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Neue Hochdruckexperimente deuten darauf hin, dass der Erdkern im Innern kein gewöhnlicher Festkörper ist, sondern ein hybrides, sogenanntes superionisches Material: Eisen behält seine kristalline Ordnung, während leichte Elemente wie Kohlenstoff sich durch diese Eisenstruktur bewegen wie in einer Flüssigkeit. Dieses unerwartete Verhalten liefert eine elegante Lösung für seismische Rätsel, die Geowissenschaftler seit Jahrzehnten beschäftigen.
Der innere Kern der Erde könnte demnach kein konventioneller Festkörper sein, sondern ein superionisches System, in dem leichte Atome quasi flüssig durch ein starres Eisen-Gitter driften. Neue experimentelle Ergebnisse zeigen, dass dieser ungewöhnliche Zustand den Kern deutlich weicher macht und so mit seismischen Hinweisen übereinstimmt, die lange Zeit schwer erklärbar waren. Diese Erkenntnis verbindet Felder wie Hochdruckphysik, Seismologie, molekulare Simulationen und Geochemie.
Ein anderer Festkörper: Was ist superionische Materie?
Viele Menschen verbinden Festkörper mit starrer, auf atomarer Ebene unbeweglicher Struktur. Superionische Materialien durchbrechen genau diese Vorstellung. In einer superionischen Phase bleibt eine Teilsublattice – in der Regel gebildet aus schweren Atomen wie Eisen – über große Distanzen kristallin und geordnet. Gleichzeitig bewegen sich leichte Atome sehr mobil durch die Zwischengitterplätze (Interstitialräume) und verhalten sich in ihren Transporteigenschaften eher flüssig. Das Ergebnis ist ein einzelnes Material, das in verschiedenen physikalischen Eigenschaften gleichzeitig fest und flüssig-ähnlich erscheint.
Wendet man dieses Konzept auf den inneren Kern an, dann bedeutet das: ein hexagonal dichtgepacktes (hcp) Eisen-Gerüst kann seine Kristallstruktur behalten, während Kohlenstoffatome schnell zwischen Gitterplätzen diffundieren. Die mechanischen Konsequenzen sind markant: der Scherwiderstand sinkt, die Scherwellen werden langsamer, und die effektive Poisson-Zahl erhöht sich – genau jene Parameter, die Seismologen seit langem messen, für die aber herkömmliche Eisen‑Legierungs‑Modelle oder reines Eisen keine befriedigende Erklärung lieferten. Solche Änderungen in Schermodul, Elastizitätsmodul und Poisson‑Verhältnis sind direkte Indikatoren für veränderte mikroskopische Bewegungsfreiheiten und Transportmechanismen im Material.
Rekonstruktion von Kernbedingungen: Das Schockkompressions‑Experiment
Ein Forscherteam unter Leitung von Prof. Youjun Zhang und Dr. Yuqian Huang (Sichuan University) sowie Prof. Yu He (Institute of Geochemistry, Chinese Academy of Sciences) hat eine dynamische Schockkompressions‑Plattform genutzt, um Eisen‑Kohlenstoff‑Proben in den extremen Druck‑ und Temperaturbereich zu bringen, wie er im Erdinnern herrscht. Die Proben wurden auf Geschwindigkeiten von rund 7 Kilometern pro Sekunde beschleunigt; dabei entstanden Spitzendrücke in der Größenordnung von etwa 140 Gigapascal und Temperaturen nahe 2600 Kelvin – Bedingungen, die mit denen im inneren Kern vergleichbar sind. Solche Schockexperimente erlauben die kurzzeitige Erzeugung von Zuständen, die unter statischen Laborbedingungen nur schwer oder gar nicht zugänglich wären.
Messmethode und experimentelle Kombination
Während die Proben diesen transienten, aber extrem intensiven Bedingungen ausgesetzt waren, kombinierte das Team in-situ Messungen der Schallgeschwindigkeit mit molekulardynamischen Simulationen und weitergehenden Analysen der Elastizitätsparameter. Die experimentellen Daten zeigten einen deutlichen Abfall der Scherwellen‑Geschwindigkeit (Vs) und einen Sprung in der Poisson‑Zahl – genau die seismischen Signaturen, die in Studien zur Tiefenerde beobachtet wurden. Auf atomarer Skala deuteten Simulationen und Strukturuntersuchungen darauf hin, dass Kohlenstoffatome mit flüssigkeitsähnlicher Mobilität innerhalb eines intakten Eisen‑Gitters diffundieren. Diese Kombination aus Hochdruckexperimenten und theoretischer Modellierung liefert robuste Hinweise für ein superionisches Verhalten unter innerkernähnlichen Bedingungen.
Technisch gesehen wurden in den Messungen sowohl longitudinale (P‑Wellen) als auch transversale (S‑Wellen) Geschwindigkeiten verfolgt; aus diesen Werten lassen sich Elastizitätsmodule und Poisson‑Verhältnis bestimmen. Die zeitaufgelösten Messungen erlauben zudem Einschätzungen zur Dynamik der Anordnung: wie schnell Atome auf Schockeinwirkung reagieren, wie Diffusionsvorgänge skalenabhängig ablaufen und in welchem Maße thermische Aktivierung und Druck die Beweglichkeit leichter Spezies beeinflussen.
Eisenatome bilden eine starre hexagonal dichtgepackte (hcp) Struktur, wobei ein Teil dieser Atome kollektive Bewegungen entlang der [100]‑ und [010]‑Richtungen zeigt. Innerhalb dieses hcp‑Eisengitters diffundieren interstitielle leichte Elemente frei in flüssigkeitsähnlicher Weise, während substitutionelle leichte Elemente an ihre jeweiligen Gitterplätze gebunden bleiben. Folglich existiert der innere Kern der Erde in einem hybridisierten Zustand, der sowohl festkörperliche als auch flüssigkeitsähnliche Eigenschaften kombiniert. Quelle: Huang et al.
Warum das für Seismologie und Geodynamo wichtig ist
Seismologen haben beobachtet, dass der innere Kern Scherwellen langsamer überträgt als erwartet für ein dichtes Eisenmetall; die gemessene Poisson‑Zahl ist anomal hoch – eher vergleichbar mit weichen Metallen oder sogar einigen Polymeren als mit hartem Stahl. Das superionische Modell erklärt beide Phänomene: mobile Kohlenstoffatome reduzieren die Schersteifigkeit (Shear Modulus), ohne die kristalline Ordnung des Eisens aufzulösen. Dadurch entsteht genau die mechanische Signatur, die seismische Netzwerke aufzeichnen. Diese Erklärung ist konsistent mit Beobachtungen zur inneren Kernanisotropie, also Richtungsabhängigkeit der seismischen Ausbreitungsgeschwindigkeit, und lässt Raum für unterschiedliche Anteile interstitieller und substitutioneller Fremdatome.
Über die seismischen Eigenschaften hinaus könnten mobile leichte Elemente interne Prozesse antreiben oder modulieren. Die Diffusion von Kohlenstoff und anderen leichten Spezies trägt zur chemischen Transportdynamik bei, beeinflusst Anisotropie (richtungsspezifische seismische Geschwindigkeiten) und kann zusätzliche, zuvor nicht berücksichtigte Energietransporte für den Geodynamo liefern – den Mechanismus, der das Erdmagnetfeld erhält. Solche atomaren Bewegungen repräsentieren auf Mikroskala eine subtile, aber potenziell wichtige Energiequelle für planetare magnetische Aktivität, zumal Diffusionsprozesse Wärme und chemische Potenziale innerhalb des Kerns umverteilen können.
Darüber hinaus hat die verringerte Schersteifigkeit direkte Konsequenzen für die Interpretation seismischer Tomographie und Inversionen. Modelle, die bisher von starren Eisen‑Legierungen ausgingen, könnten die erreichte Dämpfung, die Abschwächung von S‑Wellen oder die beobachtete Frequenzabhängigkeit der seismischen Signale falsch einordnen. Das superionische Szenario erlaubt dagegen realistische Elastizitätsprofile, die besser mit seismischen Daten korrelieren, und liefert damit eine verbesserte Grundlage für die Rekonstruktion von Temperatur‑, Druck‑ und Kompositionsprofilen im inneren Kern.
Breitere Folgen: Planetare Innenräume und Materialwissenschaft
Die Entdeckung formt grundlegend um, wie wir planetare Innenräume modellieren. Wenn interstitielle leichte Elemente unter extremem Druck und hoher Temperatur superionische Phasen erzeugen können, dann könnte ähnliches Verhalten auch in anderen terrestrischen Planeten oder großen Exoplaneten auftreten. Das hätte direkte Auswirkungen auf ihre thermische Entwicklung, die Struktur ihrer magnetischen Felder und ihre seismischen Signaturen, falls diese messbar wären. Beispielsweise könnten Superionen‑Phasen in Supererden oder massereichen Gesteinsplaneten die Wärmeleitung, Konvektionsmuster und chemische Entmischung anders steuern als bisher angenommen.
Für die Materialwissenschaft demonstrieren diese Experimente, wie Techniken für Extremzustände unerwartete Materiezustände offenbaren und zugleich auf neue Klassen von Hochdruckmaterialien mit gemischten Transporteigenschaften hinweisen. Solche Materialien kombinieren feste und flüssige Transportmechanismen, was für Anwendungen in der Hochdruckforschung, in der Entwicklung elektrischer Leiter unter extremen Bedingungen oder in der Synthese neuartiger Werkstoffe von Interesse sein könnte. Die Erkenntnis, dass ein kristallines Gitter gleichzeitig flüssigkeitsähnliche Ionentransporte erlauben kann, öffnet konzeptionelle Wege für Materialien mit maßgeschneiderten mechanischen und elektrischen Eigenschaften.
Expertise und kontextuelle Einordnung
„Diese Arbeit liefert einen greifbaren Mechanismus, um seismische Beobachtungen mit der Chemie des Kerns in Einklang zu bringen“, sagt die fiktive Planetenphysikerin Dr. Elena Morrison, die an der Studie nicht beteiligt war. „Die Vorstellung, dass Kohlenstoff sich wie eine schnell bewegliche Flüssigkeit verhalten kann, während Eisen kristallin bleibt, zwingt uns dazu, die Dynamik des inneren Kerns neu zu denken – und magnetfeldbezogene Modelle zu überarbeiten, die auf konservativeren Annahmen beruhten.“
Prof. Zhang fasst die Bedeutung prägnant zusammen: „Zum ersten Mal haben wir experimentell gezeigt, dass eine Eisen‑Kohlenstoff‑Legierung unter Bedingungen des inneren Kerns eine bemerkenswert niedrige Scherwellen‑Geschwindigkeit zeigt. Kohlenstoffatome werden hochmobil und diffundieren durch das kristalline Eisen‑Gerüst wie Kinder, die durch einen Quadrat‑Tanz wirbeln, während das Eisen selbst fest und geordnet bleibt.“
Blickt man nach vorn, werden Folgearbeiten andere leichte Elemente wie Sauerstoff, Schwefel und Silizium untersuchen und erforschen, wie gemischte interstitielle‑substitutionelle Chemien das superionische Verhalten modulieren. Verbesserten seismischen Inversionen, erweiterte Hochdruckexperimente – sowohl dynamisch als auch statisch – sowie verfeinerte rechnerische Modelle werden nötig sein, um Zusammensetzung, Phasenstabilität und Dynamik des inneren Kerns präziser zu kartieren. Insbesondere werden Integrated‑Modelle gefragt sein, die seismische Daten, Hochdruckexperimente und atomistische Simulationen zu konsistenten Inferenzketten verbinden.
Die Identifikation superionischer Eigenschaften im tiefsten Inneren der Erde ist mehr als ein spezialisiertes mineralogisches Resultat. Sie verknüpft Labormessungen, Seismologie, Planetologie und Materialforschung und bietet eine einheitliche Erklärung für Anomalien, die über Jahrzehnte persistierten. Zugleich weist sie neue Forschungsrichtungen in der Untersuchung planetarer Innenräume auf: von der genauen Bestimmung der Zusammensetzung des Kerns bis zur Modellierung seines Beitrags zur langfristigen Entwicklung des Erdmagnetfelds.
Quelle: scitechdaily
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