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Heißes Eis bei mehr als 2.300 Grad Celsius nachgewiesen
Heißes Eis: Unter Drücken wie tief in Uranus und Neptun kann Wasser trotz Temperaturen von mehr als 2.300 Grad Celsius kristallin bleiben. Experimente zeigen nun eine zuvor nur theoretisch erwartete, hexagonal dicht gepackte Eisphase. Oberhalb von 200 Gigapascal dominiert diese hcp-Struktur und dürfte dabei in einen superionischen Zustand übergehen.
Arpajon (Frankreich). Eis verbinden wir mit Kälte, doch unter extremem Druck verschiebt sich das Verhalten von Wasser grundlegend. Die Sauerstoffatome können dann ein festes Kristallgitter bilden, während die Wasserstoffkerne bei hoher Temperatur durch dieses Gitter wandern. Solches superionisches Eis vereint damit Eigenschaften eines Festkörpers und einer ionisch leitenden Flüssigkeit.
Für Uranus und Neptun ist dieser exotische Zustand besonders interessant. Modelle ihrer tiefen wasserreichen Schichten gehen davon aus, dass superionisches Eis dort einen Teil des Mantels ausmachen könnte. Bisher war für die dicht gepackten Sauerstoffatome vor allem eine kubisch flächenzentrierte Anordnung, kurz fcc, experimentell belegt. Eine hexagonal dicht gepackte Variante, hcp, hatten Rechnungen zwar vorhergesagt, eindeutig nachgewiesen war sie jedoch nicht.
Forscher des französischen Commissariat à l’Énergie Atomique et aux Énergies Alternatives (CEA) um Alexis Forestier haben diese Lücke nun geschlossen. Sie pressten winzige Wasserproben in Diamantstempelzellen auf bis zu 230 Gigapascal und erhitzten sie mit Lasern. Mit einem weniger als einen Mikrometer breiten Röntgenstrahl an der European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) verfolgten sie, wie sich die Sauerstoffatome im heißen Eis anordneten.
In einem ersten Versuch bei rund 80 Gigapascal zeigte sich die hcp-Struktur beim Abkühlen zunächst nur als Zwischenzustand. Aus dem fcc-Gitter entstanden Stapelfehler, bei denen sich die Reihenfolge dicht gepackter Sauerstofflagen verschob. Unterhalb von etwa 1.400 Kelvin tauchten neue Beugungssignale auf, die sich eindeutig einer hcp-Struktur zuordnen ließen. Bei 1.086 Kelvin lagen hcp-, fcc- und bcc-Bereiche gleichzeitig vor.
Entscheidend war der zweite Versuch bei deutlich höherem Druck: Bei 155 Gigapascal und 2.000 Kelvin enthielten die Röntgensignale sowohl fcc- als auch hcp-Anteile. Bei 197 Gigapascal und 2.250 Kelvin wurden die hcp-Reflexe stärker. Schließlich, bei 219 Gigapascal und 2.630 Kelvin, also rund 2.357 Grad Celsius, waren die fcc-Signale fast verschwunden und hcp dominierte klar.
Das spricht dafür, dass die hcp-Anordnung oberhalb von etwa 200 Gigapascal thermodynamisch günstiger wird als fcc. Der Übergang erstreckt sich den Daten zufolge über einen breiten Bereich von ungefähr 130 bis 200 Gigapascal und ähnelt einer martensitischen Umwandlung. Dabei verschiebt sich die Stapelfolge der dicht gepackten Sauerstofflagen.
Zusätzlich registrierte das Team bei rund 197 Gigapascal eine auffällige Wärmeausdehnung entlang einer Kristallachse. Eine ähnliche S-förmige Änderung hatte die Arbeitsgruppe zuvor als Kennzeichen des superionischen Übergangs bei fcc-Eis beobachtet. Für die neue hcp-Phase deutet das auf einen Übergang nahe 1.700 Kelvin hin. Die Protonenbewegung selbst wurde in diesem Experiment allerdings nicht direkt als elektrische Leitfähigkeit gemessen.
Auch ältere Messdaten bekommen damit eine neue Bedeutung: Ein zuvor nicht identifizierter Beugungspeak, der in einem früheren Versuch oberhalb von 130 Gigapascal aufgetreten war, passt nach der neuen Analyse wahrscheinlich zur hcp-Phase. Das neue Eis könnte daher in Hochdruckexperimenten schon erzeugt worden sein, ohne dass seine Struktur erkannt wurde.
Für Modelle von Uranus und Neptun könnte die andere Stapelung der Sauerstoffatome wichtig werden. Wenn hcp-Eis andere mechanische Eigenschaften oder eine andere elektrische Leitfähigkeit besitzt als fcc-Eis, könnte das die angenommene Schichtung und Dynamik ihrer superionischen Mäntel verändern. Ob das tatsächlich der Fall ist, ist noch offen, weshalb die Forscher vor allem