Zusammenfassung:
Eis bedeutet normalerweise niedrige Temperatur, aber Wissenschaftler haben jetzt bestätigt, dass Wasser in Umgebungen mit extrem hohem Druck eine besondere Art von „Eis“ bilden kann, das auch bei Temperaturen über 2000 °C noch existiert. Einem französischen Forschungsteam ist es kürzlich im Labor gelungen, eine neue Art von Eis herzustellen, deren Existenz zuvor theoretisch vorhergesagt wurde – hexagonal dicht gepacktes superionisches Eis. Dieses Material ist weder völlig fest wie gewöhnliches Eis, noch kann es frei fließen wie eine Flüssigkeit, und seine einzigartige Struktur könnte zur Erklärung der ungewöhnlich komplexen Magnetfelder im Inneren von Eisriesenplaneten wie Uranus und Neptun beitragen.
Wasser ist einer der am häufigsten vorkommenden Stoffe auf der Erde und für das Leben unverzichtbar. Aus physikalischer und chemischer Sicht hat Wasser jedoch tatsächlich viele sehr ungewöhnliche Eigenschaften. Beispielsweise vergrößert sich das Volumen von gewöhnlichem flüssigem Wasser, wenn es gefriert. Die Dichte von Eis ist geringer als die von flüssigem Wasser; Wasser hat außerdem eine ungewöhnlich hohe Oberflächenspannung und einen ungewöhnlich hohen Siedepunkt. Bei reiner Berechnung auf Basis des Molekulargewichts der Wassermoleküle dürfte die Wahrscheinlichkeit sogar höher sein, dass Wasser bei Raumtemperatur in Form eines Gases vorliegt.
Wenn sich die Umgebung von der Erdoberfläche in das Innere des Planeten verlagert und gleichzeitig extreme Temperaturen und Drücke entstehen, verhält sich Wasser noch eigenartiger. Diesmal simulierten die Forscher die extremen Bedingungen im Inneren von Uranus und Neptun im Labor und erfassten erstmals direkt die Kristallstruktur von hexagonal dicht gepacktem superionischem Eis.
Das sogenannte „Superionische Eis“ ist ein besonderer Aggregatzustand zwischen traditionellen Festkörpern und Flüssigkeiten. Wenn Wasser enormen Drücken von Millionen Atmosphären ausgesetzt wird, ist das Material in der Lage, auch bei sehr hohen Temperaturen eine festkörperartige Gitterstruktur aufrechtzuerhalten. In diesem Zustand existieren keine vollständigen Wassermoleküle im herkömmlichen Sinne mehr. Die Sauerstoffatome sind in der Kristallgitterposition fixiert, während sich die Wasserstoffkerne wie Partikel in der Flüssigkeit schnell zwischen dem aus Sauerstoffatomen bestehenden Kristallgitter bewegen können.
Aus makroskopischer Sicht weist diese Substanz daher einige Eigenschaften sowohl eines Feststoffs als auch einer Flüssigkeit auf: Sauerstoffatome bilden ein stabiles Feststoffgitter, während Wasserstoffatome sehr beweglich sind. Diese einzigartige Struktur macht superionisches Eis auch hochleitfähig.
Um diese extreme Substanz zu erzeugen, platzierten Forscher eine sehr kleine Wasserprobe zwischen zwei Diamantspitzen und übten dann nach und nach einen Druck von bis zu 2,3 Millionen Atmosphären aus. Zum Vergleich: Der Druck im Erdkern beträgt etwa 3,6 Millionen Atmosphären. Anschließend erhitzten die Forscher das komprimierte Wasser mit Hochleistungslasern auf eine Temperatur von 2.630 Kelvin, also etwa 2.357 °C.
Unter solch extremen Bedingungen verwendeten die Forscher hochenergetische Synchrotronstrahlungs-Röntgenstrahlen, um detaillierte Scans der Proben durchzuführen und die strukturellen Veränderungen von Wasser in Hochtemperatur- und Hochdruckumgebungen auf atomarer Ebene zu beobachten. Das Experiment erfasste schließlich superionische Eiskristalle, in denen Sauerstoffatome in einer hexagonal dicht gepackten Struktur, also einer hcp-Struktur, angeordnet sind.
Das Experiment enthüllte auch den Prozess, durch den diese Struktur gebildet wird. Wenn der Druck und die Temperatur weiter ansteigen, wird die ursprünglich gebildete kubisch-flächenzentrierte (fcc)-Struktur nicht für immer stabil bleiben. Nach und nach kommt es zu einem Schlupf zwischen verschiedenen Schichten im Inneren des Kristalls, und schließlich wird sich die ursprüngliche Struktur vollständig in eine stabilere hexagonal dicht gepackte Struktur umwandeln, wodurch hcp-superionisches Eis entsteht, das zuvor im Mittelpunkt theoretischer Vorhersagen stand.
Die Bedeutung dieser Entdeckung liegt nicht nur in der Entstehung von „Eis von mehr als 2.000 Grad Celsius“. Wissenschaftler glauben seit langem, dass sich im Inneren der Eisriesenplaneten wie Uranus und Neptun riesige superionische Eisschichten befinden könnten, und die besondere Leitfähigkeit dieses Materials könnte eng mit den äußerst ungewöhnlichen Magnetfeldern der beiden Planeten zusammenhängen.
Die Magnetfelder von Uranus und Neptun unterscheiden sich deutlich von denen der Erde. Das Erdmagnetfeld bildet ungefähr eine relativ regelmäßige Struktur um die Rotationsachse des Planeten, aber die Magnetfelder von Uranus und Neptun weichen deutlich vom Mittelpunkt und der Rotationsachse des Planeten ab und ihre Strukturen sind komplex und asymmetrisch. Wissenschaftler haben zuvor vermutet, dass der Bereich, der dieses abnormale Magnetfeld erzeugt, möglicherweise nicht im Kern des Planeten liegt, sondern in einer leitfähigen Schicht aus Hochspannungsmaterial im Inneren des Planeten.
Superionisches Eis hat zufällig eine sehr wichtige Eigenschaft – es kann Elektrizität leiten. Da sich Wasserstoffkerne frei zwischen dem festen Gitter aus Sauerstoffatomen bewegen können, ist dieses Material in der Lage, elektrische und hydrodynamische Eigenschaften zu entwickeln, die sich von gewöhnlichem Eis völlig unterscheiden. Wenn eine solche Materialschicht im Inneren von Uranus und Neptun existiert, könnte sie einer der wichtigen Faktoren sein, die die seltsamen Magnetfelder der beiden Planeten antreiben.
Wissenschaftler haben zuvor durch theoretische Berechnungen und andere Hochdruckexperimente Beweise für die Existenz von superionischem Eis erhalten, aber dieses Experiment bestätigte weiter, dass dieses Material unter extremen Bedingungen eine hexagonal dicht gepackte Struktur bilden kann. Die Forscher glauben, dass dieses Ergebnis bedeutet, dass einige Modelle der inneren Struktur, der Leitungsmechanismen und des Materialflusses von Eisriesenplaneten möglicherweise überarbeitet werden müssen.
Noch wichtiger ist, dass die Temperatur- und Druckbedingungen im Inneren von Uranus und Neptun auf der Erdoberfläche nicht natürlich vorkommen können. Daher sind Hochspannungslaserexperimente im Labor zu einem wichtigen Mittel zur Untersuchung dieser fernen Welten geworden. Durch die Nachbildung des Planeteninneren auf der Erde können Wissenschaftler Materiezustände, die für Raumfahrzeuge unzugänglich sind, direkt untersuchen.
Die Forschungsergebnisse wurden in Physical Review Letters veröffentlicht. Für Planetenforscher offenbart die Bestätigung von hexagonal dicht gepacktem superionischem Eis nicht nur die komplexen Formen, die Wasser unter extremen Bedingungen annehmen kann, sondern bietet auch eine neue physikalische Grundlage für das Verständnis der beiden am weitesten entfernten Riesenplaneten im Sonnensystem.
Mit anderen Worten bedeutet das sogenannte „Eis über 2000°C“ nicht, dass Eiswürfel bei hohen Temperaturen im herkömmlichen Sinne nicht schmelzen, sondern dass sich unter enormem Druck ein völlig neuer Aggregatzustand bildet. In einer solchen Umgebung hat sich Wasser vollständig von den festen, flüssigen und gasförmigen Verhaltensweisen gelöst, mit denen wir jeden Tag vertraut sind, und eine seltsame Struktur angenommen, in der Sauerstoffatome fixiert sind und Wasserstoffatome sich frei bewegen. Solche extremen Materiezustände sind wahrscheinlich tief in Uranus und Neptun verborgen, Milliarden Kilometer entfernt.
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