Ein Sandsteinquader mit einem Krater in der Mitte nach einem Impaktexperiment. Hier wurde ein Projektil mit hoher Geschwindigkeit auf den Standsteinquader geschossen.

Ein Meteoriteneinschlag im Labor

Selbst wenn man wüsste, wo genau der nächste Meteorit einschlagen wird, laufen der Impakt und der Auswurf von Material innerhalb von Mikrosekunden ab. Um Meteoriteneinschläge dennoch besser zu verstehen, stellen Forscher wie Tobias Hoerth vom Fraunhofer-Institut für Kurzzeitdynamik in Freiburg diese Ereignisse einfach im Labor nach.

Tobias Hoerth vom Fraunhofer-Institut für Kurzzeitdynamik
Tobias Hoerth vom Fraunhofer-Institut für Kurzzeitdynamik

Insgesamt fallen täglich etwa sechs Tonnen an Gestein und Metall auf die Erde – in Form von Meteoroiden. Sind diese weniger als einen Millimeter groß, verglühen sie durch Reibung vollständig in der Erdatmosphäre und sind am Nachthimmel als Sternschnuppe zu sehen. Etwas größere Exemplare verglühen als hellerer Feuerball. Sehr viel seltener sind Meteoroide, die bei der Passage durch die Atmosphäre nicht vollständig verglühen und deren Überreste die Erdoberfläche als Meteoriten erreichen. Im Jahr 2014 wurden vier solcher Meteoritenfälle beobachtet. Nicht alle Meteoriten erzeugen beim Aufprall auf der Oberfläche einen Krater – dazu muss ihre Geschwindigkeit zusätzlich extrem hoch sein.

Tobias Hoerth: „Zunächst hat dieser Meteorit eine extrem hohe Geschwindigkeit und besitzt somit eine sehr große kinetische Energie. Beim Auftreffen auf die Erde kommt es zum einen zu einer Stoßwelle, die sich durch das Targetmaterial ausbreitet. Zum anderen wird Material, die sogenannten Ejekta, mit sehr hoher Geschwindigkeit ausgeworfen."

Im Rahmen des sogenannten MEMIN-Projekts erforscht der Physiker zusammen mit Kollegen die Entstehung von Meteoritenkratern. Zwar sind diese auf der Erde relativ selten: Derzeit sind nur etwa 185 Meteoritenkrater bekannt. Aber auf Himmelskörpern wie dem Mond oder dem Mars gibt es sehr viel mehr Krater, da deren dünne Atmosphären die fallenden Meteoroide kaum abbremsen. Die Bildung von Kratern live zu beobachten, ist nahezu unmöglich, da Forscher nicht wissen können, wann und wo der nächste Meteoroid auf die Erde fallen wird. Daher stellen die Wissenschaftler des MEMIN-Projekts Meteoriteneinschläge gezielt in aufwendigen Laborversuchen nach. In über dreißig Experimenten haben sie kleine Projektile auf Gesteinsblöcke, auch Targets genannt, geschossen.

Es gibt Gesteinsmeteorite und Eisenmeteorite. In unseren Laborexperimenten haben wir sowohl Stahlprojektile verwendet, als auch Gesteinsprojektile, die aus Basalt gefertigt wurden."

Die Beschleunigungsanlage besteht aus einer langen Stahlröhre, in der die Projektile auf Geschwindigkeiten von 28.000 Kilometern pro Stunde beschleunigt werden können.
Beschleunigungsanlage

Dafür haben Tobias Hoerth und seine Kollegen unter anderem Teile eines echten Meteoriten verwendet: des Campo del Cielo, einem Eisenmeteoriten, der vor mehreren tausend Jahren im heutigen Argentinien die Erdoberfläche erreichte. Anschließend werden die Projektile auf die Geschwindigkeit von echten Meteoriten beschleunigt: In Beschleunigungsanlagen erreichen sie Geschwindigkeiten von 28 000 Kilometern pro Stunde, bevor sie auf das Target treffen. Dieser gesamte Ablauf vom Abschuss des Projektils bis zur Kraterbildung dauert nur zehn bis zwanzig Mikrosekunden, also millionstel Sekunden.

Zunächst wird die Projektilgeschwindigkeit mithilfe von Laserlichtschranken bestimmt. Dann zeichnet eine Hochgeschwindigkeitskamera den Auswurfprozess auf, wozu eine sehr starke Beleuchtung nötig ist. Wir haben sehr kurze Verschlusszeiten im Bereich von Mikrosekunden und unsere Aufnahmeraten betragen etwa 100 000 Bilder pro Sekunde. Wir haben spezielle Sensoren entwickelt, mit denen wir innerhalb des Targets die durch den Impakt erzeugte Druckwelle aufzeichnen können. Weiterhin verwenden wir sogenannte Ejektafänger. Das sind Materialien, die wir gegenüber dem Target platzieren und mit denen wir die ausgeworfene Masse auffangen können. Diese Teilchen können wir dann anschließend im Labor untersuchen."

Ein Sandsteinquader mit einem Krater in der Mitte nach einem Impaktexperiment. Hier wurde ein Projektil mit hoher Geschwindigkeit auf den Standsteinquader geschossen.
Sandsteintarget nach einem Impaktexperiment

Die Forscher feuern die Projektile in verschiedene Gesteinsarten. Deren unterschiedliche Porosität spielt bei der Kraterbildung eine entscheidende Rolle.

Wir haben festgestellt, dass die Porosität des Targetmaterials sowohl einen starken Einfluss auf die Auswurfdynamik hat, also auf den Auswurf von Material beim Impakt, als auch auf die Kraterbildung selbst. Zusätzlich konnten wir Einflüsse auf die durch den Impakt erzeugte Druckwelle messen. Beispielsweise werden bei porösen Targets kleinere Kratervolumina erzeugt. Porosität hat also eine Art Dämpfungsprozess auf diesen Effekt."

So ergeben sich im porösen Tuffstein bei vergleichbarer Projektilgröße kleinere Krater als im festen Granit. Allerdings: Sollte der Tuff nass sein, sieht der Krater schon ganz anders aus.

„Porenwasser hat einen sehr starken Einfluss auf die Kraterbildung. Im wassergesättigten Target werden im Vergleich zum trockenen Target größere Krater erzeugt. Und wenn sie sich den Auswurf als kegelförmig vorstellen, ist der Auswurfwinkel steiler, wenn das Target wassergesättigt ist."

Sind die Poren eines Steins mit Wasser gefüllt, sind die Auswirkungen eines Projektils etwa viermal größer als im trockenen Gestein. Diese Erkenntnis könnte Forschern in Zukunft dabei helfen, nicht nur die Kraterbildung auf der Erde besser zu verstehen.

Der Ejektafänger ist ein rechteckiger Block mit einem Loch in der Mitte, da zuvor das Projektil durch ihn hindurch geschossen wurde. Er fängt die ausgeworfenen Materialien nach dem Impaktexperiment auf.
Ejektafänger nach einem Impaktexperiment

„Die Experimente sind auch deshalb interessant, wenn man sich beispielsweise Krater auf dem Mars anschaut. Wir wissen, dass der Mars nicht trocken sondern dass Eis vorhanden ist. Letztendlich versuchen wir durch unsere Experimente, Dinge zu erklären, die wir in Fernerkundungsdaten sehen. Aber auch auf der Erde gibt es bestimmte Phänomene, die auf das Vorhandensein von Targetwasser zurückgeführt werden."

Experimente mit Sandstein als Targetmaterial haben gezeigt: Die Beschaffenheit des Auswurfmaterials wird davon beeinflusst, wie viel Wasser das Gestein enthält. Bei nassem Sandstein zersplittern die einzelnen Quarzkörner in relativ große Bruchstücke, bei trockenem Standstein hingegen in kleinere und dafür gleichmäßig große Fragmente. Bleibt die Frage, ob diese Ergebnisse aus dem Labor sich auch auf echte Meteoritenkrater anwenden lassen. Die Wissenschaftler nutzen dafür sogenannte Skalierungsgesetze, die vom Kleinen aufs Große schließen lassen.

Wir haben beispielsweise Experimente an zwei verschiedenen Anlagen durchgeführt: einmal auf sehr kleinem Maßstab mit millimetergroßen Projektilen, einmal auf sehr großem Maßstab mit zentimetergroßen Projektilen. Wenn wir dann die Skalierungsgesetze anwenden, so passt deren Verhältnis zueinander. Das gibt uns Hoffnung, dass wir unsere Ergebnisse auf natürliche Ereignisse hochskalieren können."

Inzwischen ist der erste Teil des MEMIN-Projekts beendet. Für Tobias Hoerth und seine Kollegen geht das Projekt nun in die zweite Phase: In Zukunft wollen die Wissenschaftler weitere Targetmaterialien wie etwa Marmor untersuchen und sich den Zeitraum während und kurz nach dem Einschlag genauer ansehen.