Deutsches Spektrometer misst winzige Abweichungen

Aus Deutschland stammte das Mößbauer-Spektrometer Mimos zur Untersuchung der chemischen Struktur von Eisenverbindungen, wie sie in Verbindung mit Wasser auf der Marsoberfläche entstanden sind. Das Herzstück des am Roboterarm montierten Geräts ist eine radioaktive Kobalt-57-Quelle. Das Kobalt wird durch Beta-Zerfall zu Eisen-57, einem stabilen und sehr häufigen Eisenisotop. Das Spektrometer kann mit Hilfe der Strahlung nicht nur Vorkommen von Eisen in Sand und Gestein nachweisen, sondern auch die chemischen Verbindungen, in denen es vorkommt.

Weil die Strahlung von einem Eisen-57-Atomkern kommt, ist ihre Wellenlänge aber auch exakt so groß, wie sie benötigt wird, um von einem Eisen-57-Atomkern absorbiert zu werden. Dann ist der zweite Atomkern in einem angeregten Zustand und gibt seinerseits die überschüssige Energie wieder als Gammastrahlung ab. Das Spektrometer bestrahlt nun die Probe mit der Gammastrahlung und misst, wieviel Strahlung zurückkommt.

Dabei muss die zurückkommende Strahlung aber ein Stück Eisen durchdringen, was sie nur schafft, wenn sich inzwischen etwas an der Wellenlänge der Strahlung geändert hat. Gammastrahlung jeder anderen Wellenlänge durchdringt das Eisen problemlos, aber wenn sich an der Wellenlänge nichts geändert hat, misst der Detektor fast keine Strahlung.

Im Kristallgitter geht Energie verloren

Tatsächlich kann sich an der Wellenlänge etwas ändern, wenn die Gammastrahlung von der Probe absorbiert und wieder abgestrahlt wird. Denn bei der Absorption der Gammastrahlung gibt es einen Rückstoß, bei dem ein Teil der Energie abgegeben werden kann. Wenn sich das Atom in einem Kristallgitter befindet, kann diese Energie mit Hilfe der Quantenmechanik genau bestimmt werden. Denn das Atom kann seine Energie nur abgeben, indem es Gitterschwingungen anregt, sogenannte Phononen. Diese Phononen haben sehr wenig Energie, aber diese Energie ist auf wenige mögliche Werte festgelegt. Jedes Gitter hinterlässt damit eine eindeutige Spur.

Die fehlende Energie der Phononen führt nun zu einer etwas längeren Wellenlänge der Gammastrahlung. Der Unterschied ist winzig klein, reicht aber aus, dass die Gammastrahlung fast ungehindert das Stück Eisen durchdringen kann. Der Unterschied wird hier nur deshalb messbar, weil er wirklich extrem klein ist und mit Hilfe von Dopplerverschiebung ausgeglichen werden kann.

Die Strahlung wird im Kriechgang absorbiert

Wenn sich das Eisenstück auf die Strahlung zu bewegt, hat die Strahlung durch den Dopplereffekt eine etwas kürzere Wellenlänge. Die Unterschiede sind so klein, dass schon eine Geschwindigkeit von wenigen Millimeter pro Sekunde für den Ausgleich ausreicht. Um zu messen, in welcher chemischen Verbindung das Eisen steckt, muss nur noch ein Motor das Eisenstück mit ein paar Millimeter pro Sekunde bewegen und gemessen werden, bei welcher Geschwindigkeit keine Strahlung mehr am Detektor ankommt.

Begrenzt wurde die Funktion des nur 500 Gramm schweren Mößbauer-Spektrometers von Opportunity durch die Halbwertszeit der Cobalt-57-Strahlenquelle von 236 Tagen. Sie wurde im Lauf der Mission immer schwächer und die Messungen immer schwieriger und langwieriger.