"Diamantregen" nachgebildet - wissenschaft.de
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Astronomie+Physik

„Diamantregen“ nachgebildet

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Künstlerische Darstellung der Prozesse in Neptun und Co. (Credit: Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory)
In Neptun und Uranus regnet es Diamanten – bisher war dies nur eine Spekulation. Doch nun haben Forscher die Bedingungen in diesen Planeten experimentell nachgeahmt und dadurch erstmals konkret nachgewiesen, dass sich der exotische Niederschlag in den eisigen Riesen tatsächlich bilden kann.

Dichte und frostige Schichten, die einen festen Kern umhüllen: So sind die beiden Außenseiter unseres Sonnensystems aufgebaut – Neptun und Uranus. Die nichtfesten Schichten dieser Planeten bestehen vor allem aus Kohlenwasserstoffen, Wasser und Ammoniak. Ähnlich könnten auch viele Planeten in fernen Sternensystemen aufgebaut sein, nimmt man an. Seit langem spekulieren Astrophysiker zudem, dass sich der Kohlenwasserstoff durch den extrem hohen Druck, der etwa ab 10.000 Kilometer unter der Oberfläche solcher Eisriesen herrscht, auftrennt. Dadurch könnten sich dann Diamanten bilden, die anschließend ins Innere sinken. Bisher blieb dies allerdings nur eine Vermutung, da sich die Entstehung dieses „edlen“ Niederschlag nicht direkt experimentell nachweisen ließ.

Schockwellen machen aus Plastik winzige Diamanten

Doch genau das hat sich nun geändert: Einem internationalen Forscherteam ist es gelungen, die Bedingungen im Inneren von Neptun und Uranus nachzubilden und dadurch winzige Diamanten herzustellen. Das Ausgangsmaterial bildete dabei eine fast banal wirkende Verbindung von Kohlenstoff und Wasserstoff: das Plastik Polystyrol.

Bei ihren Experimenten schickten die Forscher mittels eines extrem starken optischen Lasers zwei Schockwellen durch ihre Proben. Dadurch wurde das Plastik mit einem Druck von rund 150 Gigapascal zusammengedrückt. „Die erste, kleinere und langsamere Welle wird dabei von der stärkeren, zweiten überholt“, erklärt Co-Autor Dominik Kraus vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf. „In dem Moment, in dem sich beide Wellen überschneiden, bilden sich die meisten Diamanten“, so der Forscher. Wie die Forscher feststellten, schlossen sich fast alle Kohlenstoff-Atome zu nanometergroßen Diamantstrukturen zusammen. Der Nachweis dieser Effekte war durch die sogenannte ultraschnelle Röntgenbeugung möglich. „Dafür konnten wir die stärkste Röntgenlaserquelle der Welt nutzen – die Linac Coherent Light Source des SLAC National Accelerator Laboratory in Stanford“, sagt Co-Autor Siegfried Glenzer von SLAC.

Riesige Diamanten bei Neptun und Co

Die Ergebnisse lassen nun Rückschlüsse auf die Bedingungen in Riesenplaneten wie Neptun und Uranus zu, sagen die Forscher. Sie vermuten, dass die Diamanten dort Strukturen von Millionen Karat annehmen können und wahrscheinlich über tausende von Jahren hinweg langsam zum Planetenkern sinken. Dort bilden sie möglicherweise eine gigantische Diamantenschicht.

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„Aus unseren Erkenntnissen können wir außerdem Informationen gewinnen, um den Aufbau von kosmischen Giganten außerhalb unseres Sonnensystems besser zu verstehen“, sagt Kraus. Bei den Exoplaneten können Forscher durch raffinierte astronomische Verfahren zwei Kenngrößen erfassen: die Masse und den Radius. Das Verhältnis zwischen den beiden Größen liefert dann wiederum Anhaltspunkte über den chemischen Aufbau. „Und die chemischen Prozesse im Inneren verraten uns dann Aspekte über entscheidende Eigenschaften der Planeten. Dadurch können wir die Planentenmodelle verbessern“, sagt Kraus.

Neben den astrophysikalischen Erkenntnissen könnte in ihrer Forschung aber auch praktischer Nutzen stecken, betonen die Forscher. Nano-Diamanten, wie sie in den Experimenten entstehen, werden nämlich auch für elektronische Instrumente und medizinische Verfahren sowie als Schneidstoffe in der industriellen Fertigung verwendet. Derzeit werden diese Diamanten hauptsächlich durch Sprengungen hergestellt. Die Produktion mittels Lasern könnte eine sauberere und leichter zu kontrollierende Herstellung ermöglichen, sagen die Forscher.

Originalarbeit der Forscher:

© wissenschaft.de – Martin Vieweg
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