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Meteoriteneinschläge im Labor: Krater im Glasperlenspiel

Um zu erforschen, wie Meteoritenkrater entstehen, können Forscherinnen und Forscher nicht warten, bis ein Stern vom Himmel fällt. Prof. Dr. Thomas Kenkmann vom Institut für Geo- und Umweltnaturwissenschaften der Universität Freiburg simuliert Meteoriteneinschläge im Labor, um zu berechnen, was für Schäden ein Einschlag verursacht.


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Meteoriten

Gefärbte Glasperstrahlperlen simulieren natürliches Gestein. Die bunten Schichten helfen, die Bewegung des Materials zu verfolgen. (Foto: Universität Freiburg / Ruprecht Zwießler)

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Der Komet Ison hatte 2013 nur einen kurzen Auftritt am Novemberhimmel. Das unerwartete Ende dieses Adventssterns zeigt, auch ein Komet fliegt nicht immer nach Plan. Ison streifte zwar die Sonne, und verglühte dabei, machte aber zum Glück einen großen Bogen um die Erde. Der Weg, den Kometen im Sonnensystem gehen, ist genau berechnet. Trotzdem kommt es vor, dass ein Meteorit sich auf die Erde verirrt – wie im Februar 2013 im russischen Tscheljabinsk. Prof. Dr. Thomas Kenkmann vom Institut für Geo- und Umweltnaturwissenschaften der Universität Freiburg simuliert welche Schäden entstehen, wenn ein Meteorit auf die Erde trifft. Ihn interessiert besonders, wie der Krater an der Einschlagsstelle geformt wird.
 

  • Meteoriten beobachten?

Beobachten können Forscherinnen und Forscher Meteoriteneinschläge besonders gut aus der Ferne, auf anderen Planeten. 1994 schlugen zum Beispiel 20 Teile des Kometen P/Shoemaker-Levy 9 auf Jupiter ein. Um aber die Kräfte und Vorgänge zu verstehen, die einen Krater aushöhlen, stellt Kenkmann Einschläge im Labor nach. Boliden kollidieren mit sehr hohen Geschwindigkeit mit der Erde und lösen eine Schockwelle aus, sowohl im Boden als auch in der Luft. Gestein explodiert mit einer Kraft, die oft mit mehreren Atombomben verglichen wird. Da kleine Projektile, wenn sie schnell sind, ebenfalls Schockwellen bewirken, simulieren Kenkmann und die Forscher des Projekts „Multidisciplinary Experimental and Modeling Impact Crater Research Network“ (MEMIN) diese Art von Einschlag als Miniatur im Ernst-Mach Institut der Fraunhofer Gesellschaft mithilfe großer Beschleunigungsanlagen[link]. Kleine Meteoriten werden meist von der Atmosphäre, die den Planeten wie eine Wattierung schützt, abgebremst. Der Effekt ist besonders stark, wenn der Bolide, wie 2013 über Russland, in mehrere kleinere Teile zerfällt. Sie schlagen dann in der Geschwindigkeit des freien Falls auf.

 

    • Klein, aber fein
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    Der Versuchsaufbau im Labor des Instituts für Geo- und Umweltnaturwissenschaften: Die Forscher beschießen einen 40 Zentimeter breiten Plexiglaskasten, 20 Zentimeter hoch gefüllt mit circa vier Millimeter großen Glasstrahlperlen, mit Projektilen aus einem Meter Höhe. Glasstrahlperlen werden eigentlich zur Sandstrahlreinigung verwendet. (Foto: Universität Freiburg / Ruprecht Zwießler)

Aber auch mit einfacheren Mitteln stellt die Arbeitsgruppe von Kenkmann Einschlagskrater nach: Im Institut für Geo- und Umweltnaturwissenschaften steht eine kleinere Anlage, die eindrucksvoll die Phasen der Kraterentstehung zeigt. Dafür brauchen die Geologinnen und Geologen nur winzige Glasperlen, Wasserfarben und ein Druckluftbeschleuniger mit Plastikkugeln.
 

  • Ein Versuch im Kasten

Die Forscher beschießen einen 40 Zentimeter breiten Plexiglaskasten, 20 Zentimeter hoch gefüllt mit circa ein Millimeter großen Glasstrahlperlen, mit Projektilen aus einem Meter Höhe. Glasstrahlperlen werden eigentlich zur Sandstrahlreinigung verwendet. Das Material ist in bunten Schichten eingestreut. Die Forscher färben den Sand mit Wassermalfarben. Beschleunigt wird die Plastik- oder Metallkugel mit Hilfe eines kleinen Druckluftbeschleunigers, der in seiner Funktionsweise einem Gewehr ähnelt. Während im Ernst-Mach Institut die Meteoriten die Geschwindigkeit von 28.000 Stundenkilometern erreichen, beschleunigen die Projektile im Institutsversuch je nach Material bis auf 650 Stundenkilometer. Die Forscher lösen den Versuch aus, indem sie an einer Leine ziehen. Augenblicklich zersprengt das Projektil die glitzernden Glasperlen in einem Kreis um die Einschlagstelle herum. Das Bild ähnelt dem Tropfen, der ins Wasserglas fällt. Die Kugel schießt knapp an einer Glasscheibe entlang in den Sand, sodass der entstandene Krater im Querschnitt zu sehen ist. Der Krater ist nur circa zehn Zentimeter tief und breit. Um die genauen Vorgänge aufzulösen, nehmen die Forscher den Einschlag mit zwei Hochgeschwindigkeitskameras auf. Mit bis zu 1.000 Bildern in der Sekunde können sie die Bewegungen der Glasstrahlperlen beim Einschlag von oben und von der Seite genau verfolgen.

 

  • Stauchung, Auswurf und Umverteilung

Die Kraterentstehung wird in drei Phasen aufgeteilt. In der Kompressionsphase wird das Material, auf das der Meteorit trifft, gestaucht. Das Projektil überträgt die Energie des Falls auf den Boden. Bei hohen Geschwindigkeiten entstehen Schockwellen. Im Glasperlenversuch werden die bunten Sandschichten in dieser Phase elastisch verformt und gestaucht. In der Exkavationsphase wird das Material, vom Projektil ausgehend, an die Oberfläche geschoben und in alle Richtungen in die Luft katapultiert. Der Teil unterhalb des Projektils wird weiter zusammengedrückt. In der Modifikationsphase fallen die aufgeworfenen Glasstrahlperlen um den Krater herunter und die steilen Ränder rutschen zum Mittelpunkt der Vertiefung. Fertig ist der bunte Krater.

 

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Mit Hochgeschwindigkeitskameras können die genauen Bewegungen der Partikel während des Einschlags aufgezeichnet werden. Die Glasstrahlperlen mit gleichen Geschwindigkeiten sind mit der gleichen Farbe markiert. Die Pfeile zeigen an, in welche Richtung sich die Partikel bewegen
(Foto: Universität Freiburg / Ruprecht Zwießler)

    
  • Erkenntnisse skalieren

Die verwendeten Materialien müssen mit Bedacht gewählt werden. Sie sollten sich im kleinen Maßstab so verhalten wie Gestein in der Natur, damit die Erkenntnisse aus der Miniatur auf echte Meteoriteneinschläge übertragbar sind. Neben Quarzsand kommen auch ungewöhnliche Materialien wie Mehl zum Einsatz. Sie gleichen in den mechanischen Eigenschaften, beispielsweise der Haftung und Reibung der Körner oder Partikel, natürlichem Gestein. Die Ergebnisse der Simulationen werden auf natürliche Größen hochgerechnet. Erst dann können die Forscher vorhersagen, auf welche Weise ein Meteorit Gestein und Umwelt schädigt. Der Versuch bringt den Forschern somit einen bunten Glasperlenregen – und neue Erkenntnisse in der Kraterforschung.

 
 

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Prof. Dr. Thomas Kenkmann
ist seit 2010 Inhaber des Lehrstuhls für Allgemeine Geologie und Strukturgeologie der Universität Freiburg und seit 2013 Prodekan der Fakultät für Umwelt und Natürliche Ressourcen. Nach dem Studium der Geologie und Paläontologie in Köln wurde er 1997 an der Freien Universität in Berlin promoviert und 2003 habilitiert. Als Wissenschaftler und Kurator arbeitete er am Geoforschungszentrum in Potsdam und später am Museum für Naturkunde Berlin. Von 2007 bis 2010 leitete er zusätzlich das Zentrum für Rieskrater- und Impaktforschung in Nördlingen. Seit 2009 ist er Sprecher der Forschergruppe FOR-887 „Multidisciplinary Experimental and Modeling Impact Research Network“ der Deutschen Forschungsgemeinschaft. Er erforscht Meteoritenkrater, aber auch Bergstürze und langsamere Verformungen der Erdkruste.
 

 

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Prof. Dr. Thomas Kenkmann vom Institut für Geo- und Umweltnaturwissenschaften der Universität Freiburg simuliert Meteoriteneinschläge mit gefärbten Glasstrahlperlen. Er erklärt, wie die Forscher mit Hilfe dieser Versuche die Entstehung echter Meteoritenkrater erforschen.

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Die Glasstrahlperlen werden mit Wassermalfarben coloriert. (Foto: Universität Freiburg / Ruprecht Zwießler)   Gefärbte Glasperstrahlperlen simulieren natürliches Gestein. Die bunten Schichten helfen, die Bewegung des Materials zu verfolgen. (Foto: Universität Freiburg / Ruprecht Zwießler)
     
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Mit Hochgeschwindigkeitsaufnahmen können in die drei Phasen der Kraterentstehung aufgelöst werden. Erst werden die Glasstrahlpernlschichten gestaucht, dann zerstoßen und letztlich fließt ein Teil des Materials zurück in den Krater. Dabei können die Wissenschaflter genau verfolgen, wie sich die einzelnen Partikel im Material verhalten. (Foto: Universität Freiburg / Ruprecht Zwießler)

 

Mehr Informationen

Artikel in uni'wissen
Prof. Dr. Thomas Kenkmann simuliert mit der DFG-Forschergruppe Memin Hochgeschwindigkeitsimpakte.

 

Artikel in uni'lernen
Studierende durchforsten mit Hilfe von Google Earth die Erdoberfläche auf der Suche nach unentdeckten Meteoritenkratern.

 

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