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Hochdruckforschung: Hexagonales superionisches Wassereis nachgewiesen
Einem Forscherteam gelang der Nachweis einer hexagonal dichtest gepackten Phase von superionischem Wassereis unter Bedingungen wie in Eisriesen.
Uranus (links) mit saisonaler Polkappe, aufgenommen mit der Nah-Infrarotkamera NIRCam des James-Webb-Teleskops, und die Aufnahme von Voyager 2 beim Vorbeiflug an Neptun im Jahr 1989.
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It was translated with technical assistance and editorially reviewed before publication.
Wenn es um Wassereis geht, denken die meisten an Eiswürfel. Tatsächlich ist H2O eine der vielgestaltigsten Substanzen überhaupt. Es gibt über 20 Kristallformen, die meisten davon nur aus dem Labor. Nun kommt eine weitere hinzu. Einem internationalen Forscherteam ist erstmals der Nachweis einer hexagonal dichtest gepackten Phase (hexagonal close-packed, hcp) von „superionischem Wassereis“ gelungen. Und zwar unter Bedingungen, wie sie tief im Inneren von Eisriesen wie Uranus und Neptun herrschen.
Zwei Millionen Atmosphären Druck, 2600 Kelvin Temperatur – und das Wasser schmilzt trotzdem nicht. Was nach einem Widerspruch klingt, ist seit Jahren einer der spannendsten Forschungsbereiche der Hochdruckphysik. Das Team um Alexis Forestier hat nach eigenen Angaben nun eine lange vorhergesagte Struktur experimentell nachweisen können. Die Ergebnisse erschienen in dem Artikel „Observation of Hexagonal Close-Packed Water Ice at Conditions in Ice Giant Planetary Interiors“ bei Physical Review Letters; ein Preprint liegt bereits seit Ende Oktober 2025 frei zugänglich auf arXiv vor.
Um zu verstehen, worum es geht, muss man sich vom Alltagseis verabschieden. Unter dem enormen Druck in den Tiefen von Eisriesen nimmt Wasser Zustände an, für die es auf der Erdoberfläche keine Entsprechung gibt, allen voran den superionischen.
Dabei passiert etwas Kurioses: Die schweren Sauerstoffatome bleiben in einem starren Kristallgitter sitzen, die leichten Wasserstoffkerne lösen sich dagegen aus ihren Bindungen und wandern frei durch dieses Gitter hindurch. Das Material ist damit gleichzeitig kristalliner Festkörper und – bezogen auf den Wasserstoff – Flüssigkeit. Weil die wandernden Protonen elektrische Ladung tragen, leitet superionisches Eis obendrein Strom.
Das Eis schmilzt in diesem Zustand nicht, weil der Druck die Sauerstoffatome so dicht zusammenpresst, dass die Bindungskräfte im Gitter die thermische Bewegungsenergie schlicht überwiegen. Die Hitze reicht dann nur noch, um die leichten Protonen in Bewegung zu versetzen – das Sauerstoffgerüst bleibt stehen. Vorhergesagt wurde dieser Zustand vor über 30 Jahren, der erste belastbare Laborbeweis gelang jedoch erst 2018.
Im superionischen Regime ordnet sich der Sauerstoff üblicherweise kubisch-flächenzentriert an (face-centered cubic, fcc). Die Atome sitzen dabei an den Ecken und in den Flächenmitten eines gedachten Würfels, die Atomlagen stapeln sich in der Folge ABCABC. Diese Variante trägt die Bezeichnung Eis XVIII, schlicht die achtzehnte bekannte Kristallform von Wassereis.
Die Theorie sagte allerdings seit Jahren voraus, dass bei noch höherem Druck eine Konkurrenzstruktur die Oberhand gewinnen sollte: eben hcp. Hier folgen die Schichten dem Muster ABAB. Man kann sich beides als Stapel identischer Kugeln vorstellen – es gibt einfach mehrere Möglichkeiten, Lagen so aufeinanderzusetzen, dass die Packung maximal dicht bleibt. Genau diese vorhergesagte hcp-Variante hatte bisher niemand zweifelsfrei beobachtet.