Als die kleine Rückkehrkapsel der NASA-Mission Stardust am 15. Januar 2006 über der Wüste von Utah in die Erdatmosphäre eintrat, befand sich in ihrem Inneren etwas, das bis dahin noch nie direkt aus einem Kometen zur Erde gebracht worden war: winzige Staubkörner aus der Umgebung von 81P/Wild 2. Manche davon waren kaum größer als ein Bruchteil eines menschlichen Haares. Dennoch veränderten sie das Bild davon, wie Kometen entstanden sein könnten und wie stark das junge Sonnensystem seine Materie einst durchmischte.

Stardust war keine Mission, die auf einem fremden Himmelskörper landete oder dort bohrte. Die Sonde musste lediglich für wenige Minuten durch die Staubwolke eines Kometen fliegen und dabei möglichst unbeschädigte Teilchen einfangen. Gerade das erwies sich jedoch als technische Herausforderung. Die Partikel trafen mit mehreren Kilometern pro Sekunde auf den Sammler. Ein gewöhnlicher Behälter hätte sie beim Aufprall weitgehend zerstört.

Die Lösung war ein Material, das beinahe so aussah, als bestünde es aus gefrorenem Rauch: Aerogel.

Warum Stardust zum Kometen Wild 2 flog

Stardust startete am 7. Februar 1999 von Cape Canaveral. Die Mission gehörte zum Discovery-Programm der NASA, mit dem vergleichsweise kompakte und klar umrissene wissenschaftliche Raumfahrtprojekte ermöglicht wurden. Ihr wichtigstes Ziel war der Komet 81P/Wild 2, ausgesprochen „Vilt 2“.

Wild 2 eignete sich besonders gut für eine solche Untersuchung. Der Komet war wahrscheinlich lange Zeit in weiter außen gelegenen Bereichen des Sonnensystems unterwegs, bevor eine nahe Begegnung mit Jupiter im Jahr 1974 seine Bahn deutlich veränderte. Seitdem kommt er der Sonne wesentlich näher. Wissenschaftler erhofften sich deshalb Material, das vergleichsweise wenig durch zahlreiche enge Sonnenpassagen verändert worden war.

Bevor Stardust den Kometen erreichte, legte die Sonde eine komplizierte Reise durch das Sonnensystem zurück. Im Januar 2001 flog sie erneut an der Erde vorbei und nutzte deren Schwerkraft, um ihre Bahn zu verändern. Im November 2002 passierte sie außerdem den Asteroiden 5535 Annefrank. Das eigentliche Ziel erreichte Stardust schließlich am 2. Januar 2004.

Die Sonde raste mit einer Relativgeschwindigkeit von rund 6,1 Kilometern pro Sekunde durch die Umgebung von Wild 2. Dabei näherte sie sich dem Kometenkern bis auf ungefähr 240 Kilometer.

Wie fängt man Kometenstaub bei sechs Kilometern pro Sekunde ein?

Der entscheidende Teil von Stardust war ein ausklappbarer Staubsammler. Seine Form erinnerte entfernt an einen Tennisschläger. In seinem Inneren befanden sich zahlreiche Felder aus Aerogel, einem extrem leichten und porösen Material auf Siliziumbasis.

Das Problem beim Einsammeln von Kometenstaub bestand in der Geschwindigkeit. Ein Partikel, das mit mehreren Kilometern pro Sekunde auf eine feste Oberfläche trifft, wird stark erhitzt, zertrümmert oder verdampft teilweise. Für eine spätere Untersuchung wäre damit ein großer Teil der ursprünglichen Struktur verloren gegangen.

Aerogel sollte die Teilchen wesentlich sanfter abbremsen. Beim Eindringen erzeugten sie längliche Spuren im Material und verloren dabei allmählich ihre Geschwindigkeit. Viele dieser Einschlagsspuren sehen unter dem Mikroskop wie kleine Karotten aus: vorne breit und nach hinten immer schmaler. Am Ende einer solchen Spur konnte sich noch ein Rest des ursprünglichen Kometenkorns befinden.

Vollständig unverändert blieben die Partikel trotzdem nicht. Die enorme Geschwindigkeit führte beim Einfangen zu Erwärmung und Veränderungen einzelner Bestandteile. Die spätere Analyse musste deshalb immer unterscheiden, welche Eigenschaften tatsächlich vom Kometen stammten und welche erst beim Einschlag in das Aerogel entstanden waren.

Zusätzlich war Stardust für die Sammlung interstellarer Staubpartikel ausgelegt. Dazu wurde die Rückseite des Staubsammlers zeitweise dem Strom von Teilchen ausgesetzt, der aus dem interstellaren Raum durch das Sonnensystem zieht. Die Identifizierung dieser extrem seltenen Partikel erwies sich allerdings als erheblich schwieriger als die Untersuchung des Materials von Wild 2.

Was Stardust bei Wild 2 entdeckte

Schon die Begegnung mit dem Kometen brachte Überraschungen. Stardust fotografierte einen Körper, dessen Oberfläche wesentlich strukturierter war, als viele Forscher erwartet hatten. Auf den Aufnahmen waren Vertiefungen, Krater, steile Bereiche und auffällige Oberflächenformen zu erkennen. Insgesamt nahm die Navigationskamera während der Begegnung 72 Bilder des Kometenkerns auf.

Noch wichtiger war jedoch der Staub.

Während Stardust durch die Umgebung des Kometen flog, trafen Tausende Partikel auf den Sammler. Am Ende gelangten mehr als 10.000 Teilchen mit einer Größe von mehr als einem Mikrometer zurück zur Erde. Die Gesamtmasse des tatsächlich verfügbaren Kometenmaterials blieb dennoch winzig. Gerade deshalb mussten die einzelnen Proben unter extrem sauberen Bedingungen behandelt werden.

Nach der Begegnung wurde der Sammler wieder in der Rückkehrkapsel verschlossen. Stardust machte sich auf den langen Weg zurück in Richtung Erde.

Die Rückkehr des Kometenstaubs zur Erde

Am 15. Januar 2006 trennte Stardust die Probenkapsel vom eigentlichen Raumfahrzeug. Rund vier Stunden später trat sie in die Erdatmosphäre ein. Fallschirme bremsten den etwa kegelförmigen Behälter anschließend ab, bevor er auf dem Utah Test and Training Range landete.

Damit war erstmals Material eines bekannten Kometen direkt zur Erde gebracht worden. Die Mission hatte zudem Proben aus einer Region außerhalb des Erde-Mond-Systems zurückgeführt.

Die eigentliche wissenschaftliche Arbeit begann jedoch erst nach der Landung.

Im Johnson Space Center der NASA mussten die Forscher zunächst die winzigen Einschlagsspuren im Aerogel finden. Anschließend wurden einzelne Bereiche teilweise mit mikroskopischen Werkzeugen aus dem Material herausgeschnitten. Die Arbeit erforderte außergewöhnliche Reinheit, denn bereits kleinste Verunreinigungen aus der irdischen Umgebung konnten die Analyse beeinflussen.

Ein Kometenkorn von wenigen Mikrometern Größe konnte damit zum Gegenstand jahrelanger Untersuchungen werden.

Warum die Stardust-Proben die Kometenforschung überraschten

Kometen gelten als Überreste aus der Entstehungszeit des Sonnensystems. Viele von ihnen entstanden wahrscheinlich weit entfernt von der jungen Sonne in kalten Regionen. Entsprechend erwarteten Forscher in Wild 2 vor allem Material, das sich unter niedrigen Temperaturen gebildet hatte.

Doch Stardust brachte auch Minerale zurück, deren Entstehung sehr hohe Temperaturen erfordert.

Unter den Proben befanden sich unter anderem sogenannte Calcium-Aluminium-reiche Einschlüsse. Solche CAIs gehören zu den ältesten bekannten festen Materialien des Sonnensystems und sind auch aus primitiven Meteoriten bekannt. Sie entstanden unter Bedingungen, wie sie in der heißen Umgebung der sehr jungen Sonne geherrscht haben müssen.

Das war bemerkenswert. Ein Komet wie Wild 2 hatte sich weit draußen in einer kalten Region gebildet. Wie konnte Material aus dem heißen inneren Sonnensystem dorthin gelangen?

Die wahrscheinlichste Erklärung ist ein wesentlich stärkerer Materialtransport innerhalb der protoplanetaren Scheibe, als einfache Modelle zuvor nahegelegt hatten. Feststoffe konnten offenbar aus der Nähe der jungen Sonne weit nach außen transportiert werden, bevor sie Bestandteil von Kometen wurden. Das frühe Sonnensystem war demnach keine sauber gegliederte Scheibe, in der Material weitgehend dort blieb, wo es entstanden war. Es war dynamisch und wurde intensiv durchmischt.

Wild 2 erwies sich damit nicht einfach als unveränderter Klumpen aus Material des äußersten Sonnensystems. Der Komet enthält Bestandteile mit sehr unterschiedlichen Entstehungsgeschichten.

Fand Stardust einen Baustein des Lebens?

Eine der bekanntesten Entdeckungen in den Stardust-Proben betraf Glycin. Glycin ist die einfachste Aminosäure und wird von irdischen Organismen unter anderem zum Aufbau von Proteinen verwendet.

Bei Untersuchungen des zurückgebrachten Materials wurde Glycin sowohl in Bereichen des Aerogels als auch auf Aluminiumflächen des Kollektors gefunden. Das entscheidende Problem war zunächst die Frage, ob die Substanz tatsächlich vom Kometen stammte oder während der Herstellung, des Starts oder der Untersuchung auf die Proben gelangt war.

Weitere Analysen der Isotopenzusammensetzung lieferten schließlich Hinweise auf einen außerirdischen Ursprung. 2009 gab die NASA bekannt, dass Glycin in Material von Wild 2 nachgewiesen worden war. Damit war erstmals eine Aminosäure in einer direkt von einem Kometen zurückgebrachten Probe identifiziert worden.

Der Fund war kein Nachweis von Leben auf einem Kometen. Glycin kann auch ohne biologische Prozesse entstehen. Die Entdeckung zeigte vielmehr, dass zumindest einige organische Bausteine, die für die irdische Biochemie wichtig sind, auch im Weltraum entstehen können.

Damit erhielt eine ältere Idee zusätzliche Unterstützung: Kometen und Asteroiden könnten der jungen Erde organische Moleküle geliefert haben. Ob solche Lieferungen für die Entstehung des Lebens tatsächlich entscheidend waren, lässt sich aus den Stardust-Proben allein jedoch nicht beantworten.

Was aus Stardust nach der Probenrückkehr wurde

Nach der erfolgreichen Rückgabe der Kometenproben war die Raumsonde selbst noch funktionsfähig. Die NASA entschied deshalb, sie für eine zweite Aufgabe einzusetzen.

Unter dem Namen Stardust-NExT erhielt sie ein neues Ziel: den Kometen Tempel 1. Dieser war bereits 2005 von der NASA-Mission Deep Impact untersucht worden. Damals hatte eine Sonde gezielt einen Projektilkörper auf den Kometen geschossen und dabei einen künstlichen Einschlag erzeugt.

Am 15. Februar 2011 flog Stardust an Tempel 1 vorbei. Damit konnte erstmals ein Komet nach einer vorherigen Raumsondenbegegnung erneut aus der Nähe untersucht werden. Die Bilder ermöglichten unter anderem einen Vergleich mit dem Zustand während der Deep-Impact-Mission.

Wenige Wochen später endete die lange Reise. Am 24. März 2011 zündete Stardust sein Triebwerk ein letztes Mal. Dabei wurde der verbliebene Treibstoff nahezu vollständig aufgebraucht. Anschließend sendete die Sonde ihre letzten Daten zur Erde.

Warum Stardust bis heute wichtig ist

Das Ende der Raumsonde bedeutete nicht das Ende der Mission. Ein entscheidender Vorteil einer Probenrückführung besteht darin, dass das Material auch Jahrzehnte später noch mit neuen Instrumenten untersucht werden kann.

Bei einer gewöhnlichen Raumsonde müssen die wissenschaftlichen Geräte bereits Jahre vor dem Start entwickelt und anschließend zum Ziel transportiert werden. Eine zurückgebrachte Probe kann dagegen in Laboren untersucht werden, deren Technik zum Zeitpunkt der Mission noch gar nicht existierte. Außerdem muss nicht das gesamte Material sofort verbraucht werden. Teile der Stardust-Proben werden konserviert und können für spätere Untersuchungen bereitgestellt werden. Der NASA-Katalog der Proben dient weiterhin als Grundlage für die wissenschaftliche Vergabe des Materials.

Gerade deshalb besteht der wissenschaftliche Wert von Stardust nicht allein in den Entdeckungen der ersten Jahre nach 2006. Die zurückgebrachten Körner sind ein dauerhaftes Archiv aus der Frühzeit des Sonnensystems.

Stardust zeigte, dass selbst winzige Staubpartikel eine große Geschichte erzählen können. In einem Kometen, der weit draußen im kalten Sonnensystem entstand, fanden Forscher Material, das einst in extremer Hitze nahe der jungen Sonne entstanden war. Sie fanden organische Moleküle und Hinweise auf eine überraschend komplexe Entstehungsgeschichte.

Die Sonde selbst ist längst verstummt. Doch ein Teil von Wild 2 liegt noch immer in Laboren auf der Erde. Und jedes einzelne dieser winzigen Körner bewahrt Informationen aus einer Zeit, in der es noch keine Erde gab, wie wir sie heute kennen.

Quellen
▪︎ NASA Science – Stardust / Stardust-NExT
▪︎ NASA Astrobiology – Stardust Mission und wissenschaftliche Ergebnisse
▪︎ NASA Jet Propulsion Laboratory – Stardust Mission Archive
▪︎ NASA Technical Reports Server – Curation and Analysis of Samples from Comet Wild 2 Returned by NASA’s Stardust Mission
▪︎ NASA Technical Reports Server – Cometary Glycine Detected in Stardust-Returned Samples
▪︎ NASA Technical Reports Server – Lessons Learned from the Stardust Sample Return Mission