DFG-Förderung: Eine Atomfalle für die Wasserdatierung

Foto: Florian Freundt, Institut für Umweltphysik, Universität Heidelberg

Gesamtansicht des ATTA-Aufbaus für das Einfangen und die Detektion von ³⁹Ar-Atomen.

Eine neuartige Datierungsmethode für die Erd- und Umweltwissenschaften steht im Mittelpunkt eines Projekts in der Heidelberger Physik, das von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert wird. Dabei geht es um den Einsatz eines speziellen radioaktiven Isotopes des Edelgases Argon (Ar). Dieses Isotop ist für die Altersbestimmung in der Zeitspanne von 50 bis 1.000 Jahren von Bedeutung und soll für die Wasserdatierung genutzt werden. Das dreijährige Vorhaben wird von Prof. Dr. Markus Oberthaler am Kirchhoff-Institut für Physik und Prof. Dr. Werner Aeschbach am Institut für Umweltphysik der Universität Heidelberg durchgeführt. Die DFG hat dafür Mittel in Höhe von rund einer Million Euro bewilligt. Die Arbeiten werden im März 2017 beginnen.

Das Projekt „ArTTA-10mL: An instrument for ³⁹Ar-dating of small ice and water samples“ wurde im Rahmen der erstmaligen DFG-Ausschreibung „Neue Geräte für die Forschung“ zur Förderung ausgewählt. Das Vorhaben basiert auf einer langjährigen Zusammenarbeit der Arbeitsgruppen von Prof. Oberthaler und Prof. Aeschbach, die die Datierungsmethode mithilfe des Edelgasradioisotopes ³⁹Ar bereits erfolgreich eingesetzt und den Prototypen eines Messgeräts entwickelt haben. Das neue Gerät, das die Heidelberger Forscher nun realisieren wollen, soll weltweit einmalig für den Routinebetrieb mit kleinen Proben ausgelegt und dann auch anderen Forschern zugänglich gemacht werden.

Die Altersbestimmung in den Erd- und Umweltwissenschaften basiert zumeist auf radioaktiven Isotopen, deren allmählicher Zerfall Zeitinformation liefert. Dabei ist das Edelgasradioisotop ³⁹Ar von großem Interesse für die Datierung in Grundwasserforschung, Ozeanographie und Gletscherforschung, da es als einziges Isotop den wichtigen Altersbereich von etwa 50 bis 1.000 Jahren abdeckt. Eine besondere Herausforderung stellt allerdings seine extreme Seltenheit dar. Wie Messungen in den 1960er Jahren gezeigt haben, befindet sich unter einer Billiarde Argon-Atomen in der Luft nur ein einziges ³⁹Ar. Um über den Nachweis des radioaktiven Zerfalls von ³⁹Ar das Alter von Grund- oder Ozeanwasser bestimmen zu können, werden Proben von mindestens einer Tonne Wasser benötigt.

Das Heidelberger Messverfahren basiert auf der fundamental neuen Messmethode der Atom Trap Trace Analysis (ATTA), bei der die ³⁹Ar-Atome in einer Atomfalle gefangen und nachgewiesen werden. Diese Technologie der „Manipulation“ von Atomen wurde in den vergangenen Jahren in Heidelberg perfektioniert. Damit ist es möglich, die benötigte Probengröße um den Faktor 100 bis 1.000 zu reduzieren, wie Prof. Oberthaler erläutert. In einem Vorgängerprojekt konnten die Wissenschaftler zeigen, dass die Messung von ³⁹Ar mit diesem Verfahren generell möglich ist. Nun haben sie anhand von Ozeanwasser und alpinem Eis den Nachweis erbracht, dass die ³⁹Ar-ATTA-Messung auch mit kleinen Proben von lediglich 25 Litern Wasser oder einem Argon-Volumen von zehn Millilitern und weniger realisiert werden kann. „Das eröffnet komplett neue Perspektiven für die Anwendung. Der Bedarf für solche Analysen, insbesondere auf dem Gebiet der Spurenstoff-Ozeanographie, ist groß“, so Prof. Aeschbach.

Markus Oberthaler forscht am Kirchhoff-Institut für Physik, Werner Aeschbach am Institut für Umweltphysik. Prof. Aeschbach ist zudem Direktor des Heidelberg Center for the Environment (HCE).