Wissenschaftler erzeugen seltsames superionisches Eis, das die Inneren von Neptun und Uranus erklären könnte

Tief im Inneren von Neptun und Uranus ist Wasser nichts wie die Substanz, die eine Eiswürfelform füllt. Unter den gewaltigen Drücken und Temperaturen im Inneren dieser Planeten geht es in einen bizarren Zustand über, der als superionisches Eis bekannt ist – eine Phase, in der Sauerstoffatome in einem starren festen Gitter fixiert sind, während Wasserstoffkerne wie eine Flüssigkeit durch dieses Gitter driften. Da diese beweglichen Wasserstoffkerne Ladung tragen können, leitet das Material Elektrizität – eine Eigenschaft, die mit den seltsamen Magnetfeldern zusammenhängen könnte, die beide Eisriesen umgeben.

Forscher wissen seit Langem, dass dieses heiße, leitfähige Eis existieren sollte. Was sie nicht wussten, war, welche Kristallstrukturen es unter planetaren Bedingungen genau annimmt. Da keine Sonde eine Probe aus Neptun graben und zur Erde zurückbringen kann, tat ein Team unter der Leitung von Alexis Forestier am CEA, der französischen Kommission für alternative Energien und Atomenergie, das Nächstbeste: Es baute diese extremen Bedingungen in einem Labor nach und beobachtete, was das Eis tat.

Das Innere eines Eisriesen im Miniaturformat nachbilden

Der experimentelle Ansatz des Teams stützte sich auf ein Gerät namens Diamantstempelzelle, das eine mikroskopische Probe zwischen zwei ultraharten Diamantspitzen einschließt und diese dann zusammendrückt. Dieser Aufbau ermöglicht es Forschern, Drücke zu erzeugen, die nirgends auf der Erdoberfläche natürlicherweise existieren. In diesem Fall brachten die Wissenschaftler ihre Eisproben auf bis zu 230 Gigapascal – mehr als zwei Millionen Mal der Druck der Erdatmosphäre auf Meereshöhe.

Druck allein war nur die Hälfte des Rezepts. Um die sengende Hitze eines Planeteninneren nachzuahmen, feuerten die Forscher Laser auf das eingeschlossene Eis und erhöhten seine Temperatur auf über 1.800 Kelvin. Bei dieser Kombination aus zermalmender Kraft und extremer Hitze trat die Probe in den superionischen Bereich ein.

Um festzustellen, was im Inneren der winzigen Zelle geschah, wandte sich das Team der Röntgenbeugung an der European Synchrotron Radiation Facility zu. Diese Technik zeigt, wie sich Atome anordnen, indem sie misst, wie Röntgenstrahlen von der Probe gestreut werden, und gibt Wissenschaftlern damit effektiv ein Bild des Kristallgitters, ohne es jemals zu berühren. Die Ergebnisse, veröffentlicht in der begutachteten Fachzeitschrift Physical Review Letters, zeigten etwas, das die Forscher zuvor nicht genau bestimmt hatten.

Ein Material mit gespaltener Persönlichkeit

Superionisches Eis ist bemerkenswert, weil es sich wie zwei Materiezustände gleichzeitig verhält. Seine Sauerstoffatome besetzen feste Positionen und bilden ein kristallines Skelett, das an Ort und Stelle bleibt. Währenddessen werden die Wasserstoffkerne – die Protonen, die normalerweise in Wassermoleküle gebunden wären – beweglich und wandern durch das Sauerstoffgerüst, ähnlich wie Ionen durch einen flüssigen Elektrolyten wandern.

Diese Arbeitsteilung macht die Phase so ungewöhnlich. Das feste Sauerstoffgitter verleiht dem Material eine bestimmte Struktur und Form, während der fließende Wasserstoff elektrische Leitfähigkeit liefert. In einem Planeteninneren könnte sich eine Schicht aus solchem Material ganz anders verhalten als gewöhnliches Wasser-Eis und verändern, wie Wärme sich bewegt, wie Material sich im Laufe der Zeit verformt und wie elektrische Ströme zirkulieren.

Bisher fehlte Wissenschaftlern jedoch eine klare Antwort auf die Geometrie dieses Sauerstoffskeletts. Unterschiedliche Kristallanordnungen – kubisch, hexagonal und andere – implizieren unterschiedliche physikalische Eigenschaften, sodass die Identifizierung der richtigen für jedes Modell dessen, was im Inneren eines Eisriesen geschieht, von Bedeutung ist.

Hexagonale Packung übernimmt bei extremem Druck

Die Synchrotron-Messungen lieferten eine definitive Antwort für die getesteten Bedingungen. Oberhalb von etwa 200 Gigapascal und 1.800 Kelvin ordneten sich die Sauerstoffatome in einer hexagonal dichtesten Packung an, abgekürzt hcp. In diesem Druck-Temperatur-Fenster wurde diese hexagonale Form zur dominierenden Phase des superionischen Eises und verdrängte die kubisch flächenzentrierte, oder fcc, Struktur, von der man erwartet hatte, dass sie vorherrschen würde.

Die Autoren waren explizit über die Bedeutung des Befunds und schrieben, sie berichteten "die eindeutige Beobachtung einer neuartigen H2O-Eisphase, die ein hcp-Sauerstoffuntergitter annimmt". Mit anderen Worten, dies ist keine subtile Verfeinerung eines bestehenden Bildes, sondern die Identifizierung einer eigenständigen Anordnung der Sauerstoffatome des Wassers unter Bedingungen, die für reale Planeten relevant sind.

Die Entdeckung ging aus zwei separaten experimentellen Durchläufen hervor, und das Team übertrug ihre Messungen auf ein Druck-Temperatur-Diagramm, das genau zeigt, wo jede Phase auftritt. Eine solche Grenzkarte ermöglicht es anderen Forschern vorherzusagen, welche Version des Eises in einer bestimmten Tiefe innerhalb eines Planeten stabil sein sollte.

Warum die Kristallstruktur für Magnetfelder von Bedeutung sein könnte

Der praktische Nutzen dieser Arbeit liegt in der Planetenwissenschaft. Neptun und Uranus werden beide als Eisriesen klassifiziert, und beide besitzen Magnetfelder, die weit komplexer sind als das der Erde. Ihre Felder sind nicht sauber an den Rotationsachsen der Planeten ausgerichtet, und die magnetische Umgebung um sie herum ist chaotisch im Vergleich zum ordentlichen Dipol, der unseren eigenen Planeten abschirmt.

Eine führende Erklärung betrifft die tiefen Innenschichten, in denen superionisches Eis vermutet wird. Da das Material Elektrizität leitet, könnten bewegte Ströme in ihm Magnetfelder erzeugen. Die genaue Kristallstruktur des Eises beeinflusst, wie leicht Strom fließt und in welche Richtungen, sodass die Feststellung, ob das Sauerstoffgitter hexagonal oder kubisch ist, die Eingaben für diese Modelle verändert.

Indem das vom CEA geleitete Team feststellte, dass hcp-Eis oberhalb von 200 Gigapascal und 1.800 Kelvin dominiert, hat es Theoretikern eine festere Grundlage für die Simulation der Inneren dieser fernen Welten gegeben – und für die Erklärung, warum ihre Magnetfelder sich so verhalten, wie sie es tun.

Offene Fragen

Das Experiment erfasst einen bestimmten Ausschnitt des Druck- und Temperaturraums, der über kurze Laborzeitskalen in Proben erzeugt wurde, die weit kleiner als ein Planet sind. Die Überbrückung dieser Lücke zu vollständigen Planeteninneren erfordert Modellierung, und das Druck-Temperatur-Diagramm des Teams ist am besten als Leitfaden für diese Modellierung zu verstehen, nicht als vollständige Beschreibung von Neptun oder Uranus.

Dennoch schärft das Ergebnis ein Bild, das zuvor unscharf war. Wissenschaftler haben nun direkte Belege dafür, welche Kristallstruktur superionisches Wasser unter Eisriesen-Bedingungen bevorzugt, und sie haben ein klares Ziel für die nächste Runde von Experimenten und Simulationen.

Wichtigste Erkenntnisse

• Ein Team unter der Leitung von Alexis Forestier am CEA in Frankreich hat die Bedingungen im Inneren eines Eisriesen im Labor mit einer Diamantstempelzelle nachgebildet.
• Das Eis wurde über 1.800 Kelvin erhitzt und Drücken von bis zu 230 Gigapascal ausgesetzt, mehr als zwei Millionen Mal dem Erdatmosphärendruck.
• Röntgenbeugung an der European Synchrotron Radiation Facility zeigte, dass Sauerstoffatome ein hexagonal dichtest gepacktes Gitter bilden.
• Oberhalb von etwa 200 Gigapascal und 1.800 Kelvin wurde diese hexagonale Phase dominant und ersetzte die kubisch flächenzentrierte Phase.
• Die in Physical Review Letters veröffentlichten Ergebnisse könnten helfen, die ungewöhnlichen Magnetfelder und tiefen Innenschichten von Neptun und Uranus zu erklären.

Dieser Artikel basiert auf einer Berichterstattung von Phys.org. Lesen Sie den Originalartikel.