Zusammenfassung
Eis ist nicht gleich Eis. Die feste Form von Wasser kommt in mehr als einem Dutzend verschiedener – mal mehr, mal weniger kristalliner – Strukturen daher, je nachdem, welche Bedingungen aus Druck und Temperatur in der Umgebung herrschen. Superionisches Eis ist eine besondere kristalline Form, halb fest, halb flüssig – und elektrisch leitend. Ihre Existenz wurde auf Basis diverser Modelle vorhergesagt und bereits verschiedentlich unter – sehr extremen – Laborbedingungen beobachtet. Die genauen Voraussetzungen für ihre Existenz werden unter Forschenden aber noch kontrovers diskutiert. Ein Team von Wissenschaftler:innen um Vitali Prakapenka von der University of Chicago, dem auch Sergey Lobanov vom GeoForschungsZentrum Potsdam angehört, hat nun Struktur und Eigenschaften von zwei superionischen Eis-Phasen (Eis XVIII und Eis XX) vermessen. Sie brachten Wasser in einer laserbeheizten Diamant-Stempelzelle auf extrem hohe Drücke und Temperaturen. Dabei wurden die Proben hinsichtlich Struktur und elektrische Leitfähigkeit untersucht. Die Ergebnisse sind heute im renommierten Fachmagazin Nature Physics erschienen. Sie liefern ein weiteres Puzzle-Teil im Spektrum der Erscheinungsformen von Wasser. Und können möglicherweise auch dazu beitragen, die ungewöhnlichen Magnetfelder der stark wasserhaltigen Planeten Uranus und Neptun zu erklären.
Heißes Eis?
Eis ist kalt. Jedenfalls Eis vom Typ I, wie wir es von unserem Eisfach kennen, vom Schnee oder vom zugefrorenen See. In Planeten oder in den Hochdruck-Stempel-Zellen von Laboren gibt es auch Eis von anderem Typ, VII oder VIII zum Beispiel, das bei Temperaturen von einigen Hundert oder Tausend Grad existiert. Allerdings nur, weil dort zusätzlich sehr hohe Drücke von einigen zehn Gigapascal herrschen – bis zum Millionenfachen des Luftdrucks.
Druck und Temperatur spannen den Raum für das sogenannte Phasendiagramm eines Stoffes auf: In Abhängigkeit dieser beiden Parameter werden hier die verschiedenen Erscheinungsformen von Wasser und die Übergänge zwischen fest, gasförmig, flüssig und hybriden Zuständen verzeichnet – wie sie theoretisch vorhergesagt werden oder bereits im Experiment nachgewiesen wurden.
Verbindung grundlegender Physik mit geologischen Fragestellungen
Je höher Druck und Temperatur, desto schwieriger sind solche Experimente. Und so weist das Phasendiagramm von Wasser – mit Eis als dessen fester Phase – in den extremen Bereichen noch etliche Ungenauigkeiten und Unstimmigkeiten auf.
„Wasser ist eigentlich eine relativ simple chemische Verbindung aus einem Sauerstoff- und zwei Wasserstoff-Atomen. Dennoch ist es mit seinem vielfach ungewöhnlichen Verhalten immer noch nicht gänzlich verstanden. Hier kommen grundlegende physikalische und geowissenschaftliche Interessen zusammen. Denn Wasser spielt für viele Planeten auch im Inneren eine wichtige Rolle. Nicht nur bezüglich der Entstehung von Leben und Landschaften, sondern – im Falle der stark wasserhaltigen Gasplaneten Uranus und Neptun – auch für die Entstehung von deren ungewöhnlichem planetaren Magnetfeld“, sagt Sergey Lobanov, Geophysiker am GFZ.
Einzigartige Bedingungen im Labor
Sergey Lobanov gehört zum Team um Erstautoren Vitali Prakapenka und Nicholas Holtgrewe, beide von der University of Chicago, sowie Alexander Goncharov von der Carnegie Institution of Washington. Sie haben den Phasenraum von Wasser nun in seinen Extremen weiter vermessen. Mit laserbeheizten Diamant-Stempelzellen – von der Größe einer Computer-Maus – haben sie hohen Drücke bis zu 150 Gigapascal (ca. 1,5 Millionenfacher Atmosphärendruck) und Temperaturen von bis zu 6.500 Kelvin (ca. 6.227 Grad Celsius) erzeugt. In dem winzigen Probenraum (das Volumen entspricht ein Würfel von nur rund zwei Hundertstel Millimeter Kantenlänge) herrschen dann Bedingungen, wie sie einige im Inneren von Neptun oder Uranus in einigen Tausend Kilometern Tiefe vorkommen.
Wie sich bei diesen Bedingungen die Kristallstruktur ändert, haben die Wissenschaftler mithilfe von Röntgenbeugung beobachtet. Dazu nutzten sie die extrem intensive Synchrotron-Röntgenstrahlung an der Advanced Photon Source (APS) des Argonne National Laboratory der University of Chicago. Eine zweite Serie von Experimenten am Earth and Planets Laboratory der Carnegie Institution of Washington nutzte optische Spektroskopie, um daraus die eletrische Leitfähigkeit zu bestimmen.
Strukturveränderungen des Eises beim Durchfahren des Phasenraums: Entstehen von superionischem Eis
Die Forscher haben aus Wasser bei Raumtemperatur durch Erhöhen des Drucks auf einige zehn Gigapascal zunächst Eis VII oder Eis X hergestellt (vergleiche das Phasendiagramm). Bei konstantem Druck erhöhten sie dann durch Beschuss mit Laserlicht die Temperatur. Dabei beobachteten sie, wie sich die kristalline Eisstruktur verändert: Zunächst bewegten sich die Sauerstoff- wie die Wasserstoff-Atome ein wenig um ihre fixen Positionen. Dann blieb nur noch der Sauerstoff fest und bildete ein eigenes kubisches Kristallgitter. Bei steigender Temperatur ionisierte der Wasserstoff, gab also sein einziges Elektron ans Sauerstoffgitter ab. Sein Atomkern – ein positiv geladenes Proton – sauste dann durch diesen Festkörper, der dadurch elektrisch leitend wird. Auf diese Weise entsteht ein Hybrid aus fest und flüssig: superionisches Eis.
Seine Existenz wurde auf Basis diverser Modelle vorhergesagt und bereits verschiedentlich unter Laborbedingungen beobachtet. Die Wissenschaftler konnten nun zwei superionische Eis-Phasen – Eis XVIII und Eis XX – erzeugen und identifizieren und die Druck- und Temperaturbedingungen beschreiben, in denen sie stabil existieren. „Aufgrund ihrer ausgeprägten Dichte und erhöhten optischen Leitfähigkeit ordnen wir die beobachteten Strukturen den theoretisch vorhergesagten superionischen Eisphasen zu“, erläutert Lobanov.
Konsequenzen für die Erklärung des Magnetfelds von Uranus und Neptun
Insbesondere der Phasenübergang hin zu einer leitenden Flüssigkeit hat interessante Konsequenzen für die offenen Fragen rund um das Magnetfeld von Uranus und Neptun, die vermutlich zu über sechzig Prozent aus Wasser bestehen. Das Magnetfeld ist insofern ungewöhnlich, als es nicht – wie bei der Erde – quasi parallel und symmetrisch zur Rotationsachse verläuft, sondern schief und unzentriert liegt. Modelle zu seiner Entstehung gehen daher davon aus, dass es nicht – wie bei der Erde – durch Bewegung von flüssigem Eisen im Kern erzeugt wird, sondern durch eine leitende, wasserreiche flüssige Schicht im äußeren Drittel der beiden Planeten.
„Im Phasendiagramm können wir Druck und Temperatur im Inneren von Uranus und Neptun einzeichnen. Dabei kann der Druck grob als Maß für die Tiefe im Inneren gelten. Anhand der von uns präziser vermessenen Phasengrenzen sehen wir, dass in beiden Planeten etwa das obere Drittel flüssig ist, und im tieferen Inneren superionisches Eis existiert. Das bestätigt die Vorhersagen über den Ursprung des beobachteten Magnetfelds“, resümiert Lobanov.
Ausblick
Weitere Untersuchungen, um die innere Struktur und das Magnetfeld der beiden Gasplaneten noch besser aufzuklären, werden künftig auch am GFZ selbst gemacht, betont der Geophysiker. Hier gibt es neben den bereits verwendeten Diamant-Stempelzellen sowohl das entsprechende Hochdrucklabor wie auch die hochempfindlichen spektroskopischen Messgeräte. Letztere hat Lobanov im Rahmen seiner Förderung als Leiter der Helmholtz Young Investigators Group CLEAR aufgebaut, um die Phänomene der tiefen Erde mit unkonventionellen ultraschnellen zeitaufgelösten Spektroskopietechniken zu untersuchen.
Projektförderung: Die Arbeit von Sergey Lobanov wurde im Rahmen der Helmholtz Young Investigators Group CLEAR (VH-NG-1325) gefördert.
Originalstudie: Prakapenka, V.B., Holtgrewe, N., Lobanov, S.S., and Goncharov, A. 2021. Strucutre and properties of two superionic ice phases. Nature Physics. DOI: 10.1038/s41567-021-01351-8
Wissenschaftlicher Kontakt:
Dr. Sergey S. Lobanov
Leiter einer Helmholtz-Nachwuchsgruppe
Chemie und Physik der Geomaterialien
Helmholtz-Zentrum Potsdam
Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ
Telegrafenberg
14473 Potsdam
Tel.: +49 331 288-28607
E-Mail: sergey.lobanov@gfz-potsdam.de
Medienkontakt:
Dr. Uta Deffke
Referentin Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Helmholtz-Zentrum Potsdam
Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ
Telegrafenberg
14473 Potsdam
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