Sitzt im Mittelpunkt der Erde ein natürlicher Kernreaktor?

 Simulationsrechnungen zum Betrieb des Georeaktors zeigen, dass der Reaktor ein Verhältnis des Heliumisotops He-3 zu He-4 um die 10 produziert (verglichen mit dem entsprechenden Verhältnis in der Atmosphäre). Das in Magma aus dem tiefen Erdmantel gefundene Verhältnis liegt zwischen 6 und 12. Das Diagramm zeigt drei verschiedene Annahmen über die Leistung des Georeaktors – von 3 Terawatt bis 6 Terawatt (ein Terawatt sind eine Billion Watt). Die untere Skala zeigt die seit Entstehung der Erde vergangene Zeit in Milliarden Jahren. Je nach Leistung ist der Brennstoff des Georeaktors nach 4 bis 5,5 Milliarden Jahren verbraucht. Grafik: Marvin Herndon
Simulationsrechnungen zum Betrieb des Georeaktors zeigen, dass der Reaktor ein Verhältnis des Heliumisotops He-3 zu He-4 um die 10 produziert (verglichen mit dem entsprechenden Verhältnis in der Atmosphäre). Das in Magma aus dem tiefen Erdmantel gefundene Verhältnis liegt zwischen 6 und 12. Das Diagramm zeigt drei verschiedene Annahmen über die Leistung des Georeaktors – von 3 Terawatt bis 6 Terawatt (ein Terawatt sind eine Billion Watt). Die untere Skala zeigt die seit Entstehung der Erde vergangene Zeit in Milliarden Jahren. Je nach Leistung ist der Brennstoff des Georeaktors nach 4 bis 5,5 Milliarden Jahren verbraucht. Grafik: Marvin Herndon
Viele Jahre lang hielten die meisten Geophysiker es nicht einmal für nötig, den Theorien von Marvin Herndon von der Transdyne Corporation in San Diego zu widersprechen. Sie ignorierten sie einfach. Auf den ersten Blick klingt seine Behauptung, im Erdmittelpunkt hätte sich auf natürliche Weise ein Kernreaktor gebildet, tatsächlich äußerst spekulativ. Doch seitdem Herndon in Zusammenarbeit mit dem renommierten Oak Ridge National Laboratory im Jahr 2001 zeigen konnte, dass sein Georeaktor das Verhältnis des Heliumisotops He-3 zu He-4 im Erdmantel erklären kann, werden etablierte Geophysiker zunehmend auf ihn aufmerksam.
Würde Herndons Theorie sich als richtig herausstellen, dann müssten nicht nur unsere Vorstellungen vom Erdkern umgeschrieben werden, sondern auch die Geschichte von der Entstehung des Sonnensystems bekäme eine überraschende Wendung: Die Erde und die anderen inneren Planeten wären demnach nicht aus dem Zusammenstoß von Myriaden von Meteoriten entstanden – wovon die Standardtheorie ausgeht, sondern sie wären die mickrigen Überreste von Jupiter-ähnlichen Gasriesen.

Der Dreh- und Angelpunkt von Herndons Theorie ist sein Widerspruch zu einer grundlegenden geophysikalischen Annahme. "Um 1940 herum nahmen Francis Birch (1903-1992) und andere Wissenschaftler an, dass die chemische Zusammensetzung der Erde einem gewöhnlichen Chondriten gleicht", sagt Herndon und fügt hinzu: "Das war ein gewaltiger Fehler!" Chondrite sind Meteoriten, die – mit Ausnahme von flüchtigen Bestandteilen – in etwa die gleiche chemische Zusammensetzung haben wie die Elemente, die man in den äußeren Schichten der Sonne feststellen kann. "Deshalb gibt es gute Gründe anzunehmen, dass Chondrite die Urmaterie unseres Sonnensystems repräsentieren, aus der auch die Planeten aufgebaut sind", sagt Herndon und stimmt soweit mit Birch überein. "Doch Birch ignorierte, dass es neben den gewöhnlichen noch zwei andere, seltenere Gruppen von Chondriten gibt." Birch wählte die gewöhnlichen Chondriten als Repräsentanten für die chemische Zusammensetzung der Erde, weil sie die weitaus häufigsten sind.

Diese Wahl, für deren Richtigkeit es keinen zwingenden Beweis gibt, hat weitreichende Konsequenzen. Denn sie bestimmt – zusammen mit einigen indirekten Schlussfolgerungen, beispielsweise aus dem Verhalten seismischer Wellen – die Annahmen über die chemische Zusammensetzung des Erdinnern. Findet man zum Beispiel ein chemisches Element auf der Erdoberfläche in einer geringeren Konzentration als in den gewöhnlichen Chondriten, dann – so die Folgerung – muss dieses Element zum Ausgleich im Erdinnern in einer höheren Konzentration vorkommen. Es ist leicht einzusehen, dass sich unsere Annahmen über das Erdinnere schlagartig ändern müssten, wenn sich herausstellt, dass die gewöhnlichen Chondrite die chemische Zusammensetzung der Erde nicht richtig repräsentieren.

Genau das glaubt Herndon und hat gute Argumente dafür, dass nicht die gewöhnlichen Chondrite, sondern die so genannten Enstatit-Chondrite die richtigen "Blaupausen" für die chemische Zusammensetzung der Erde sind: "Nur die Enstatit-Chondrite und einige damit verwandte Achondrite haben eine Sauerstoffisotop-Zusammensetzung, die ununterscheidbar von der der Erde und des Mondes ist." Wie alle chemischen Elemente kommen Sauerstoffatome in verschiedenen Varianten, so genannten Isotopen, vor, die sich nur durch die Anzahl der Neutronen im Atomkern unterscheiden. Das prozentuale Verhältnis dieser Isotope zueinander hat sich in vielen Wissenschaftszweigen als eine Art Fingerabdruck der jeweiligen Materie bewährt. Haben zwei Stoffe exakt die gleiche Isotop-Zusammensetzung, dann ist dies in der Regel kein Zufall. Eines von mehreren weiteren Argumenten Herndons ist, dass Spektraluntersuchungen des Lichts von Merkur darauf hindeuten, dass die Zusammensetzung seiner Oberfläche ebenfalls der eines Enstatit-Chondriten ähnelt.

Obwohl die verschiedenen Chondrit-Gruppen sich in vielerlei Hinsicht gleichen, gibt es einen entscheidenden Unterschied: "Das Spezielle an den Enstatit-Chondriten ist, dass sie unter Umständen entstanden sind, in denen es an Sauerstoff mangelte", erklärt Herndon. "Deshalb konnte unter anderem das sauerstoffliebende Element Uran nicht den Sauerstoff bekommen, der ihm in den gewöhnlichen Chondriten zur Verfügung stand. Es endete deshalb nicht wie in den gewöhnlichen Chondriten im Silikatteil, der dem Erdmantel entspricht, sondern in der Metalllegierung des Enstatit-Chondriten, die dem Erdkern entspricht."

Da die Enstatit-Chondrite nach Herndons Argumentation die richtigen Repräsentanten für die chemische Zusammensetzung der Erde sind, muss die Erde also ebenfalls unter Bedingungen entstanden sein, in denen kein oder kaum Sauerstoff zur Verfügung stand. Dazu greift Herndon auf eine phantastisch anmutende Theorie des deutschen Chemikers Arnold Eucken (1884-1950) zurück. "Im Jahr 1944 veröffentlichte Eucken eine Arbeit, in der er die These untersuchte, ob die Erde aus einem riesigen Gasplaneten ‚ausgeregnet’ sein könnte", sagt Herndon. Mit ‚ausregnen’ meint Herndon genau das, wonach es klingt. Allerdings regnete aus der Atmosphäre des Gasriesen kein kondensiertes Wasser nach unten, sondern geschmolzenes Eisen, in dem eine Vielzahl anderer Elemente gelöst waren.

Die Erde bildete sich demnach aus diesem Kondensat im Zentrum des Gasriesen. In den siebziger Jahren konnte Herndon zusammen mit dem österreichischen Chemiker Hans Suess (1909-1993) zeigen, dass diese Theorie unter thermodynamischen Gesichtspunkten stimmig ist. Zur Gewährleistung der dazu notwendigen hohen Druck- und Temperaturverhältnisse muss der Gasplanet in etwa die 300-fache Masse der Erde gehabt haben und war damit etwa gleich groß wie Jupiter. Das "Ausregnen" der Erde muss geschehen sein, bevor in der Sonne die Kernfusion zündete. "Denn die Zündung der Kernfusion in einem Stern ist die einzige Quelle, die genügend Energie liefert, um das Gas eines Riesenplaneten wegzublasen", sagt Herndon. Übrig blieb der ehemalige Kern des Gasriesens – unsere Erde.

Damit ist Herndons Argumentationskette fast geschlossen: Weil die Erde bei ihrer Entstehung unter Sauerstoffmangel litt, konnte sich – neben anderen Elementen – Uran nicht mit Sauerstoff zu Uranoxid verbinden. In dieser Verbindung wäre das Uran im Erdmantel "gelandet". In reiner Form oder möglicherweise als Uran-Schwefel-Verbindung müsste sich das Uran nach Herndon jedoch in der Mitte des Erdkerns abgesetzt haben.

Zusammen mit Daniel Hollenbach hat Herndon unter Nutzung der Kernreaktor-Simulationsprogramme des Oak Ridge National Laboratory bereits vor einigen Jahren zeigen können, dass unter den von ihm berechneten Bedingungen ein Brutreaktor im Erdmittelpunkt operieren könnte. Zudem zeigen die Simulationsrechnungen, dass dieser Brutreaktor ein Verhältnis der Heliumisotope He-3 und He-4 produzieren würde, das erstaunlich gut mit den Werten übereinstimmt, die man in Magma findet, dass aus dem tiefen Erdinnern aufsteigt.

In einer neueren Arbeit zeigt Herndon nun auf, wie der Georeaktor das Magnetfeld der Erde erzeugt. Dabei liefert er allerdings eine Hiobsbotschaft: Den Simulationsrechnungen zufolge wird dem Georeaktor in naher Zukunft der Brennstoff ausgehen, wodurch die Erde ihr Magnetfeld verlieren würde. "Nahe Zukunft" kann hier nach geologischen Maßstäben noch eine Brennzeit von einigen hundert Millionen Jahren bedeuten.

Ob an Herndons Theorie etwas dran ist, kann derzeit niemand sagen. Aber sie ist in sich konsistent und kann erstaunlich viele bekannte geophysikalische Fakten reproduzieren. Deshalb hätte sie es wenigstens verdient, schlüssig widerlegt zu werden.

Herndon selbst hofft hingegen darauf, seine Theorie eindeutig beweisen zu können. Möglich werden könnte dies durch geplante Projekte, die Antineutrinos aus dem Erdinnern auffangen wollen – wie beispielsweise dem EARTH-Projekt von Rob de Meijer (wissenschaft.de berichtete).
Quelle: Marvin Herndon: Earth, Moon, and Planets, Bd. 99, S. 53-89 und Marvin Herndons Homepage

Axel Tillemans


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