Die neuesten Computerforschungen der Carnegie Institution for Science zeigen, dass im tiefen Inneren von Eisriesen wie Uranus und Neptun die gemeinsamen Elemente Kohlenstoff und Wasserstoff in einer beispiellosen Form existieren könnten. Es wird erwartet, dass dieser neue Zustand der Materie das Verständnis der wissenschaftlichen Gemeinschaft über die innere Struktur von Planeten und den Entstehungsmechanismus von Magnetfeldern verändern wird.
Die Forschung wurde von Cong Liu und Ronald Cohen von der Carnegie Institution for Science geleitet und die relevanten Ergebnisse wurden in der Zeitschrift Nature Communications veröffentlicht. Mithilfe von Hochleistungsrechnen und ausgehend von den ersten Prinzipien der Quantenmechanik simulierten sie systematisch das Verhalten einfacher Kohlenwasserstoffe (chemische Formel lautet CH, also Kohlenwasserstoffe) unter extremen Hochdruck- und Hochtemperaturbedingungen.
Uranus und Neptun werden als „Eisriesen“ klassifiziert. Bestehende Beobachtungen und Modelle zeigen, dass die inneren Strukturen dieser beiden Planeten grob in drei Schichten unterteilt werden können: Die äußerste Schicht ist eine Wasserstoff-Helium-Atmosphäre, die von einer dicken Schicht „heißem Eis“ umgeben ist, und die innerste Schicht ist ein dichter Kern aus Gesteinen und Metallen. Die wissenschaftliche Gemeinschaft geht allgemein davon aus, dass dieses „heiße Eis“ hauptsächlich aus Wasser (H₂O), Methan (CH₄) und Ammoniak (NH₄) besteht; Unter extremem Druck und extremer Temperatur zeigen diese Substanzen jedoch völlig andere Strukturen und Eigenschaften als bei normaler Temperatur und normalem Druck.
Die Simulationen von Cong Liu und Cohen deckten einen Druckbereich von etwa 500 bis 3.000 Gigapascal (entspricht dem 5- bis 30-Millionenfachen des atmosphärischen Drucks der Erde) und einen Temperaturbereich von etwa 4.000 bis 6.000 Kelvin (etwa 6.740 bis 10.340 Grad Celsius) ab, Bedingungen, die mit denen tief in Eisriesenplaneten vergleichbar sind. Die Ergebnisse zeigen, dass Kohlenwasserstoffe unter solchen Bedingungen im Planeteninneren eine Verbindung mit einer hexagonalen Gitterstruktur bilden können: Kohlenstoff bildet außen spiralförmige Ketten, und Wasserstoff bildet innen spiralförmige Ketten und wandert entlang dieser spiralförmigen Bahnen gerichtet.
In dieser Struktur weist das Material einen sogenannten „quasi-eindimensionalen superionischen Zustand“ auf. Superionische Stoffe stellen einen Sonderzustand zwischen Festkörpern und Flüssigkeiten dar: Einige Atome im Kristallgitter bleiben im festen Zustand geordnet, während andere Atome sich im Kristallgitter wie eine Flüssigkeit frei bewegen können. Untersuchungen zeigen, dass das Kohlenstoffgerüst in dieser neuen Phase eine geordnete hexagonale Kristallstruktur beibehält, während sich Wasserstoffatome hauptsächlich gerichtet entlang vordefinierter Spiralkanäle bewegen, anstatt isotrop im dreidimensionalen Raum zu diffundieren.
Cohen wies darauf hin, dass diese neu vorhergesagte Kohlenstoff-Wasserstoff-Phase „besonders auffällig“ sei, weil ihre atomare Bewegung nicht vollständig dreidimensional sei, sondern stark auf bestimmte spezifische Spiralbahnen ausgerichtet sei. Dieses stark gerichtete Migrationsmerkmal ist in Planetenmaterialien sehr selten. Dieses „quasi-eindimensionale“ superionische Verhalten bedeutet, dass die Art und Weise, wie Wärme und Ladung in solchen Materialien transportiert werden, sich stark vom traditionellen Verständnis isotroper Hochtemperaturflüssigkeiten unterscheiden kann.
Diese Entdeckung hat mehrere potenzielle Auswirkungen auf die Planetenwissenschaft. Erstens wirkt sich die gerichtete Wanderung des Wasserstoffs im Kristallgitter direkt auf die Wärmeleitfähigkeit und die elektrische Leitfähigkeit des Tiefenmaterials aus und verändert so die Art und Weise, wie die innere Energie des Planeten von der Tiefenschicht zur Außenschicht übertragen wird. Zweitens könnte diese abnormale Leitfähigkeitseigenschaft mit der besonderen Magnetfeldform der Eisriesenplaneten zusammenhängen, was dazu beiträgt, die stärker verzerrten und exzentrischen Beobachtungseigenschaften der Magnetfeldstrukturen von Uranus und Neptun im Vergleich zu den Erd- und Gasriesenplaneten (wie Jupiter und Saturn) zu erklären.
In den letzten Jahren hat die Zahl der bestätigten Exoplaneten 6.000 überschritten und wächst weiter, was zu einer engeren Zusammenarbeit in der Astronomie, den Planetenwissenschaften und den Geowissenschaften führt. Durch eine Kombination aus Beobachtungen, Experimenten und theoretischen Simulationen versuchen Forscher, den materiellen Zustand und die physikalischen Prozesse im Inneren des Planeten zu charakterisieren, einschließlich des Entstehungsmechanismus des Magnetfelds und der Entwicklung tiefer Schichtstrukturen. Die Modellierung der „unsichtbaren“ Regionen tief im Inneren der Planeten und Monde des Sonnensystems wird nicht nur dabei helfen, das Verhalten dieser Himmelskörper selbst zu verstehen, sondern soll auch Hinweise auf Themen wie die Bewohnbarkeit von Außerirdischen liefern.
Liu Cong wies darauf hin, dass Kohlenstoff und Wasserstoff zu den beiden häufigsten Elementen in Planetenmaterialien gehören, das Verhalten dieser einfachen Elementkombination unter Bedingungen, die einem Riesenplaneten ähneln, jedoch noch lange nicht vollständig verstanden ist. Diese Arbeit zeigt, dass selbst die grundlegendsten chemischen Systeme unter extremem Druck und extremer Temperatur komplexe und unerwartete Kristall- und dynamische Strukturen entwickeln können, was die Grenzen des Verständnisses wissenschaftlicher Forscher für die Welt der Hochdruckmaterialien erweitert.
Zusätzlich zu seiner Bedeutung in der Planetenphysik könnte dieses Material mit starken gerichteten Transporteigenschaften auch Anwendungsmöglichkeiten in den breiteren Bereichen der Materialwissenschaft und -technik finden. Beispielsweise wird erwartet, dass diese Art von superionischem Material in Szenarien, die eine stark anisotrope elektrische oder thermische Leitfähigkeit erfordern, zu einem theoretischen Entwurf für neue Funktionsmaterialien wird und neue Ideen für das Design zukünftiger Energie- und elektronischer Geräte liefert.