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Physik

Von „Heiß-Eis“ und planetaren Magnetfeldern

Der wasserreiche Planet Uranus besitzt ein ungewöhnliches Magnetfeld. (Bild: NASA's Scientific Visualization Studio)

Eis der skurrilen Art: Forscher haben neue Einblicke in die Entstehung von sogenanntem superionischem Eis bei Hitze und hohem Druck gewonnen. Es handelt sich dabei um eine kristalline Form von Wasser, die elektrisch leitend ist. Natürlicherweise könnte sie in den wasserhaltigen Planeten Uranus und Neptun vorkommen. Neben der Bedeutung für die physikalische Grundlagenforschung werfen die Erkenntnisse deshalb auch Licht auf die Entstehung der ungewöhnlichen Magnetfelder dieser beiden Himmelskörper.

Wir kennen Wasser als Dampf, Flüssigkeit oder Eis. Der letzte dieser drei Aggregatzustände ist bekanntlich kalt. Dabei handelt es sich allerdings nur um den Typ I der kristallinen Substanz. Bei dieser Version sind unter den irdischen Druckbedingungen und Temperaturen unter null Grad Celsius die Wassermoleküle in einem Gitter angeordnet, das durch Wasserstoffbrücken zwischen den Wasserstoff- und Sauerstoffatomen zusammengehalten wird. Doch das ist nicht die einzige mögliche Version von Wassereis: Unter extremen Temperatur- und Druck-Bedingungen können sich verschiedene weitere Formen mit unterschiedlichen Merkmalen bilden.

Von besonderem Interesse ist dabei eine Form, die als superionisches Eis bezeichnet wird. Bei besonders extremen Umgebungswerten bildet sich dabei eine spezielle kristalline Struktur aus: halb fest, halb flüssig und elektrisch leitend. Die Existenz von superionischem Eis wurde auf Basis diverser Modelle vorhergesagt und seine Bildung wurde sogar bereits unter extremen Laborbedingungen beobachtet. Doch einige Aspekte der Entstehung dieser buchstäblich spannenden Wassereisform sowie bestimmte Merkmale blieben bisher unklar. Ein internationales Forscherteam ist den Mysterien des extremen Wasserzustands deshalb nun weiter nachgegangen.

Heißes „Quetsch-Eis“ im Labor

Die Wissenschaftler erzeugten dazu in sogenannten Diamant-Stempelzellen von der Größe einer Computer-Maus Drücke von bis zu 150 Gigapascal – etwa 1,5-millionenfachen Atmosphärendruck. Durch Laser wurde dabei Wasser in dem winzigen Probenraum auf Temperaturen von bis zu 6227 Grad Celsius gebracht. Wie die Forscher erklären, herrschten somit Bedingungen, wie sie im Inneren der Planeten Neptun oder Uranus in einigen Tausend Kilometer Tiefe vorkommen. Wie sich unter diesen Bedingungen die Kristallstruktur von H₂O ändert, haben die Wissenschaftler mithilfe von Röntgenbeugung beobachtet. Um die elektrische Leitfähigkeit zu bestimmen, kamen zudem Verfahren der optischen Spektroskopie zum Einsatz.

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Wie die Forscher berichten, konnten sie im Verlauf der Experimente erfassen, wie sich die Struktur des Wassers veränderte. Zunächst bewegten sich demnach die Sauerstoff- sowie die Wasserstoff-Atome ein wenig um ihre fixen Positionen. Dann blieb nur noch der Sauerstoff derart stabil und bildete schließlich ein eigenes kubisches Kristallgitter aus. Bei weiter steigender Temperatur ionisierte der Wasserstoff und gab dabei sein Elektron an das Sauerstoffgitter ab. Der Atomkern – das positiv geladene Proton des Wasserstoffs – wurde dann innerhalb dieses Festkörpers beweglich. Dadurch entstand elektrische Leitfähigkeit, erklären die Wissenschaftler. Auf diese Weise bildete sich somit die Hybridversion aus fest und flüssig – das superionische Eis. Das Besondere war dabei: Die Forscher konnten nun zwei Kombinationen von Temperatur und Druck identifizieren, bei denen sich superionische Eisphasen bilden.

Bedeutung für die Planetenforschung

Von diesen Laborergebnissen ausgehend richtet Co-Autor Sergey Lobanov vom Deutschen GeoForschungsZentrum in Potsdam nun den Blick auf Uranus und Neptun: „Es kommen bei unserer Forschung grundlegende physikalische und geowissenschaftliche Interessen zusammen. Denn Wasser spielt für viele Planeten auch im Inneren eine wichtige Rolle – im Fall der stark wasserhaltigen Gasplaneten Uranus und Neptun auch für die Entstehung von deren ungewöhnlichen planetaren Magnetfeldern“, sagt Lobanov. Diese verlaufen nicht parallel und symmetrisch zur Rotationsachse wie im Fall der Erde, sondern liegen schief und nicht zentriert. Sie werden auch nicht durch die Bewegung von flüssigem Eisen im Kern erzeugt. Man nimmt an, dass die Magnetfelder der beiden Planeten stattdessen durch eine leitende, wasserreiche Schicht hervorgerufen werden.

Dazu liefern die neuen Erkenntnisse nun weitere Hinweise, berichten die Wissenschaftler: „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 der Planeten gelten. Anhand der von uns präziser vermessenen Phasengrenzen können wir nun ablesen, dass in beiden Planeten etwa das obere Drittel flüssig ist, und im tieferen Inneren superionisches Eis existiert. Das bestätigt damit Vorhersagen über den Ursprung der beobachteten Magnetfelder“, erklärt Lobanov.

Doch noch immer bleiben Fragen offen. Wie Lobanov ankündigt, sollen die Untersuchungen im Hochdrucklabor deshalb nun auch weitergehen. Anhand von immer genaueren Einblicken in die Entstehung und die Merkmale der Eisphasen wollen die Wissenschaftler die innere Struktur und das Magnetfeld der beiden Gasplaneten noch besser aufklären.

Quelle: Helmholtz-Zentrum Potsdam – Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ, Carnegie Institution for Science, Fachartikel: Nature Physics, doi: s41567-021-01351-8

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