Eis XVI: Neue kristalline Form von Wasser entdeckt

Ausschnitt aus der Kristallstruktur von Eis XVI. Foto: Universität Göttingen
Brennendes Methanhydrat, Wikipedia, gemeinfrei

Eis ist nicht gleich Eis: Kristallines Wasser kann verschiedene Formen annehmen - 16 waren bisher bekannt, jetzt haben Forscher die 17. entdeckt und hergestellt. Dieses sogenannte Eis XVI repräsentiert nun die bislang am wenigsten dichte Form von Wasser. Seine Wassermoleküle bilden einen Käfig, in dem wiederum andere Moleküle eingeschlossen werden können. Die neuen Erkenntnisse sind nicht nur aus naturwissenschaftlicher Sicht interessant, sondern auch für die für Energie- und Umweltforschung: Die Eiskäfige bilden nämlich das Methanhydrat, das gigantische Mengen des Treibhausgases beziehungsweise Energieträgers Methan am Meeresgrund bindet.

Die Herstellung des neuen Eises ist einem Forscherteam um Andrzej Falenty von der Universität Göttingen gelungen. Die Wissenschaftler synthetisierten dazu im Labor zunächst ein mit Neongas-Atomen gefülltes Gashydrat bei Temperaturen um 140 Kelvin. Dann erzeugten sie ein Vakuum, wodurch die Neonatome allmählich aus den Eiskäfigen absaugt wurden. Durch Analysen der Struktur der entleerten Eiskäfige konnten die Forscher dann zeigen: Es war etwas Neues entstanden - Eis XVI.

Faszinierende Eiskäfige

Durch weitere Untersuchungen stellten sie anschließend fest: Die leeren Eiskäfige bleiben sogar länger stabil als ihre gefüllten Vorgänger: Sie zerfallen erst bei 20 Grad höheren Temperaturen, zeigten Experimente. "Das leere Eis XVI ist mechanisch stabiler und hat bei niedrigen Temperaturen größere Gitterkonstanten als das gefüllte Hydrat", berichten Falenty und seine Kollegen. Erst die Wechselwirkung mit den im Eis enthaltenen Gastmolekülen zieht demnach die Käfige enger zusammen, macht sie aber gleichzeitig instabiler.

"Leere Einschlussverbindungen waren Jahre lang Gegenstand intensiver wissenschaftlicher Spekulationen, weil deren tatsächliche Existenz ziemlich unsicher war", sagt Helmut Schober vom Institut Laue-Langevin in Grenoble. "Mit dieser Entdeckung kommen wir aus dem Bereich der Spekulationen. Mehr noch: Sie liefert uns einen neuen Edelstein aus der faszinierenden Schatzkiste von Eis-Phasen", resümiert der Forscher.

Klimaschutz und Energiewirtschaft könnten profitieren

Den Forschern zufolge spielen die Eigenschaften von Eis XVI für die Stabilität der Methanhydrate im Permafrost und in den Meeresböden der Kontinentalhänge eine wichtige Rolle. Die Erzeugung der Eiskäfige im Labor kann nun dabei helfen, das Verhalten dieser labilen Reservoire besser einzuschätzen. Da Methan eine um rund 30 Mal stärkere Treibhaus-Wirkung als Kohlendioxid besitzt, ist es wichtig alle Faktoren zu kennen, die zu einer unkontrollierten Freisetzung führen können.

Methan repräsentiert andererseits auch eine potenzielle Energiequelle, denn es ist chemisch nichts anderes als Erdgas. Schätzungen zufolge übersteigt die Gesamtmenge von Methangas, das in Käfigstrukturen am Meeresgrund gebunden ist, bei weitem die ökonomisch ausbeutbaren Reserven „konventioneller" Kohlenstoffreserven wie Kohle, Erdöl oder natürliches Gas. Bisher lassen sich Methanvorkommen allerdings schwer ausbeuten – die Möglichkeiten sind aber momentan Gegenstand intensiver Erforschung.
Praktische Vorteile hat das Wissen um die Eigenschaften von Eis XVI unter anderem auch bei der Wartung von Erdgas-Pipelines. In ihnen wird Methan mit hohem Druck und bei niedriger Temperatur transportiert. Gashydrate können unter den dort herrschenden Druck- und Temperaturbedingungen Pfropfen bilden. Um sie zu entfernen, müssen weltweit rund 400 Millionen Euro pro Jahr aufgewendet werden. Eine bessere Kenntnis der Käfig-Eigenschaften könnte dabei helfen, die Entstehung dieser Gashydrate zu verhindern, sagen die Forscher.

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