Unsere Gruppe untersucht auch die Entstehung von Exosphären bei Himmelskörpern, die keine dichte Atmosphäre haben (Lammer et al. 2022). Der Planet Merkur und massearme Objekte wie der Erdmond, Asteroiden oder die Monde der Riesenplaneten im äußeren Sonnensystem besitzen keine nennenswerte Atmosphäre und werden allgemein als atmosphärenlose Himmelskörper bezeichnet. Da die Oberfläche dieser Himmelskörper der Strahlung, den Ionen und Elektronen des umgebenden Plasmastroms der Sonne bzw. – im Falle der Riesenplaneten – ihres Magnetosphärenplasmas sowie der Sonnenstrahlung und des Meteoritenstroms direkt ausgesetzt ist, verändert und modifiziert die Wechselwirkung dieser exogenen Quellen die Oberflächenumgebung. Verschiedene Oberflächenwechselwirkungsprozesse, wie z. B. thermische Freisetzung, photonenstimulierte Desorption, elektronenstimulierte Desorption, Oberflächenpartikelzerstäubung und Mikrometeoriteneinschlagverdampfung verändern die chemischen und optischen Oberflächeneigenschaften dieser Himmelskörper und erzeugen kollisionsfreie Gashüllen, sogenannte Exosphären, die aus freigesetzten Elementen der Oberfläche bestehen.

Die Exosphären von Planeten werden üblicherweise mithilfe von Transitspektroskopie, Teilchendetektoren, Flugmassenspektrometern und der Analyse sogenannter Ionen-Zyklotron-Wellen (ICWs) mit Magnetometern und Plasmainstrumenten untersucht. Die ICWs entstehen durch die Aufnahme von Ionen aus neutralen Atomen der Exosphäre über große Entfernungen stromaufwärts von Planetenkörpern. Dort erzeugen die neu gebildeten Ionen eine instabile Sekundärionenpopulation im Sonnenwindplasma, deren Wechselwirkung Plasmawellen hervorruft. Die gemessene Wellenleistung ermöglicht die Bestimmung der entsprechenden Dichten der aufgenommenen Ionen und der zugehörigen neutralen Teilchen, wie in der obigen Abbildung für Helium-Dichten dargestellt.

Wir untersuchen die Entstehung und Charakterisierung ionisierter und neutraler Exosphären mithilfe von Monte-Carlo-Modellen zur Untersuchung von Diffusionseffekten bei der Wechselwirkung des Sonnenwinds mit der Oberfläche sowie von Exosphären-/Plasmaphysikmodellen in Zusammenarbeit mit der IWF-Forschungsgruppe Weltraumplasmaphysik.

Diese Forschung wird mithilfe der ESA-Mission BepiColombo und ihren Instrumenten PICAM (Planetary Ion Camera) und SERENA (Search for Exospheric Refilling & Emitted Natural Abundances) durchgeführt.

Im Rahmen des gemeinsamen tschechisch-österreichischen FWF-WEAVE-Forschungsprojekts VeReDo (Redox Disequilibrium in the Clouds of Venus – A Sign of Life?) untersuchen wir den Wasserverlust aus der oberen Venusatmosphäre. Der innere Nachbarplanet der Erde wurde bereits von zahlreichen Raumsonden erforscht. Sein Wasservorrat und dessen Bedeutung für die planetare Entwicklung sind jedoch weiterhin unklar. Um die Entwicklung des Wasservorrats der Venus zu verstehen, ist es notwendig, das Deuterium-Wasserstoff-Verhältnis (D/H) der austretenden Teilchen in der Venus-Exosphäre zu kennen. Im Rahmen dieses Projekts analysieren wir die Magnetfelddaten der Venus Express erneut, um Ionen-Zyklotron-Wellen (ICWs) zu untersuchen, die durch die Aufnahme von Ionen exosphärischer Wasserstoffisotope erzeugt werden.

Wir entdeckten ICWs, die durch exosphärische H⁺- und D⁺-Ionen erzeugt werden (Weichbold et al. 2025). Die Reproduktion der Profile der neutralen Wasserstoff- und Deuterium-Konzentrationen in der Exosphäre führt zu D/H-Verhältnissen, die mit aktuellen Beobachtungen der Sonnen-Okkultation durch das SOIR-Instrument an Bord von Venus Express übereinstimmen (Mahieux et al. 2024). Diese Beobachtungen ergaben einen unerwarteten Anstieg des Deuterium-Wasserstoff-Verhältnisses oberhalb der Venuswolkendecke von 0,025 in etwa 70 km Höhe auf über 0,25 in 108 km Höhe. Die aus den Daten abgeleiteten, eingeschränkten Austrittsraten stellen die Existenz eines späten Ozeans auf der Venus in Frage.

Eine weitere Studie befasst sich mit der Entdeckung kompakter Staubwolken in der Mondexosphäre (Khodachenko et al. 2025), die für eine hohe Unfallrate von Raumsonden beim Anflug auf und/oder der Landung auf der Mondoberfläche sein kann. Die Ausfallrate der robotischen Mond-Lander und Rover lag in den 1960er- und 70er-Jahren bei etwa 53 %. Von 19 Mondlande- und Rover-Missionen in den letzten fünf Jahren (2019–2024) gingen 11 (57 %) verloren. Solche Vorfälle weisen auf einen bisher unberücksichtigten technologischen Risikofaktor hin. Wir führten eine statistische Analyse der räumlichen und zeitlichen Merkmale von langanhaltenden anomalen Sternbedeckungen durch und entdeckten dabei der Sicht verdeckende Staubwolken, die einer etwa 1 km großen Einschlagwolke ähneln, wobei die Wahrscheinlichkeit anomaler Bedeckungen ihren Höhepunkt während des Perseiden-Meteorstroms hinweist. Schließlich zeigen grobe Schätzungen der Staubkonzentrationen in den entdeckten kompakten, bodennahen Wolken und deren Bremswirkung auf Raumfahrzeuge, dass bereits ein einziger Vorbeiflug an solchen Staubformationen zu einem kritischen Höhenverlust oder technischen Fehlfunktionen von bodennahen Raumfahrzeugen führen kann.