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Eisenhydrid zeigt unter Erdkernbedingungen exotischen Materiezustand
Der feste innere Erdkern könnte einen ungewöhnlichen Materiezustand beherbergen. Experimente mit Eisenhydrid liefern direkte Hinweise darauf, dass sich Wasserstoff unter extremem Druck und hoher Temperatur durch ein weiterhin festes Eisengitter bewegen kann. Die Messungen sprechen für einen superionischen Zustand, reichen aber nicht bis zu den vollen Druckbedingungen des inneren Erdkerns.
Tokyo (Japan). Der innere Erdkern gilt als fest, doch seine seismischen Eigenschaften passen nicht vollständig zu einem gewöhnlichen Eisenkristall, weil sich vor allem Scherwellen ungewöhnlich langsam und je nach Richtung unterschiedlich ausbreiten. Dadurch ist offen, welche Rolle leichte Elemente im Eisengitter für diese Besonderheiten spielen.
Schon Simulationen hatten nahegelegt, dass der innere Erdkern superionisch sein könnte. In einem solchen Zustand bleibt das Gerüst aus Eisenatomen kristallin, während leichtere Bestandteile wie Wasserstoff zwischen den Gitterplätzen wandern, doch experimentell ließ sich dieses Verhalten in Eisenlegierungen unter kernähnlichen Bedingungen bisher kaum überprüfen.
Forscher des Institute of Science Tokyo (Science Tokyo) um Yoshihiro Nagaya haben nun flächenzentriert kubisches Eisenhydrid, kurz fcc FeHₓ, unter hohen Drücken und Temperaturen untersucht, und ihre Messungen liefern experimentelle Anzeichen für einen Übergang in den superionischen Zustand.
Dazu presste das Team winzige Eisenhydrid-Proben in einer Diamantstempelzelle zusammen, erhitzte sie mit Lasern und beobachtete das Kristallgitter während des Aufheizens mit zeitaufgelöster Röntgenbeugung am Synchrotron SPring-8. Die Studie berichtet Beobachtungen bis 140 Gigapascal, während im inneren Erdkern noch deutlich höhere Drücke herrschen.
Beim Erhitzen zeigte das Material zwischen rund 1.500 und 1.800 Kelvin eine charakteristische, λ-förmige Anomalie seiner Wärmeausdehnung, wie sie auch bei anderen superionischen Phasenübergängen auftritt. Aus Messungen bei verschiedenen Drücken leiteten die Forscher eine Phasengrenze ab und extrapolierten sie anschließend auf die höheren Drücke des inneren Erdkerns.
„Weil der superionische Zustand von Eisen-Leichtelement-Legierungen nur unter ultrahohem Druck und ultrahohen Temperaturen existiert, war er experimentell zuvor noch nie beobachtet worden. FeHₓ dürfte unter Bedingungen des inneren Kerns je nach Wasserstoffgehalt entweder eine hexagonal dicht gepackte oder eine flächenzentriert kubische Struktur annehmen“, sagt Kenji Ohta vom Institute of Science Tokyo (Science Tokyo).
Nach dieser Extrapolation liegt die Übergangstemperatur unter den für den inneren Erdkern angenommenen Temperaturen, was dafür spricht, dass Eisenhydrid dort superionisch sein könnte. Die Autoren formulieren das Ergebnis dennoch als experimentelle Hinweise, weil die entscheidenden inneren Kerndrücke nicht vollständig im Labor erreicht wurden und der reale Erdkern zudem weitere leichte Elemente enthält.
In einem zweiten Versuch legte das Team zusätzlich eine elektrische Spannung an die Probe an, worauf sich die Wasserstoffverteilung bei etwa 1.600 Kelvin abrupt veränderte. Nach dem schnellen Abkühlen fanden die Forscher auf der Anodenseite mehr und auf der Kathodenseite weniger Wasserstoff, was auf eine stark erhöhte Beweglichkeit der Wasserstoffatome im Eisengitter hindeutet.
Die daraus abgeschätzte Diffusion ist allerdings langsamer als frühere theoretische Rechnungen erwarten ließen. Unter dem Einfluss des Erdmagnetfelds würde Wasserstoff dem Modell zufolge in 10.000 Jahren nur ungefähr 0,1 Mikrometer zurücklegen, und für rund 1.200 Kilometer, etwa den Radius des inneren Erdkerns, wäre mehr als das Hundertfache des Erdalters nötig.