8  Präsenzphase

Kurze Erklärung dazu folgt, wobei das mehr oder weniger selbsterklärend sein sollte.

8.1 Vom Big Bang zu 209Bi – eine Vorlesung zur Entstehung der Elemente

Du sollst Deine Dozentin nächste Woche für eine Stunde vertreten. Nicht nur das, Du sollst auch die Präsentation dafür erstellen. Die Studierenden sollen lernen, wie, wann, wo und über welche Prozesse sich die chemischen Elemente und Isotope gebildet haben. Wie Du erfährst, kennen die Studierenden noch nicht einmal den Unterschied zwischen Element und Isotop. Für heute willst Du zunächst ein Konzept für die Stunde entwerfen und ein paar erste Darstellungen auswählen, die Du zeigen willst. Vor allem übst Du noch einmal genau, wie Du die unterschiedlichen Prozesse der Nukleosynthese erklärst, am Besten mit Hilfe von grafischen Darstellungen. Folgende Inhlate, Konzepte und Prozesse sollen Deine Studiernden am Ende der Stunde verinnerlicht haben:

  1. Was sind Elemente, Isotope, Atome, Nuklide.
  2. Wie sind diese entstanden?
  3. In welcher Relation stehen Nukleosynthese und Sternentstehung?
  4. Wozu können stabile Isotope verwendet werden?

Gib Beispiele für die verschiedenen Punkte und vielleicht fallen Dir noch zusätzliche ein.

8.2 Fragen aus dem Publikum

8.2.1 Fragerunde nach Deinem Vortrag in Saal 1

Du hältst einen öffentlichen Abendvortrag über Meteorite und deren Herkunft. Nach tosendem Applaus schlenderst Du zur Bar und bestellst Dir einen wohl verdienten Sundowner, als Du eine Reihe gut gelaunter Zuhörer auf Dich zuströmen siehst. Kurz darauf siehst Du Dich umringt und stellst fest, dass Dein Vortrag doch noch einige Fragen offen gelassen hat. Du hörst Dir folgende Fragen aufmerksam und geduldig an, um diese anschließend mit Kompetenz, Selbstsicherheit und vor allem sehr guten Argumenten zu beantworten:

Ein junger Herr mit Hut: »Es heißt immer: ›Wir sind alle Sternenstaub‹ – stimmt das wirklich?«
Eine Frau in Nadelstreifen: »Ich bin gerne unterwegs und ständig auf der Suche nach einem neuen Investment: wenn ich mit Meteoriten Geld verdienen möchte – wo auf der Welt sollte ich am Besten nach diesen suchen?«
Ein Jugendlicher im Rollstuhl: »Ich habe einmal gelernt, dass man Gesteine in ›magmatisch, metamorph und sedimentär‹ einteilen kann. Gilt das auch für Meteorite?«
Ein Kind (nimmt ihren ganzen Mut zusammen) und ihr Vater: »Kollidieren Asteroide heute noch miteinander?«
Ein DLR-Mitarbeiter: »Wir haben ein Kamera-Netzwerk gebaut, um Meteoritenfälle automatisiert zu registrieren. Nachdem wir einen Fall beobachtet haben: wie schnell müssen wir den Meteorit denn dann finden, bevor der weg verwittert?«
Eine Astronautinnen-Anwärterin: »Ich soll in 5 Jahren auf einen großen Asteroiden fliegen um dort eine Bergbau-Station zu errichten. Haben denn Asteroide auch ein Magnetfeld, das mich vor der kosmischen Strahlung schützen wird?«
Schließlich: überlegt Euch eine Frage für die andere Gruppe, für deren Beantwortung sie ihr bisheriges, erworbenes Wissen möglichst umfassend einsetzen muss.

8.2.2 Fragerunde nach Deinem Vortrag in Saal 1

Ein Sci-Fi Fan: »Ich habe einmal gehört, der Asteroidengürtel besteht aus den Überresten eines ehemaligen Planeten – stimmt das?«
Eine ferne Verwandte von Elon Musk: »Ich würde gerne eine Raumstation im Asteroidengürtel errichten – wo genau wäre es denn am Besten, damit nicht zu viele Asteroide in der Nähe sind, welche die Station treffen könnten?«
Ein Mineraliensammler: »Gibt es in Meteoriten eigentlich noch anderes Material als auf der Erde?«
Ein Lehrer: »Bei Ihren Meteoritenbildern kann etwas nicht ganz stimmen: da ist ja nie ein Krater, in dem diese Meteorite liegen! Diese Steine können niemals vom Himmel gefallen sein.«
Eine Studentin: »Ich habe da vorhin nicht ganz zugehört: Wo fallen noch mal die meisten Meteorite?«
Eine ältere Dame: »Gibt es eigentlich auch Meteorite von außerhalb des Sonnensystems?«
Schließlich: überlegt Euch eine Frage für die andere Gruppe, für deren Beantwortung sie ihr bisheriges, erworbenes Wissen möglichst umfassend einsetzen muss.

8.3 3 Herausforderungen

8.3.1 EPMA und OES Untersuchung an zwei chondritischen Komponenten

Du untersuchst einen Meteoriten mit der Mikrosonden, und eine Komponente besteht primär aus Serpentin, Cronstendite und Sulfid. Eine zweite Komponente enthält etwas Hibonit, Grossit und sehr wenig Olivin. Was kannst Du über die Entstehung dieser Komponenten sagen? Hast Du eine Vermutung, um welche Komponenten es sich handeln könnte? In einem nächsten Schritt möchtest Du die Gesamtzusammensetzung dieser Komponenten mit der OES bestimmen. Welche Vermutung hast Du, welche Elemente eventuell in welcher Komponente angereichert, bzw. verarmt ist?

8.3.2 Die Entstehung eines Objekts in einem Chondrit

Du untersuchst einen Meteoriten mit der Mikrosonden, machst ein BSE-Bild und identifizierst darauf die 3 Minerale. Beschreibe zunächst so genau wie möglich, was Du siehst. Überlege dann, wie dieses Objekt entstanden sein könnte. Es gibt noch ein weiteres Material zwischen den Olivinen, das hellgrau erscheint. Welche Elemente könnten darin angereichert, und welche Elemente könnten darin verarmt sein?

8.3.3 Flat Earth to Flat Disks

Ein Verschwörungstheoretiker erklärt Dir, warum die Erde eine Scheibe ist, und dass es jenseits davon nichts viel anderes mehr gibt. Vielleicht gibt es noch andere Sterne, schon möglich, aber so etwas wie unser Sonnensystem sei einmalig. Nun bringt es wenig, mit Verschwörungstheoretikern zu diskutieren, seine Freundin jedoch scheint interessierter. Wie begründest Du ihr, dass so etwas wie Planetensysteme doch eher häufig als selten ist.

8.4 2 Aufgaben

8.4.1 CI Soforthilfe

Am Vorabend einer Klausur bittet Dich ein Kommilitone – schon mit leichter Panik in der Stimme – ihm zu erklären, was es mit diesen CI Chondriten auf sich hat. Konkret will er wissen, was er denn antworten soll, wenn in der Klausur eine Frage zu CI Chondriten auftaucht, z.B., warum in der Geochemie so oft auf CI Chondrite normiert wird, bzw. warum die so eine herausgehobene Bedeutung in der Kosmochemie haben. Dir dämmert, dass der sehr nette Kommilitone hier noch eine größere Lücke hat, denn er scheint noch nicht mal einen Schimmer zu haben, was genau ein CI Chondrit überhaupt ist. Es klingelt an der Tür, und Dein Kommilitone muss noch mal schnell eine gute halbe Stunde weg, was erledigen. Du nutzt die Zeit, und überlegst Dir, wie Du nachher Deinem Kommilitonen einen knackigen und fundierten Überblick über die Geheimnisse der CI Chondrite gibst. Um noch einen Schritt weiter zu gehen, überlegst Du Dir noch andere Meteorite in dem fundamentalen Plot über die CI Chondrite darzustellen, um daran ein paar Unterschiede und Gemeinsamkeiten darzustellen. Schließlich, weil Du gerade dabei bist, belegst Du ihm noch, dass es fraktionierte Kondensation auch um andere Sterne gab. Dein Kommilitone kehrt erst nach einer geschlagenen Stunde wieder zurück, aber Du bist nun bestens vorbereitet – und legst los.

8.4.2 Strukturierte Verarmung

Du stehst bei einer Konferenz an einem Stehtisch und trinkst einen verdienten Schluck alkoholfreies Freibier, als Du ein Gespräch über Volatil-Verarmung mithörst. Du kannst dem Gesprächsinhalt nicht ganz folgen, was Dich ärgert. Du beschließt daher, dass es Dein letztes Kaltgetränk für diesen Abend ist, und Du Dir nach dem Aufstehen am nächsten Mittag die Sache der Volatil-Verarmung einmal systematisch klar machst. Und so sitzt Du nach einem stärkenden Brunch an Deinem Schreibtisch und überlegst Dir: Volatil-Verarmung. Wie sähe wohl die Gesamt-Zusammensetzung der Schmelzkruste eines CI-Chondriten aus? Wie sähe wohl die Volatil-Verarmung von Meteoriten in unterschiedlichem Abstand der Sonne aus? Warum gibt es überhaupt Volatil-Verarmung, und womit hängt die zusammen? Welche Muster der Volatil-Verarmung könnte es geben, bzw. wie könnten diese durch weitere Prozesse verändert werden? Welche Zusammensetzung hat wohl das saukalte Gas des interstellare Materials? Du beginnst Diagramme zu zeichnen, eine Entfernungsachse von der Sonne mit verschiedenen Diagrammen entlang dieser Achse, Pfeile in Diagramme, welche Prozesse anzeigen sollen, es fallen Dir entscheidende Parameter für diese Verarmung ein – und während nur einer knappen Stunde werden Dir die Zusammenhänge und Kontexte immer klarer, bis Du es verstanden, und Dir nun erst mal einen guten, heißen Kaffee aus dem im AirBnB bereit stehenden Kaffeevollautomaten verdient hast.

8.5 Ein bisschen Forschungsarbeit

8.5.1 Reisende finden ein paar Meteorite in der Wüste

Ein Pärchen kehrt aus dem Abenteuer-Urlaub in der lybischen Wüste zurück. Auf Spaziergängen über weit schweifende Plateaus haben die beiden möglicherweise Meteorite entdeckt. Du fertigst von 5 Meteoriten Dünnschliffe an, legst die unters Mikroskop und siehst folgendes:

  1. Meteorit: Es ist etwas mehr Matrix als Chondren zu sehen, aber nicht sehr viel. Die Chondren sind recht groß und enthalten teils große Metall-Körner. Die meisten Chondren sind mineralogisch zoniert, mit Olivin im Kern und Pyroxen am Rand. Es sind nicht viele CAIs auffindbar, vielleicht um die 1 vol.%. Die Chondren-Matrix sowie einige Chondren-Mesostasis zeigen eine beginnende, wässrige Alteration. Die Schmelzkruste ist sehr rot mit vielen Fe-Hydroxiden.
  2. Meteorit: Der Schliff enthält sehr viel Metall, dazwischen Olivine, Pyroxene und etwas Feldspat. Weder Chondren noch CAIs sind zu sehen. Von dieser Art Meteorite hast Du in Sammlungen bislang noch nicht viele gesehen.
  3. Meteorit: Es treten sehr viele Chondren auf. Manche haben einen Olivin-Kern, aber immer einen sehr breiten Pyroxen-Rand. Viele Chondren bestehen vollständig aus Pyroxen. Matrix ist kaum zu entdecken. Ebenso tritt wenig Metall auf, sowie fast keine CAIs. Du erkennst kaum Alteration. Die Schmelzkruste ist tiefschwarz und glasig.
  4. Meteorit: Du erkennst viele Olivine, dazwischen etwas Pyroxen und selten etwas Spinell oder Feldspat. Einige Olivine wurde in Serpentin umgewandelt. Die Probe ist tiefschwarz, jedoch ohne wirkliche Schmelzkruste. Magnetisch ist die Probe nicht.
  5. Meteorit: Der Schliff zeigt ein fast magmatisches Gefüge. Das besteht aus Olivin-, Pyroxen- und dazwischen etwas Feldspat-Körnern. Nur wenige, reliktische Chondren sind zu sehen. Matrix ist nicht zu entdecken, ebensowenig CAIs.

Die beiden frisch verliebten, denen jegliches Gefühl für Raum und Zeit verloren gegangen ist, würden außerdem gerne wissen, welche Ewigkeit diese Meteorite schon in der Wüste liegen, wie lange sie wohl im Sonnensystem als Meteore unterwegs waren, und ob diese älter sind als unsere Erde, unser Sonnensystem oder das Universum selbst. Was sagst du zu den Proben der beiden, sowie deren Fragen?

8.5.2 Der Meteoriten forschende Hiwi

Ein studentischer Hiwi untersucht einen Meteoriten und macht folgende Beobachtungen: Der Meteorit enthält fast ausschließlich Chondren, und kaum Matrix. CAIs sind nicht vorhanden, auch praktisch keine Opak-Phasen. Im Dünnschliff ist der Bereich zwischen den Chondren Orange gefärbt. In einem Teil des Meteoriten sind kleinere und etwas weniger Chondren als im Rest. Von den 50 genauer untersuchten Chondren haben 5 längliche Balken. In 37 Chondren sind große Minerale enthalten. In 4 Chondren scheinen Minerale radialstrahlig von einem Punkt durch die Chondre gewachsen. Die restlichen haben praktisch keine Struktur. Um was für einen Meteoriten handelt es sich? Was lässt sich über die Geschichte des Meteoriten sagen? Welche unterschiedlichen Chondren-Typen gibt es, und wie sind diese entstanden?

8.5.3 Die Zusammensetzung der Haupt-Komponenten

In einem CV-Chondriten bestimmst Du die Element-Zusammensetzungen der beiden Haupt-Komponenten Chondren und Matrix, und fokussierst nun auf die beiden Haupt-Elemente Mg und Si. Die Chondren haben variable Mg- & Si-Zusammensetzungen. Das Mg/Si-(Massen)Verhältnis der Chondren ist etwas höher als das Mg/Si-(Massen)Verhältnis von CI-Chondriten (das ist ca. 0.91). Die Matrix ist sehr homogen zusammengesetzt, und hat ein Mg/Si-(Massen)Verhältnis, das etwas unterhalb des Mg/Si-(Massen)Verhältnis von CI-Chondriten liegt. Das Mg/Si-(Massen)Verhältnis des gesamten CV-Chondriten ist dem von CI-Chondriten sehr ähnliche, und liegt bei ebenfalls ca. 0.91 (Mg = 14.3 & Si = 15.7 Gew.%).
Du überlegst, was die unterschiedlichen Zusammensetzungen der Hauptkomponenten bedeuten könnte, und was man daraus über die Entstehung dieser Komponenten lernen könnte. Dazu gehst Du wie folgt vor (unten gibt es ein paar Tipps zu den einzelnen Schritten – nur bei Bedarf):

  1. Du zeichnest ein Diagramm mit Si auf der x- und Mg auf der y-Achse.
  2. Darein zeichnest Du das Mg/Si-Verhältnis von CI-Chondriten.
  3. Dann markierst Du die Lage des gesamten CV-Chondriten.
  4. Nun zeichnest Du die ungefähre Lage der Chondren, sowie der Matrix.
  5. Markiere nun die ungefähre, mittlere Zusammensetzung der Chondren und Matrix.
  6. Verbinde die mittleren Zusammensetzungen.
  7. Überlege zunächst: liegt die gesamte CV-Zusammensetzung auch auf dieser Verbindungslinie?

zu 2: Ein Verhältnis in einem solchen Diagramm entspricht der Steigung einer Geraden, da: y = m*x, mit y = Mg und x = Si, also m = Mg/Si. Die genaue Lage der CI-Chondrite spielt dabei keine Rolle. Deren Zusammensetzung findet man schnell, z.B. auf metbase.org in der entsprechenden Tabelle. Ansonsten ist deren Zusammensetzung: Mg = 9.7 und Si = 10.64 Gew.% zu 4: Überlege, welches die Hauptminerale in Chondren sind, wo diese Minerale im Diagramm liegen, und wo daher die Chondren liegen, sowie die Chondren liegen. zu 5: -> zeichne einen Punkte etwa in die Mitte der von Dir eingetragenen Chondren- und Matrix-Zusammensetzungen zu 7: Überlege dazu, welche Komponenten die gesamte Mg- und Si-Zusammensetzung im Meteoriten dominieren.

8.6 Skizziere die Entwicklung des frühen Sonnensystems

Wir haben nun einiges über Meteorite, deren Komponenten, Zusammensetzung, deren räumliche und etwas auch deren zeitliche Entstehung gelernt, ebenso etwas über Material-Wachstum, Evaporation, die Kondensations-Sequenz, Chondren-Bildung, usw.
Versuche nun all das in die unten skizzierte, zeitlich-thermische Reihenfolge einzutragen und zu ordnen. Überlege zunächst, was Beobachtungen und was Prozesse sind. Rekonstruiere aus diesen Beobachtungen und Prozessen eine schematische Chronologie der Materie-Entwicklung im frühen Sonnen-System. Als grobes, zeitliches Gerüst sollen dazu markante Zeitpunkte der Chondren-Bildung dienen.
Folgende Informationen könnten auftauchen: (i) Welches ist das ursprüngliche Material, aus dem sich unser Sonnensystem gebildet hat? (ii) Wie hat sich das Precursor-Material der Chondren gebildet, und was für ein Material ist das? (iii) Wie lief die Chondren-Bildung ab? –> z.B. T-Verlauf, Peak-T, Bildungsdauer, Kristallisation, wo fand die Bildung statt? (iv) Was geschah mit den Chondren nach ihrer Bildung, und woher könnten die weiteren Komponenten der Planetesimale stammen? (v) wie sind Meteorite zusammen gesetzt? (vi) Wo entstanden die verschiedenen Komponenten? Und wo befinden sich nun die verschiedenen Asteroide?

Gezeichnet werden darf alles: z.B. schematische Zeichnungen der protoplanetaren Scheibe, von Asteroiden, von Chondriten oder auch Chondren, Chondren-Bildung, etc. Natürlich auch Diagramme zur Zusammensetzung, Entstehungsprozessen, etc. – in diesem Fall geht es weniger um die Präzision bei den Zeichnungen/Diagrammen, sondern mehr darum, welche ihr für eine aussagekräftige und verständliche Darstellung auswählt.