Analyse von Eisstrukturen auf Jupitermonden

Die Ergebnisse der Studie bieten ein neues Werkzeug zur Untersuchung eisreicher Himmelskörper wie der Jupitermonde Europa und Ganymed oder auch der Saturnmonde. Die Fähigkeit, die Ordnung der Wassermoleküle im Eis zu erkennen, eröffnet neue Perspektiven auf die physikalischen Eigenschaften und die geologische Entwicklung dieser fernen Welten.

„Unsere Arbeit zeigt, dass die Nahinfrarot-Spektroskopie eine verlässliche Methode ist, um die Struktur von Wassereis aus der Ferne zu analysieren“, erklärt Thomas Lörting vom Institut für Physikalische Chemie der Universität Innsbruck. „Dies ist ein wichtiger Fortschritt, da die für die Untersuchungen im Labor bisher genutzten Methoden wie Neutronenbeugung oder Raman-Spektroskopie für die Fernerkundung nicht geeignet sind.“

Komplexe Eismorphologien als Forschungsschwerpunkt

Gefrorenes Wasser spielt im Sonnensystem eine zentrale Rolle – sowohl als Bestandteil zahlreicher Himmelskörper als auch als potenzieller Hinweis auf extraterrestrisches Leben. Die Struktur von Wassereis selbst ist allerdings äußerst komplex: Über 20 kristalline Eisformen sind bislang bekannt, unterschieden durch die Anordnung von Sauerstoff- und Wasserstoffatomen. Während sich die Sauerstoffatome beim Gefrieren regelmäßig anordnen, bleiben die Wasserstoffatome zunächst ungeordnet – bis sie sich bei tieferen Temperaturen ebenfalls ausrichten. Diese scheinbar kleine Veränderung hat erhebliche Auswirkungen auf die mechanischen und dielektrischen Eigenschaften des Eises.

In ihrer aktuellen Studie fokussierten sich die Forscherinnen und Forscher auf die hochdruckstabilen Eisphasen V und XIII. Diese dienen als Modell für geordnete und ungeordnete Wasserstoffstrukturen. Mit Unterstützung von Christian Huck vom Institut für Analytische Chemie und Radiochemie konnte das Team zeigen, dass sich die Wasserstoffordnung durch spezifische Schwingungssignaturen im Nahinfrarot-Spektrum erkennen lässt.

Die Chemikerin Christina M. Tonauer im Labor. © Theresa Nairz

„Die Unterscheidung zwischen geordnetem und ungeordnetem Eis liefert wertvolle Informationen über die Temperatur- und Druckbedingungen, unter denen das Eis entstanden ist“, erläutert die Erstautorin Christina M. Tonauer. „Dies kann uns helfen, die thermische und geologische Entwicklung von Himmelskörpern wie Ganymed oder Europa besser zu verstehen.“

Relevanz für aktuelle und künftige Weltraummissionen

Die Ergebnisse sind besonders relevant im Kontext aktueller und geplanter Weltraummissionen. So könnten etwa die Instrumente an Bord der ESA-Raumsonde JUICE (Jupiter Icy Moons Explorer), die 2031 den Jupiter erreichen soll, oder auch das James-Webb-Weltraumteleskop (JWST) die neuen spektralen Referenzdaten nutzen. Auf diese Weise könnten Eisphasen auf den Oberflächen der großen Eismonde identifiziert werden.

„Unsere Arbeit legt den Grundstein für die Analyse von Eisphasen in Weltraumbeobachtungsdaten“, sagt Thomas Lörting.

Blick ins Innere ferner Welten

Langfristig will das Forschungsteam die spektralen Daten erweitern und so einen breiteren Temperatur- und Druckbereich abdecken. Das soll die Modellierung von Teleskopdaten verbessern und die Identifikation verschiedener Eisphasen in unterschiedlichen astrophysikalischen Umgebungen erleichtern.

Die Identifikation von Eisphasen auf fernen Himmelskörpern könnte nicht nur Aufschluss über Oberflächenbedingungen geben, sondern auch über interne Prozesse wie Kryovulkanismus oder tektonische Aktivität. Sogar der typische Zwiebelschalenaufbau vieler Eismonde oder die Tiefe, aus der Hochdruckeis an die Oberfläche gelangt, könnte auf diese Weise erschlossen werden.

„Die Charakterisierung von Oberflächeneis bietet uns auch ein Fenster in die inneren Dynamiken dieser Welten“, betont Lörting.

Forschungsschwerpunkt und Publikation

Die Untersuchungen wurden im Rahmen des Forschungsschwerpunkts Funktionelle Materialwissenschaften (FunMAT) an der Universität Innsbruck durchgeführt. Finanzielle Unterstützung kam unter anderem vom Österreichischen Wissenschaftsfonds FWF.

Originalpublikation:
Tonauer, C. M., Köck, E.-M., Henn, R., Kappacher, C., Huck, C. W., & Lörting, T. (2025). Near-infrared spectroscopic sensing of hydrogen order in ice XIII. Physical Review Letters. https://doi.org/10.1103/x2ph-yp2v

Quelle: Universität Innsbruck