Fest und flüssig zugleich: Studie belegt bizarre Eigenschaften des Erdkerns

Was geschehen ist – die Kernmeldung ausführlich

Einem Forschungsteam des Instituts Science Tokyo ist ein bedeutender Durchbruch in der Geowissenschaft gelungen. Die Wissenschaftler konnten erstmals experimentell nachweisen, dass Materialien unter den extremen Bedingungen, wie sie im Inneren unseres Planeten herrschen, einen bizarren Aggregatzustand annehmen können. Lange Zeit galt die Vorstellung, dass der Erdkern strikt in einen festen inneren Bereich und einen flüssigen äußeren Bereich unterteilt ist. Diese klassische Lehrmeinung wird nun durch den Nachweis sogenannter superionischer Legierungen herausgefordert. In diesem Zustand verhalten sich Materialien gleichzeitig wie Festkörper und Flüssigkeiten. Während die Eisenatome in einer starren Kristallstruktur verankert bleiben, bewegen sich leichtere Elemente wie Wasserstoff, Sauerstoff oder Kohlenstoff wie in einer Flüssigkeit durch dieses Gitter hindurch. Die Ergebnisse dieser Untersuchung wurden in der Fachzeitschrift Nature Geoscience veröffentlicht und liefern eine physikalische Grundlage für Phänomene, die Geologen bisher vor Rätsel stellten. Die Forscher konnten zeigen, dass Eisenhydrid unter extremem Druck und hohen Temperaturen tatsächlich diese hybride Eigenschaft annimmt, was die Dynamik im Inneren der Erde in einem völlig neuen Licht erscheinen lässt.

Die Einzelheiten – Zahlen, Namen und wissenschaftliche Fakten

Die experimentelle Anordnung, mit der das Team am Institut Science Tokyo arbeitete, war hochkomplex. Um die Bedingungen des Erdkerns zu simulieren, nutzten die Forscher kleine Diamant-Ambosse, um Eisenhydrid-Proben einem enormen Druck von bis zu 110 Gigapascal auszusetzen. Zum Vergleich: Bereits bei einem Druck von 6 Gigapascal wandelt sich Graphit in Diamant um, was die Dimensionen der Belastung verdeutlicht. Zusätzlich wurde die Probe mittels Lasertechnik auf Temperaturen von über 2000 Kelvin erhitzt. Während dieses Prozesses beobachteten die Wissenschaftler mittels Röntgenbeugung eine signifikante Anomalie bei der Wärmeausdehnung der Eisenhydrid-Kristalle. Bis zu einer Temperatur von 1590 Kelvin stieg die Wärmeausdehnung kontinuierlich an, um danach steil abzufallen. Diese charakteristische Kurve, die einem umgedrehten V ähnelt, gilt als Indikator für den Übergang in eine superionische Phase. In einem weiteren Versuchsteil legten die Forscher eine elektrische Spannung an die Kristalle an. Dabei konnte beobachtet werden, dass Wasserstoffatome tatsächlich durch das Material wanderten, wenn auch mit einer überraschend geringen Geschwindigkeit. Berechnungen ergaben, dass der Wasserstoff für die Durchquerung des gesamten inneren Erdkerns mehr als hundert Mal so lange benötigen würde, wie die Erde bisher existiert.

Hintergrund – Die geologische Vorgeschichte

Die Vorstellung von einem Erdkern, der aus einer festen Eisen-Nickel-Legierung im Inneren und einer flüssigen Legierung im äußeren Bereich besteht, ist fester Bestandteil der geologischen Lehrmeinung und findet sich so in Schulbüchern und Lexika wieder. Doch diese einfache Einteilung stößt bei der physikalischen Betrachtung der extremen Bedingungen an ihre Grenzen. Schon seit längerer Zeit legten theoretische Simulationen nahe, dass superionisches Eisenhydrid, chemisch als FeHX bezeichnet, im Erdkern existieren könnte. Der Nachweis blieb jedoch lange Zeit aus, da die Bedingungen im Zentrum unseres Planeten – ein Druck von über 300 Gigapascal und Temperaturen von mehr als 6000 Kelvin – im Labor nur schwer zu replizieren sind. Die Forschungsgruppe aus Japan hat nun die Brücke zwischen theoretischer Modellierung und praktischer Beobachtung geschlagen. Die Suche nach diesem Zustand war auch deshalb so dringlich, weil klassische Modelle nicht erklären konnten, warum sich seismische Wellen im Erdkern anders verhalten als erwartet. Die nun gewonnenen Erkenntnisse bestätigen, dass die Materie im Kern weit komplexer organisiert ist, als es die einfache Unterscheidung zwischen fest und flüssig vermuten lässt.

Die Beteiligten – Wer forscht und wer entscheidet

Die maßgeblichen Akteure hinter dieser Entdeckung sind die Forschenden des Instituts Science Tokyo. Sie zeichnen für die experimentelle Durchführung und die Interpretation der Daten verantwortlich. Die Ergebnisse wurden in der renommierten Fachzeitschrift Nature Geoscience publiziert, die als Plattform für den wissenschaftlichen Austausch dient. Gregor Honsel, der die Ergebnisse für das Portal MIT Technology Review aufbereitet hat, fungiert als Berichterstatter. Die Arbeit stützt sich zudem auf die theoretischen Vorarbeiten zahlreicher Geologen, die über Jahre hinweg Simulationen zur Beschaffenheit des Erdkerns durchgeführt haben. Obwohl keine expliziten politischen Entscheidungsträger genannt werden, ist die Bedeutung der Studie für die geologische Fachwelt immens, da sie die Grundlage für zukünftige seismologische Modelle bildet. Die Beteiligten haben durch ihre präzise Arbeit mit Diamant-Ambossen und Röntgenbeugungsmethoden einen Standard gesetzt, der die bisherige Lehrmeinung zur Struktur des Erdkerns grundlegend infrage stellt und neue Forschungsfelder eröffnet.

Einordnung – Was das bedeutet

Den Berichten zufolge ist die Entdeckung des superionischen Zustands von Eisenhydrid ein entscheidender Puzzlestein für das Verständnis unseres Planeten. Einzuordnen ist das so: Die Wissenschaftler haben eine physikalische Erklärung für ein altes geologisches Rätsel gefunden. Seismische Sekundärwellen, die den Erdkern durchlaufen, bewegen sich langsamer, als es die bisherigen Modelle vorhersagten. Die größere Beweglichkeit der Wasserstoffatome innerhalb der superionischen Legierungen könnte dazu führen, dass das Material im Kern „weicher“ reagiert und dadurch seismische Scherungen dämpft. Dies erklärt die Diskrepanz zwischen den theoretisch erwarteten und den tatsächlich gemessenen Geschwindigkeiten der Wellen. Es handelt sich hierbei um eine fundamentale Korrektur unseres Bildes vom Erdinneren. Dennoch betonen die Forscher, dass die Ergebnisse keine praktischen Auswirkungen auf aktuelle Debatten, wie etwa die Hoffnung auf die Gewinnung von „weißem Wasserstoff“ aus dem Erdinneren, haben. Der eingeschlossene Wasserstoff ist aufgrund seiner extrem langsamen Diffusionsrate für den Menschen unerreichbar und bleibt auf absehbare Zeit im Kern gebunden.

Offene Fragen – Was der Quelltext nicht beantwortet

Obwohl die Studie eine wichtige Lücke im Verständnis des Erdkerns schließt, bleiben zahlreiche Fragen offen, die der Quelltext nicht adressiert. Es wird nicht erläutert, in welchem exakten Mengenverhältnis das superionische Eisenhydrid im Vergleich zu anderen Materialien im Erdkern vorkommt. Auch die Frage, wie genau die Interaktion zwischen den verschiedenen leichten Elementen wie Sauerstoff oder Kohlenstoff und dem Eisen unter diesen Bedingungen abläuft, bleibt unbeantwortet. Der Text erwähnt zwar die Dämpfung seismischer Wellen, lässt jedoch offen, ob es noch weitere geophysikalische Auswirkungen gibt, etwa auf das Magnetfeld der Erde oder die Konvektionsströme im äußeren Kern. Zudem wird nicht geklärt, ob die im Labor erreichten 110 Gigapascal ausreichen, um die Bedingungen im gesamten Kernbereich vollständig abzubilden, da dort laut Text Drücke von über 300 Gigapascal herrschen. Die Frage, ob es noch andere Materialien gibt, die unter diesen Extrembedingungen ähnliche superionische Eigenschaften zeigen könnten, bleibt ebenfalls Gegenstand künftiger Spekulationen und weiterer wissenschaftlicher Untersuchungen.

Wie es weitergeht – Ausstehende Schritte

Die Veröffentlichung der Ergebnisse in Nature Geoscience markiert einen wichtigen Meilenstein, doch die wissenschaftliche Arbeit ist damit nicht abgeschlossen. Die Forschenden haben durch ihre Versuche gezeigt, dass der Wasserstoff, der bei der Entstehung der Erde in den Kern gelangte, dort auf geologische Zeiträume hin fest eingeschlossen bleibt. Zukünftige Schritte werden sich darauf konzentrieren müssen, die gemessenen Daten zur Diffusionsrate des Wasserstoffs in umfassendere seismologische Modelle zu integrieren. Es bleibt abzuwarten, wie die geologische Fachwelt auf diese neuen Daten reagiert und ob die Modelle zur Ausbreitung seismischer Wellen nun flächendeckend angepasst werden. Da die Forscher bereits angekündigt haben, dass der Wasserstoff für die Durchquerung des Kerns extrem lange benötigt, ist davon auszugehen, dass keine weiteren Experimente zur direkten Extraktion oder Nutzung dieses Materials geplant sind. Die Forschung wird sich stattdessen auf die Verfeinerung der physikalischen Parameter konzentrieren, um die Dynamik des Erdinneren noch präziser abbilden zu können, wobei die experimentelle Technik der Diamant-Amboss-Zellen weiterhin eine zentrale Rolle spielen dürfte.