Liquid water and organics in Comets: implications for exobiology J.T. Wickramasinghe, N.C. Wickramansinghe, M.K. Wallis (2009) Vortrag im Rahmen der Forschungsplattform.

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1 Liquid water and organics in Comets: implications for exobiology J.T. Wickramasinghe, N.C. Wickramansinghe, M.K. Wallis (2009) Vortrag im Rahmen der Forschungsplattform Exolife Susanne Pollack-Drs SS 2010

2 Aufbau von Kometen -) kleinen Himmelskörper unseren Sonnensystems -) stark elliptische Bahnen um die Sonne -) Kern: relativ dicht und stabil, wenige km groß besteht aus Wassereis, Staub, Gesteinsmaterial (  schmutziger Schneeball) -) Koma: =Gashülle Kern in Sonnennähe – Erwärmung der Oberfläche – Sublimation von Wassereis – Abgabe an die Umgebung – Mitreißen von Staubteilchen – Koma aus Gas und Staub, umhüllt Kern

3 Aufbau von Kometen Durchmesser von 50 000 bis 150 000 km Bestehend aus C, H, O, N Gasdichte: 10 000 bis 1000000/cm 3 Ionenschweif: Dissoziation und Ionisation des Gases  Plasma Sonnenwind transportiert die Ionen weg vom Kern – bläulicher Schweif; zeigt vom Kometen weg Staubschweif: feste Teilchen aus dem Kern, bis zu 10 000 000 km lang, zeigt von der Sonne weg, leicht gekrümmt; Streuung des Sonnenlichts bewirkt eine gelbliche bis weiße Färbung

4 Aufbau eines Kometen -) bei jedem Umlauf um die Sonne  Massenverlust -) nach 1000 Umläufen – Verlust des größten Teil des Materials -) Rest: ein nicht mehr aktives Objekt ähnlich einem Asteroiden -) Zerbrechen mancher Kometen, Auflösung in kleine Bestandteile -) durch Kollision mit anderen Planeten,… Verlassen des Sonnensystems -) Erkenntnisse durch die Raumsonde „Giotto“ (Aufnahmen aus 1675 km vom Kern des Halleyschen Kometen)

5 Warum ist die Untersuchung von Kometen von Interesse für Astronomen? -) Entstehung des Sonnensystems vor 4,6 Mrd. Jahren aus rotierender Scheibe aus Gas und Staub -) leicht flüchtigen chemischen Elemente sind verdampft, nur noch schwere Elemente übrig  erdähnliche Planeten -) weiter draußen  niedrige Temperaturen  Wasser kondensiert in der Scheibe  jupiterähnliche Planeten mit viel H und He. -) hier bildeten sich auch die Kometen  durch Riesenplaneten an den Rand des Sonnensystems bzw. aus diesem heraus geschleudert -) die nicht „verloren gegangenen“ Objekte bilden die Oortsche Wolke – Reservoir für Kometen -) von hier Kometen wieder ins Innere des Sonnensystems zurück – langperiodische Kometen mit Umlaufbahnen von Millionen von Jahren -) ihre Umlaufzeit kann verkürzt und ihre Bahn verändert werden durch die Schwerkraft der großen Planeten

6 Warum ist die Untersuchung von Kometen von Interesse für Astronomen? -) Kometen der Jupiter-Familie bilden eine wichtige Untergruppe: Starke Veränderung ihrer Bahnen, sodass ihr sonnenfernster Punkt (Aphel) etwa bei der Jupiter Bahn und ihre Bahnebene nahe bei der Ekliptik liegt.  Tempel 1 -) die meiste Zeit verbringen die Kometen in den Außenbereichen des Sonnensystems – niedrige Temperaturen, sehr langsamer Ablauf der chemischen Reaktionen und physikalischen Prozesse  „tiefgefrorene“ Kometenkerne, nahezu unveränderter Urzustand wie zur Entstehungszeit im Sonnennebel  Wichtige Informationen über die Entstehungsbedingungen des Sonnensystems

7 Warum ist die Untersuchung von Kometen von Interesse für Astronomen?  Kometen als Geburtshelfer irdischen Lebens Lebensentstehung direkt auf der Erde – Leben aus dem All durch Kometen Simulationen eines Hochgeschwindigkeitseinschlages ergaben, dass organische Moleküle unbeschädigt auf die Erde gelangen können - metallische Oberfläche mit einem Geschoss, dessen Oberfläche einen Wassertropfen mit Aminosäuren enthielt, beschossen  Protein- Vorstufen - Abhängigkeit vom Einfallswinkel – sehr flach (< 25°) – große Wahrscheinlichkeit, dass Wassertropfen heil ankommt  3 wichtige Zutaten für die Entstehung des Lebens: flüssiges Wasser – organisches Material - Energie

8 Flüssiges Wasser -) obwohl H 2 O einen großen Bestandteil der Zusammensetzung eines Kometen ausmacht – wurde es für lange Zeit als unwahrscheinlich erachtet, dass es flüssiges Wasser existiert -) Whipple´s icy conglomerate model – elementare Gase durch Sublimation aus gefrorenem Material; Eis ist durchmischt mit sehr widerstandsfähigen Materialen  ließ keine Diskussion über flüssiges Wasser zu -) 1. Diskussion über flüssiges Wasser: Hoyle und Wickramansinghe (1979): innereSchmelzvorgänge aufgrund akkretierter chemisch-reaktiver Bestandteile aus interstellarem Staub Dichte ist um das 10 fache größer als die latente Wärme des Schmelzens -) Whipple und Stefanik (1966): strahlungsbedingte Wärmequellen – allerdings waren die langlebigen Radionuklide zu schwach

9 Flüssiges Wasser -) Wallis (1980): Nachweis von Al 26 in Meteoriten führte zu Berechnungen, basierend auf der Vorstellung, dass sich unser Sonnensystem aufgrund von Schockwellen einer nahe gelegenen Supernova anfing zu formen – Einbringung radioaktiven Materials – rasche Bildung von Kometen – genügend Energie um Schmelzprozesse im Inneren der Kometen hervorzurufen  Ozeane unter der Oberflächenkruste  flüssiges Wasser könnte mehr als 1 Million Jahre erhalten geblieben sein, bevor die Ozeane wieder zum Zufrieren begonnen haben

10 Voraussetzungen für flüssiges Wasser in Kometenkernen -) Umgebungstemperatur und Druck müssen die Werte des Tripelpunktes überschreiten: T=273 K, p=6 mb -) Werte sind abhängig von der Zusammensetzung des Wassers (gelöste Salze,…) -) Formel für den zentralen Druck: p= Annahme:  = 0.3 -0.5 g cm -3, p > 6 mb; ergab: r > 8-20 km  minimaler Radius eines Kometenkörpers, bei dem die Schwerkraft einen flüssigen Wasserkern erhält Krusten und Eisschichten können enorme Kräfte mobilisieren, allerdings wenn sie brechen, kann der Gasdruck gegen die Schwerkraft wirken

11 Voraussetzungen für flüssiges Wasser in Kometenkernen -) Phasenübergänge von Eis zu flüssigem Wasser  dramatische biologische Konsequenzen innerhalb eines Kometen -) anaerobe oder chemotrophe Mikroorganismen, die sich in einem Überdauerungsstadium befinden (zB. Sporen) können anfangen Stoffwechsel zu betreiben, Reproduktion,…  Kometen als ideale Umwelt für frühe Bakterienformen -) exotherme Reaktionen aufgrund des Stoffwechsels können ein weiteres Schmelzen des Eises bewirken, Freisetzung von Gasen  Auswirkung auf die Kruste

12 Beweise für flüssiges Wasser in Kometenkernen -) anhand interplanetarer Staubpartikel und kohlenstoffhältigen Meteoriten aus Kometen -) geochemische Analysen an kohlenstoffhältigen Chondriten wiesen auf einen wässrigen Ursprung im „Muttergestein“ hin -) interplanetare Staubteilchen (von Kometen) aus der Atmosphäre enthielten hydratisierte Stadien – Hinweis auf wässrigen Ursprung  Komponenten bestanden aus Lehm, Serpentin, Karbonaten  mineralogisch ähnliche Zusammensetzung wie Chondrite

13 Primordial Melting -) Entstehung des Sonnennebels aufgrund einer Supernovaexplosion  Beweis beruht auf nicht mehr vorhandenen radioaktiven Isotopen mit sehr kurzen Halbwertszeiten: Al 26, Fe 60, Be 10 durch kosmische Strahlung -) genügend Energie freigesetzt um Kometenkerne aufzuschmelzen zB: Al 26 – Halbwertszeit 0,74 Millionen Jahre Energie bei radioaktivem Zerfall zu Mg 26 ist 1.48x10 13 J kg -1 Die gewonnene Energie aus Al 26 und Fe 60 gemeinsam beträgt: 3x10 7 J kg -1. Dieser Betrag ist um 2 Größenordnungen höher als die Fusionswärme von Wassereis (3,34x10 5 J kg -1 )

14 Primordial Melting -) die Möglichkeit der Existenz von flüssigen Wasserkernen ist damit eigentlich gefestigt -) um die Dauer der flüssigen Phase abzuschätzen, bedarf es aber noch einiger Berechnungen  berücksichtigt werden müssen: therm. Leitfähigkeit von Regolith, die Zeitspanne zwischen dem Einbringen der radioaktiven Substanzen in den Sonnennebel und der Bildung von Kometen -) Modelle für die thermische Entwicklung von Kometen durch radioaktive Substanzen (Wallis 1980) limitierender Faktor: Zeitspanne für die Akkretion der kurzlebigen radioaktiven Substanzen aus dem Sonnennebel  Dauer > mehrere Millionen Jahre – kein Vorhandensein der radioakiven Substanzen mehr Trotz einiger Unsicherheiten ist man sich sicher, dass die Bildung eisiger Körper innerhalb des Sonnensystems auf Zeitskalen < einiger Millionen Jahre erfolgte

15 Primordial Melting -) für Kometen weiter außerhalb im Sonnensystem, die über lange Zeiträume kondensieren, erscheint die radioaktive Erwärmung schwächer, stammend von Th 232, U 238, K 40. -) Wallis (1980) konstruierte ein Wärmeleitfähigkeitsmodel für Al 26. Er fand heraus, dass ein Komet mit einem Radius ~3-6 km mit einem entsprechenden Anteil an Al 26 schmelzen würde. Diese flüssige Phase würde für eine Zeitspanne von einer Millionjahre aufrecht bleiben.

16 Primordial Melting -) Model für die thermische Entwicklung: (heat transfer equation): T..Durchschnittstemperatur, C p spezifische Wärme, H radioaktive Wärmeinput pro Masseneinheit, K therm. Leitfähigkeit, X 0 ist Massenanteil an Al 26, R Kometenradius, t 0 (1 Mill. Jahre) Zeit zw. dem Einbringen von Al 26 und der Kometenentstehung, t ist die Zeit nach der Bildung des Kometen

17 Primordial Melting Abbildung zeigt die berechneten Temperaturen anhand numerischer Lösung der Gleichung für T 0 =100 K, R>10 km  273 K für T 0 =60 K, R>15 km  273 K t<0,5 Myr Temperaturen > 273 K sind unrealistisch, denn weitere freigesetzte Wärme durch radioaktiven Zerfall wird absorbiert durch das schmelzende Eis und führt nicht zu einer weiteren Erwärmung

18 Primordial Melting Abbildung zeigt die Volumsanteile des geschmolzenen Materials für R=12 km und 15 km. Es zeigte sich, dass bei kleineren Kometen, auch wenn sir flüssige Kerne aufgrund von Radioaktivität besitzen, weniger Volumsanteile besitzen und weniger lang existieren als bei größeren Kometen.  Primordiales Wasser ist auch möglich für Kometen mit 12 km.

19 Primordial Melting Die Bedeutung für die Wärmeerzeugung durch radioaktive Isotope für die Exobiologie liegt in der Zusammensetzung von Wasser, Mineralen, organischen Stoffen in flüssigen/gasförmigen Kometenkernen, die eine ideale Umwelt bieten für anerobe Mikroorganismen über Millionen von Jahren. Nährstoffe gibt es durch Kondensate aus den interstellaren und mineralischen Körnern Grundlagen für eine chemoautotrophe Ökologie

20 Komet Halley -) 1986 wurde Komet Halley von 5 Raumsonden untersucht -) benannt nach Edmund Halley (1656 – 1743), er kartierte als erster den südlichen Sternenhimmel -) auf Grundlage der Gravitaionsgesetze berechnete er die Bahnen von 24 bis dahin bekannten Kometen -) er ging einer Theorie von Jean- Dominique Cassini (1625-1721) nach: Vermutung, dass es sich bei historischen Kometenbeobachtungen immer um ein und denselben Kometen handelte

21 Komet Halley -) Vergleich der Bahnelemente der Kometen von 1531, 1607, 1682 erbrachte große Ähnlichkeiten  aus dem Muster der Erscheinungsdaten errechnete Halley eine periodische Wiederkehr -) Vorraussage für 1758  erschien am 25.12.1758 -) 1910 löste die Erscheinung von Halley eine weltweite Massenpanik aus Astronom William Huggins hatte festgestellt, dass sich im Licht von Kometenschweifen die Spektrallinien für Kohlenstoffverbindungen nachweisen ließen, auch Spuren von Cyan Cyan + Kalium  Giftgas Zyankali

22 Komet Halley -) Furcht vor Giftgas-Tod -) die Messgeräte zeigten beim Vorbeiflug des Kometen nicht die geringste Spur von Cyanid, da die Gasdichte in Kometenschweifen viel zu gering ist -) Neigung 18° zur Ekliptik -) regelmäßige Umlaufbahn -) gegenläufig zur Laufrichtung der Planeten -) größten bekannten Kometenkern (16x8x8 km) -) VEGA 1 und 2 lieferten Bilder aus einer Entfernung von 8000 km erste Bilder von Koma, Schweifen, Struktur des Kometenkerns

23 -) aktiven Gebiete waren zu sehen -) die von der Oberfläche ausgehenden Jets aus Gas und Staub -) Rotation von 2,2 Tagen um die eigene Achse -) spektakulärsten Ergebnisse erbrachte die Raumsonde GIOTTO 14.3.1986, 600 km Nähe -) hochwertige Bilder mit einer Auflösung bis zu 100 m -) die Oberfläche erwies sich als sehr dunkel, Albedo: 3% -) Massenspektroskopie erbrachte eine Staubkomponente aus leichten Elementen Komet Halley

24 -) es zeigten sich auch chondritische Bestandteile -) IR Messungen ergaben eine Temperatur T~320-400 K in 0.8 AU höher als die Sublimationstemperatur von Wassereis im Weltraum (200 K)

25 Komet 19/P Borrelly -) Entdeckung: 28.12.1904 durch Alphonse Louis Nicolas Borrelly im Sternbild Walfisch -) kurzperiodisch, Wiederkehr 1911 -) elliptische Umlaufbahn um die Sonne, Perihel innerhalb der Bahn des Mars Aphel außerhalb der Jupiter Bahn -) aus der Jupiter Familie -) am 22.9.2001 Vorbeiflug der Raumsonde Deep Space 1 in 2200 km Abstand an dem Kometen -) längliches Gebilde mit einer Größe von 8x4x4 km -) Dichte 0,49 g/cm 3

26 Komet 19/P Borrelly -) Oberfläche ist die Dunkelste im Sonnensystem: Albedo 0,03 -) sehr dunkle Flecken mit einer Albedo <0,008; dunkler als Kohle  dafür kaum Minerale bekannt -) Oberflächentemperaturen 300-340 K -) keine Spuren von Wasser -) die Oberflächentemperaturen passen zur Erwärmung durch die Sonne mit geringer therm Leitfähigkeit

27 Comet 81/P Wild 2 -) entdeckt am 6.12.1978 von Paul Wild -) kurzperiodischer Komet -) hatte früher eine stärkere exzentrische Umlaufbahn, im Jahre 1974 durch die Gravitaionskräfte Jupiters Veränderung der Bahn -) durch die Bahnstörung wurde er ins innere Sonnensystem umgelenkt -) Umlaufzeit von 40 auf 6 Jahre verkürzt -) am 2. Jänner 2004 von der Raumsonde Stardust untersucht -) Partikelproben aus der Koma  Material von einem Kometen, das sich seit der Entstehung des Sonnensystems kaum verändert haben dürfte

28 Comet 81/P Wild 2 -) Kometenkern hat 5 km Durchmesser -) Albedo 0,04 -) rauhe Oberfläche, mit flachen Mulden überzogen, steile und schroffe Ränder -) kleine und große Strukturen (bis 2 km) – möglicherweise Einschlagskrater oder durch ausströmende Gasjets gebildet -) sehr niedrige Albedo

29 Melting under solar heating -) Beobachtung von Kometen im Hinblick auf ihre isolierende Kruste gegen subsonnen Temperaturen -) Schichtaufbau betrachtet ~ 1m dicke Schicht: Material das entgast in Sonnennähe ~darüber Kruste, die brechen kann, entweichen von Wasserdampf, volatile Elemente -) unterhalb einer gewissen Schichte wird die Möglichkeit der Existenz flüssigen Wassers aufgrund Sonneneinstrahlung in Erwägung gezogen -) flüssiges Wasser kann unter 0,2 m existieren (Halley)

30 Melting under solar heating -) das Vorhandensein von flüssigem Wasser erfordert Temperaturen in gewissen Tiefen über einer gewissen Schmelztemperatur (T=273 K, 250 K für organische Wassereisgemische) -) in Periheldistanzen von 1 AU ist es in einer Tiefe von 0,3-0,5 m möglich, dass flüssiges Wasser für Tage bzw. Wochen existiert

31 Tempel 1 – Deep Impact -) Tempel 1 wurde im Jahre 1867 von Ernst Wilhelm Leberecht Tempel entdeckt -) damalige Umlaufperiode betrug: 5,68 Jahre -) Bahnberechnungen ergaben, dass ein naher Vorbeiflug an Jupiter im Jahre 1881 seine Umlaufzeit auf 6,5 Jahre vergrößerte, Perihel auf 2,07 AU angehoben wurde -) durch Vorbeigänge an Jupiter 1941 und 1953 senkten das Perihel ab und verkürzten die Umlaufperiode wieder -) 1967 wurde er wieder entdeckt -) heutige Umlaufzeit: 5,5 Jaher; Perihel: 1,5 AU

32 Tempel 1 – Deep Impact -) Raumsonde Deep Impact wurde am 12.1.2005 gestartet und auf eine Bahn gebracht, die sie nach nur 6 Monaten Flugzeit auf Kollisionskurs mit dem Kometen gebracht hat -) ein „Mutterschiff“ mit 2 Kameras, Infrarotspektrometer, 372 kg schweren ebenfalls mit einer Kamera ausgerüsteten Projektil, das auf den Kometen abgefeuert wurde -) Wahl der Bahn, ermöglichte dass der Einschlag nur 1 Tag vor dem Durchgang des Kometen durch das Perihel erfolgte, um so eine möglichst hohe Einschlagsenergie zu erreichen

33 Tempel 1 – Deep Impact -) Einschlag musste von Erde beobachtbar sein! -) möglichst umfassende Informationen über die Oberflächennahen Schichten des Kometenkerns

34 Tempel 1 – Deep Impact

35 -) am 3.Juli.2005 wurde das Geschoss losgeschickt vom Mutterschiff und 24 Stunden später schlug es auf dem Kometen ein, unter einem Winkel von 20°-30°, mit einer Geschwindigkeit 10,3 kms -1. -) die während des Einschlags aufgenommenen Bilder zeigten einen unregelmäßig geformten Himmelskörper, Radius ~3km -) Rotationsperiode 41,85 h; Masse: 4x10 13 kg Dichte für den Kern: 350 kg m -3. (geringer als die Dichte von Wasser, Kerne sehr porös)

36 Tempel 1 – Deep Impact -) Berechnungen zufolge, hat der Einschlagskrater einen Durchmesser von 100 m -) direkte Beobachtung des Kraters nicht möglich, da die Wolke an Auswurfmaterial die Sicht versperrte -) aus dem Helligkeitsanstieg der Koma konnte die freigesetzte Staubmasse grob abgeschätzt werden -) freigesetzte Gas – überwiegend aus Wassermolekülen – durch UV-Strahlung zerlegt in die Radikale OH und H -) freigesetzte Menge an Wasser: mit 5 bis 9x1000 Tonnen Wassereis deutlich geringer als die geschätzte Gesamtmasse an freigesetztem Staub

37 Tempel 1 – Deep Impact -) Tempel 1 erinnert an einen eisigen Staubball -) freigesetzte Wasser sublimierte bereits wenige Stunden nach dem Einschlag -) freigesetzte Staubfontäne wurde noch Tage nach dem Einschlag beobachtet -) Interessante Frage nach der Kometenzusammensetzung: Großen Anteil an den Mineralen: magnesium-reicher Olivin(Forsterit), Pyroxen, eisenreicher Olivin (Fayalit), wasserhaltige Minerale (Schichtsilikate und Karbonate) – erwartet man nicht in Kometen  Vorhandensein deutet daraufhin, dass flüssiges Wasser sich in ausreichender Menge bilden konnte durch wesentliche Erwärmung in seiner Geschichte -) der Nachweis und die Charakterisierung von Wasser im Kern von Tempel 1 war sehr bedeutend

38 Tempel 1 – Deep Impact -) Wasser im Kern konnte bis dahin noch nicht beobachtet werden (nur in der Koma) Deep Impact gelang der Nachweis von Wassereis an der Oberfläche -) es wurde auch sofort nach dem Einschlag in der Auswurfwolke gemessen, was bedeutet, dass sich das Eis direkt unter der Oberfläche befunden haben muss Temperaturkarte der oberen Hälfte von Tempel 1 gelb: Regionen in denen Wassereis an der Oberfläche nachgewiesen wurde (T=285 bis 295)

39 Tempel 1 – Deep Impact -) die Temperaturen waren selbst in den Bereichen wo Wassereis nachgewiesen wurde noch recht hoch – Wassereis müsste bei diesen Temperaturen sofort sublimieren (T=200K) -) Wassereis muss stark mit steinigem Material gemischt sein, dh. eigentlich wurde die Temperatur des Gesteins gemessen -) schichtartiger Aufbau des Kerns -) 2 parallele Linien auf der Oberfläche: Ursprung in der Entstehung des Kerns, oder Erosionsprozesse???? -) kreisförmige Strukturen-ähnlich den Mondkratern – Einschlagskrater? -) 2 sehr flache Gebiete, geringe Höhenunterschiede <10m, hier könnte Wasser geschmolzen und wieder gefroren sein -) im Jahr 2011 wird Tempel 1 von der Stardust Sonde besucht werden: Vollständige Kartierung des Kometen, Landegerät auf der Kernoberfläche – Untersuchung von Bodenproben

40 Tempel 1 – Deep Impact -) Spektralanalysen: vor dem Einschlag viel H 2 O und CO 2 ; nach dem Einschlag erhöhte Emissionen in CH  zeigt, dass die organischen volatilen Elemente in normalem Kometengas nicht vorhanden sind, sondern durch die Kruste gefiltert und gut verschlossen werden. Unter entsprechender Erwärmung können sie schmelzen.

41 Tempel 1 – Deep Impact Untersuchung des organischen Materials; Asphalt miteinbezogen als Analogie für einen organischen Festkörper auf einem primitiven Körper des Sonnensystems Fig. 8 zeigt ein 2:1 Verhältnis von biolog. Material zu Asphalt; Absorptionskurven erzeugt Gemische von Olivin und Biomaterial

42 Tempel 1 – Deep Impact -) Mischungen von Lehm und biologischem Material (erhitzt auf 350 K);

43 Tempel 1 – Deep Impact Zusammenfassend wurde bestätigt: -) lehmhältige Minerale, komplexe organische Strukturen, PAH sind nach dem Einschlag vorhanden -) kohlenstoffhältige Chondrite können nicht mehr geleugnet werden -) Einschlagsgebiet enthält neuerlich gefrorene Kruste und nicht nur ursprüngliche aus der Entstehungszeit *) radioaktive Isotope – überdauernde Mikroorganismen, die bei jeder periodischen Wiederkehr des Kometen biolog. aktiv werden (Antarktis) *) Pools knapp unter der Kruste; diese dicht genug um sie aufrecht zu erhalten, solbald ein Loch in die Kruste kommt  Entgasung *) Bakterien brauchen nicht unbedingt flüssiges Wasser für ihren Metabolismus und ihre Reproduktion: Bakterien im Permafrost in Sibirien haben eine Verdopllungszeit von 20 Tagen bei -10°C; 160 Tage bei -20°C

44 Literatur *) Liquid water and organics in Comets: an implication for exobiology J.T Wickramasinghe, N.C. Wickramasinghe, M.K. Wallis (2009); International Journal of Astrobiology 8: 281-290 *) Deep Impact – Einschlag auf einem Kometen: Harald Krüger (2008)