kg reines Gold gefunden, nimmt man das Blattgold auf Möbels, Streitwagen und Gegenständen hinzu sind es sogar 300 kg. Auch die „Goldrausch“-Ereignisse im vorletzten Jahrhundert in Kalifornien und Alaska beuteten Flussablagerungen aus.

Auf dem Mars gab es mal Wasser und schon Mariner 9 stellte mit seiner grob auslösenden Kamera zahlreiche ausgetrocknete Flüsse fest. Später gefror das Wasser. Tektonische Vorgänge und Einschläge von Asteroiden setzten immer wieder Wasser frei, das dann enorme Mengen schon Schlamm mitriss, wie Aufnahmen von Marssonden zeigen. Nirgal Vallis ist zum Beispiel 5-6 km breit und 610 bis 700 km lang. Da Eis beim Gefrieren und auftauen Gestein effektiv zerkleinern kann (siehe Gletschersturz in der Schweiz letztes Jahr) ist anzunehmen, dass viel Gold in dem abgelagerten Schlamm steckt. Es müssen durch das Tal von Nirgal Vallis einmal 4.800 m³ Wasser pro Sekunde geflossen sein. Der Landeplatz von Pathfinder liegt in einer Region, die von Wasser geprägt ist, aber die Sonde landete nicht in einem ehemaligen Flusstal, sodass nicht von einer signifikanten Anreicherung ausgegangen werden kann. Man kann also davon ausgehen, dass es in ehemaligen Überschwemmungsgebieten auf dem Mars noch höhere Goldvorkommen gibt, als am Landeplatz obwohl Gold schon dort gegenüber dem interstellaren Medium angereichert ist, vor allem aber ist der Gehalt dort 66.000-mal höher als in der Erdkruste. Selbst in Quarzgängen, die das Element angereichert haben beträgt der Gehlat nur 2-14  G/Tonne = 0,1 bis 0,7 ppm. Geht man von eiern ähnlichen Anreicherung wie bei durch Erosion freigelegtem Gold auf der Erde aus, so müsste das Element im Schlamm noch hundertmal höher konzentriert sein, 2000-mal höher konzentriert als in guten Lagerstätten auf der Erde. Und man muss kein Gestein sprengen, sondern nur den Schlamm aufbereiten.

Ich denke, dass wird die Motivation von Musk sein, auf dem Mars eine Siedlung aufzubauen. Der in den letzten Jahren enorm gestiegende Goldpreis dürfte ein weiterer Anreiz sein. Warum aber auf den Mars und nicht einen der erdnahen Asteroiden besuchen? Nun man braucht zum einen dieselbe Geschwindigkeit wie zum Mars um einen der Asteroiden zu erreichen wie Bennu, Ryugu oder Itokawa, die schon vorn Raumsonden erkundet wurden. Aber der Abbau ist schwieriger. Der erste Schritt ist immer das Gold anzureichern, dazu nutzt man seine hohe Dichte, die mit der Schwerkraft dazu führt, dass es sich vom Gestein trennt. Asteroiden haben fast keine Schwerkraft. Bei den obigen drei Körpern liegt die Fluchtgeschwindigkeit unter 1 m/s. (Erde: 11.000 m/s, Mars 5.000 m/s). Da wird es schon schwierig, nur die Anlagen zusammenzubauen. Ein kleiner Impuls und ein Teil fliegt auf Nimmerwiedersehen weg. Da man inzwischen weiß diese Asteroiden im Prinzip Schutthaufen sind, kann man sie auch nicht abschleppen und zur Erde bringen, die kleinen Teile würden alle beim Wiedereintritt verglühen. Für den Transport des Goldes muss man mehr Energie aufbringen, aber zum einen will Musk ja den Treibstoff dort vor Ort gewinnen und zum anderen wird ja nicht das ganze Gestein, sondern nur das Gold transportiert. Wenn Musk wie er immer wieder erklärt von Transportkosten von 100 Dollar pro Kilogramm beim Starship ausgeht, dann ist klar das sich das bei Gold und einem heutigen Tagespreis von über 133.000 Euro lohnt. Es würde sich bei dem Preis sogar mit einer Wegwertrakete lohnen (Ariane 6 liegt bei etwa 6.000 Euro/kg). Eventuell setzte Musk auch auf seinen (damaligen) freund Donald Trump, der von Gold bessessen ist-

Aber nun setzt Musk ja auf KI, fragt sich nur um so schneller seine Masterpläne umzusetzen oder anstatt? Wenn er von 1 Million jeweils 1 Tonne schwerer Satelliten pro Jahr spricht (entspricht 10.000 Starts eines Starships mit je 100 t Nutzlast pro Jahr) würde ich eher drauf tippen, dass er seine Marspläne ad akta gelegt hat, denn was er dafür investieren muss ist wenig verglichen mit einer automatisch arbeitenden Anlage auf dem Mars, die ja auch KI einsetzen könnte.