Ein Mond wie ein Labor für die Chemie vor dem Leben

Titan, der größte Mond des Saturn, fasziniert die Forschung seit Jahrzehnten: Unter einer dichten, orangefarbenen Dunstschicht aus organischen Verbindungen liegen Dünenfelder, Seen und Meere – allerdings nicht aus Wasser, sondern aus flüssigem Methan und Ethan. Weil Titans Atmosphäre überwiegend aus Stickstoff und Methan besteht und damit in Teilen an Bedingungen der frühen Erde erinnern könnte, gilt der Mond als natürlicher Testfall für die Frage, wie „Vorstufen-Chemie“ abläuft, also Chemie, die dem Leben vorausgeht.

Ein Team der Chalmers University of Technology in Schweden hat nun gemeinsam mit Forschenden der US-Raumfahrtbehörde NASA einen Befund vorgelegt, der eine der bekanntesten Faustregeln der Chemie unter extremen Bedingungen ins Wanken bringt: In der eisigen Kälte Titans können sich Stoffe zusammenlagern, die auf der Erde kaum miteinander „wollen“.

Wenn „Gleiches sich in Gleichem löst“ nicht mehr gilt

In der Chemie gilt als grobe Richtschnur: Polare und unpolare Substanzen mischen sich selten. „Polar“ bedeutet, dass ein Molekül eine ungleich verteilte elektrische Ladung besitzt – es hat also eine Art Plus- und Minus-Seite. Unpolare Moleküle sind dagegen elektrisch gleichmäßiger verteilt. Wasser ist ein klassisches Beispiel für eine polare Flüssigkeit, viele Kohlenwasserstoffe sind unpolar. Darum trennt sich Öl von Wasser so zuverlässig.

Auf Titan jedoch scheint diese Trennung nicht immer zu greifen. Im Zentrum der neuen Studie steht Blausäure beziehungsweise genauer: Cyanwasserstoff (Hydrogen cyanide, HCN). Dieses Molekül ist stark polar und wird nach Angaben der Forschenden in Titans Atmosphäre in relevanten Mengen gebildet. Methan und Ethan dagegen sind unpolar und prägen als Flüssigkeiten die Seen und Meere auf der Oberfläche. Dass ausgerechnet diese Kombination miteinander in Kontakt tritt, war bisher nicht erwartet worden.

Experimente bei 90 Kelvin: Kristalle treffen auf Kohlenwasserstoff-Seen

Auslöser der Zusammenarbeit war eine offene Frage zur Titan-Chemie: Was passiert mit Cyanwasserstoff, nachdem er in der Atmosphäre entsteht? Würde er sich einfach in großen Mengen als Ablagerung ansammeln – oder reagiert beziehungsweise interagiert er mit seiner Umgebung? Um das zu testen, mischte ein Team am NASA Jet Propulsion Laboratory Cyanwasserstoff mit Methan und Ethan bei Temperaturen bis hinunter zu 90 Kelvin, also etwa minus 180 Grad Celsius. Unter diesen Bedingungen liegt Cyanwasserstoff als Kristall vor, während Methan und Ethan flüssig bleiben.

Mit Laserspektroskopie untersuchten die Forschenden anschließend, was in den Mischungen geschieht. Die Moleküle blieben demnach chemisch „intakt“ – es fand also keine klassische Reaktion statt, bei der Bindungen aufbrechen und neue entstehen. Trotzdem zeigte sich: Es hatte sich etwas Grundlegendes verändert.

Co-Kristalle: Kohlenwasserstoffe im Cyanwasserstoff-Gitter

Hier kommt die Arbeit der Chalmers-Gruppe ins Spiel. Mit groß angelegten Computersimulationen prüften die Forschenden zahlreiche mögliche Anordnungen der Moleküle im festen Zustand. Das Ergebnis: Methan oder Ethan können offenbar in das Kristallgitter von Cyanwasserstoff eindringen und dort stabile Strukturen bilden – sogenannte Co-Kristalle. Vereinfacht gesagt entsteht dabei ein gemeinsames Kristallgefüge aus Molekülen, die man unter normalen Bedingungen nicht zusammen in einem Festkörper erwarten würde.

Die Simulationen lieferten nicht nur Stabilitätsaussagen für Titan-ähnliche Bedingungen, sondern sagten auch Spektren voraus, die laut Team gut zu den Messungen aus den NASA-Experimenten passen. Damit wird aus einem rätselhaften Laborbefund ein plausibles Modell dafür, wie sich Materie auf Titan tatsächlich organisieren könnte.

Warum das mehr als eine chemische Kuriosität ist

Der Befund ist nicht nur ein Trick der Tieftemperatur-Chemie, sondern könnte Folgen für das Verständnis von Titans Landschaften und Stoffkreisläufen haben. Wenn Cyanwasserstoff nicht einfach als „separater“ Stoff ausfällt, sondern in Mischkristallen gebunden wird, verändert das, wie und wo er auf Titan gespeichert, transportiert oder umgewandelt werden kann. Das betrifft im weiteren Sinne auch die Frage, welche chemischen Ausgangslagen für komplexere organische Moleküle entstehen.

Hinzu kommt ein zweiter Punkt: Cyanwasserstoff gilt in vielen Szenarien der präbiotischen Chemie als wichtiger Vorläufer. Die Forschenden betonen, dass daraus – unter passenden Bedingungen und über mehrere Schritte – Bausteine entstehen können, die für Leben zentral sind, etwa Aminosäuren (Grundbausteine von Proteinen) oder Nukleobasen (Bestandteile des genetischen Codes). Die neue Arbeit liefert damit keinen Beleg für Leben auf Titan, aber sie erweitert die „Spielregeln“, nach denen Vorläuferchemie in extremen Umgebungen ablaufen könnte.

Keine neue Chemie – aber neue Grenzen

Trotz der Schlagkraft des Ergebnisses warnt Studienleiter Martin Rahm davor, die Chemie-Lehrbücher vorschnell umzuschreiben. Das Prinzip „Gleiches löst sich in Gleichem“ bleibt in Alltagsbedingungen extrem nützlich. Die Studie zeigt vielmehr, dass solche Regeln eben Regeln mit Geltungsbereich sind – und dass bei sehr niedrigen Temperaturen und in ungewöhnlichen Stoffumgebungen völlig andere stabile Strukturen möglich werden.

Ausblick: Dragonfly und die Suche nach präbiotischer Chemie

Die Entdeckung kommt zu einem Zeitpunkt, an dem Titan ohnehin stärker in den Fokus rückt. Für 2034 wird die Ankunft der NASA-Mission Dragonfly auf Titan erwartet. Ziel ist es, die chemischen Prozesse auf der Oberfläche genauer zu untersuchen – ausdrücklich auch im Hinblick auf präbiotische Chemie. Bis dahin wollen die Forschenden weiter klären, ob neben Methan und Ethan auch andere unpolare Moleküle in Cyanwasserstoff-Kristalle „hineinrutschen“ können – und was das für die Chemie kalter Welten im All bedeutet.