HELMHOLTZ-PREIS 2007 (Preisverleihung am 18.07.2007)
Dr. Göstar Klingelhöfer für die Arbeit „Entwicklung eines Miniaturisierten Mößbauer-Spektrometers“

Preisträger 2007: Miniaturisiertes Mößbauer-Spektrometer

Prof. Dr. Ernst O. Göbel, Dr. Andreas Schlüter, Dr. Gert Hoffmann, Prof. Dr. Heinz Kluge, Dr. Göstar Klingelhöfer

Göstar Klingelhöfer wurde 1956 in Gedern, Oberhessen, geboren. Er studierte Physik an der TU Darmstadt und promovierte 1990 am dortigen Institut für Kernphysik. 1999 ging er an die Universität Mainz und leitete dort die Gruppe „Experimentelle Planetologie“, die sich u. a. der Erforschung des Mars widmete. Dazu kamen nach 2007 weitere Projekte zur Erforschung des Marsmondes Phobos, von Kometen im Rahmen des ESA-Projektes ROSETTA sowie spezieller Ziele auf dem Erdmond.

Das Miniaturisierte Mößbauer-Spektrometer MIMOS, das unter der Leitung von Dr. Göstar Klingelhöfer von seinem Team an der Universität Darmstadt und später an der Universität Mainz entwickelt und gebaut wurde, ist ein hochempfindlicher Sensor, mit dem man die mineralogische Zusammensetzung z. B. von Felsenmalereien in Brasilien oder von Pigmenten in antiken Vasen untersucht hat. Weltweite Berühmtheit erlangte das 2003 von Klingelhöfer und seinen Mitarbeitern gebaute Spektrometer MIMOS 2. Es war der „Mineralogie-Explorer“ der Mars-Rover „Spirit“ und „Opportunity“, die im Januar 2004 auf der Oberfläche unseres Nachbarplaneten landeten und dort nach mineralogischen Spuren von früheren Wasservorkommen suchten. Für seine Arbeit „Entwicklung eines Miniaturisierten Mößbauer-Spektrometers“ erhielt Göstar Klingelhöfer den mit 20.000 € dotierten Helmholtz-Preis 2007.

MIMOS nutzt den Mößbauer-Effekt zur Spektroskopie von Atomkernen. Dazu wird Gammastrahlung, die von angeregten Kernen emittiert wurde, von anderen Kernen resonant absorbiert und anschließend wieder abgestrahlt. Die Atome sind in Kristallgittern eingebaut, wodurch die Emission und die Absorption rückstoßfrei ablaufen, sodass die Emissions- und Absorptionslinien ihre extrem kleine natürliche Linienbreite zeigen.

Nur wenn die Emission- und die Absorptionswellenlänge genau übereinstimmen, was mit Hilfe des Doppler-Effekts durch eine langsame Bewegung der Gammastrahlenquelle erreicht wird, kommt es zur Absorption mit anschließender Abstrahlung, die von einem Detektor registriert wird. Da die chemischen Bindungen der Atome die Anregungsfrequenzen der Atomkerne geringfügig und in charakteristischer Weise verändern, kann man mit der Mößbauer-Spektroskopie unterschiedliche Bindungszustände von bestimmten Atomen wie Eisen unterscheiden. MIMOS hat als Strahlungsquelle Kobalt-57-Kerne, die sich durch Elektroneneinfang in angeregte aber stabile Eisen-57-Kerne umwandeln, welche anschließend Gammastrahlung abgeben.

Durch Mößbauer-Spektroskopie von Eisen kann MIMOS den Gehalt verschiedener Eisenmineralien in einer Material- oder Gesteinsprobe ermitteln und diese dadurch charakterisieren. Da MIMOS im Gegensatz zu herkömmlichen Mößbauer-Spektrometern sehr handlich ist, nur 400 Gramm wiegt und eine Leistung von 2 Watt verbraucht, eignet es sich für einen mobilen Einsatz vor Ort. Diese Vorzüge erweckten das Interesse der NASA und der ESA, die daraufhin ihre Marsmissionen mit einer weltraumtauglichen Version von MIMOS ausrüsteten. Das miniaturisierte Mößbauer-Spektrometer konnte im Marsgestein bestimmte Eisenverbindungen nachweisen, die nur in feuchter Umgebung entstanden sein konnten. Demnach muss es einst auf dem Mars große Mengen von Wasser gegeben haben.

Literatur

G. Klingelhöfer: Mössbauer In Situ Studies of the Surface of Mars. Hyperfine Interactions 158, (2004) 117