Was passiert, wenn ein leistungsfähiger Laser und kreative Wissenschaftler aufeinander treffen? Etwas ziemlich Abgefahrenes!
Unter enormem Druck haben die Forscher superionisches Eis hergestellt – gefroren und trotzdem halb so heiß wie die Sonne. Klingt witzig? Dieser Fact ist wichtiger als du vielleicht denkst: Ein Meilenstein, um Planeten wie Uranus und Neptun zu untersuchen.
Alles begann mit einer Theorie…
Auf unserer Erdoberfläche variieren die Siede- und Gefrierpunkte von Wasser nur geringfügig. Im Allgemeinen siedet das Wasser, wenn es sehr heiß ist und gefriert, wenn es kalt ist. Trotzdem sind die Zustände abhängig vom Druck. Das merkst du, wenn du beobachtest, dass der Siedepunkt von Wasser in den Bergen niedriger ist, als wenn du direkt am Meer sitzt. Im Weltraum kann Wasser in seiner flüssigen Form gar nicht erst existieren. Es kocht und verdampft sofort.
Die Theorie: Bei extrem hohem Druck dreht sich der Spieß um und das Wasser erstarrt.
Wissenschaftler machen sich ans Werk
Die Forscher des Lawrence Livermore National Laboratory haben diese Theorie jetzt zum ersten Mal bestätigt. Sie haben Eis unter einem Druck von 3 Gigapascal (30.000 mal stärker als der Atmosphärendruck der Erde) geschaffen und es dann mit Lasern gesprengt. Das Ergebnis lässt sich sehen: Das neue Eis leitet den Fluss von Ionen und nicht von Elektronen – daher auch der Name superionisches Eis. Die Wissenschaftler hatten aber noch nicht genug.
Superionisches Eis, die bisher nur theoretisch vorhergesagte 18. Kristallstruktur von Wasser, ließ sich jetzt im Labor herstellen. Es entsteht unter extremen Drücken und Temperaturen – Bedingungen wie im Inneren der Eisriesen Uranus und Neptun. https://t.co/BDAFRBZu14
— Spektrum (@spektrum) May 17, 2019
Zeit, dem Eis auf den Grund zu gehen
Die Forschen haben Blut geleckt und sind bereit, die kristalline Struktur des Eises zu erforschen. „Wir wollten die atomare Struktur von superionischem Wasser bestimmen“, so die Physikerin Federica Coppari. Für dieses Experiment ist aber ein extrem komplexes Design nötig. Sechs riesige Laser erzeugten eine Reihe von Stoßwellen, um das Wasser bei 100 bis 400 Gigapascal zu komprimieren. Gleichzeitig erzeugten sie Temperaturen von 1.650 bis 2.760 Grad Celsius. Zum Vergleich: Die Sonnenoberfläche beträgt 5.500 Grad Celsius.
Du willst wissen, was passiert ist? Das Wasser war gefroren, stabil und sauheiß. Mit Röntgenstrahlen wurde eine bisher noch nie gesehene Struktur gezeigt: kubische Kristalle mit Sauerstoffatomen an den Ecken und einem alleinigen Sauerstoffatom in der Mitte.
„Den direkten Beweis für die Existenz eines kristallinen Sauerstoffgitters zu finden, bringt das letzte fehlende Stück in das Puzzle über die Existenz von superionischem Wassereis“, erklärte der Physiker Marius Millot.
Wir sind Uranus und Neptun auf der Spur
Die Ergebnisse der Forscher geben einen Hinweis darauf, wie die beiden Eisriesen Neptun und Uranus solch seltsame Magnetfelder haben können und wieso sie den Äquator nicht umkreisen. Vielleicht haben diese Planeten einen Mantel aus superionischem Eis. Die enorme Leitungsfähigkeit könnte deren Magnetfelder beeinflussen.
„Da Wassereis auf den Planeten Uranus und Neptun ein kristallines Gitter hat, argumentieren wir, dass superionisches Eis nicht wie Wasser auf der Erde fließt. Es ist wahrscheinlicher, dass superionisches Eis ähnliche Eigenschaften wie der Erdmantel aufweist und dabei große konvektive Bewegungen auf sehr langen geologischen Zeitskalen macht und unterstützt“, so Millot.
