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Stellen Sie sich das häufigste Element im Universum vor, eingeschlossen an einem Ort, den kein Kübel, keine Leitung und keine Sonde erreichen kann. Von der Oberfläche aus wirkt die Erde wasserreich und von Wasserstoff durchdrungen — Ozeane, Regen und organische Moleküle sind allgegenwärtig. Doch was, wenn der größte Teil des Planeten‑Wasserstoffs niemals die tiefe Innenzone verlassen hat? Neue Laborergebnisse deuten darauf hin, dass der Erdkern ein weitaus größerer Wasserstoffspeicher sein könnte als bisher angenommen. Diese Möglichkeit verändert grundlegend unsere Vorstellungen darüber, woher das Wasser der Erde stammt und wie sich der Planet geologisch und chemisch entwickelt hat.
Kurzfassung: Wasserstoff vermischt sich unter extremen Bedingungen leicht mit geschmolzenem Eisen. Langfassung: Unter Bedingungen, die denen des frühen Erdkerns nahekommen, löst sich Wasserstoff in eisenreichen Legierungen und bindet sich an Silizium und Sauerstoff, wodurch er effektiv im metallischen Inneren des Planeten sequestriert wird. Dieser Prozess könnte enorme Mengen dieses Elements verbergen — nicht nur Spurenmengen, sondern möglicherweise ein Vielfaches des Wasserstoffs in allen Ozeanen der Erde.
Rekonstruktion der Kernbedingungen im Kleinformat
Ein Forscherteam unter der Leitung von Dongyang Huang von der Peking University setzte eine Diamantstempelzelle (Diamond Anvil Cell) ein, um winzige Proben auf Drücke von etwa 111 Gigapascal zu pressen und gleichzeitig auf rund 5.100 Kelvin zu erhitzen. Diese Druck‑ und Temperaturwerte kommen der Umgebung im tiefen Erdinneren vergleichsweise nahe — der äußere Kern beginnt bei etwa 136 Gigapascal, und die Temperatur im Kern wird auf rund 5.000 bis 6.000 K geschätzt. Innerhalb der Stempelzelle war eine kleine Eisenkugel in hydratisiertes Silikatglas eingebettet. Unter extremer Kompression und Hitze schmolz die Probe, die Komponenten mischten sich, und Eisen, Silizium, Sauerstoff sowie Wasserstoff verhielten sich so, wie sie es während der geschmolzenen, formenden Stadien des Planeten getan haben könnten.
Das Experiment bildet die Bedingungen nur unvollkommen ab. Diamantstempel‑Experimente laufen meist nur Sekunden bis Minuten, und die erreichbaren Spitzenwerte lagen etwas unter den tiefsten Kernbedingungen. Dennoch reicht dieses flüchtige Fenster aus, um chemische Reaktionen und Partitionierungsverhalten zu beobachten, die unsere Modelle informieren. Im Versuchsaufbau wanderte der Wasserstoff in die Eisenlegierung und verband sich dort mit Silizium und Sauerstoff — ein plausibles Analogon dafür, wie Wasserstoff in den sich bildenden Kern vor Milliarden von Jahren eingeschlossen worden sein könnte.
Technisch handelt es sich bei solchen Hochdruckexperimenten um anspruchsvolle Messungen: Probenränder, Hedging‑Effekte durch Diffusion, die Kontrolle der Wasserstoffaktivität und die Analyse von mikroskopisch kleinen Einschlüssen erfordern synchrone Untersuchungen etwa mittels Röntgenbeugung, Elektronenmikroskopie und spektralen Methoden. Solche Messkombinationen ermöglichen es, Bindungszustände, Phasenbildung und Kationenverteilung zu bestimmen — wichtige Parameter für die Abschätzung, wie effizient Wasserstoff in metallische Phasen einwandert.
Geophysiker vermuten seit Langem, dass der Erdkern leichte Elemente enthält, weil seismische Messungen zeigen, dass er weniger dicht ist als reines Eisen. Silizium wird bereits als Kandidat angesehen und dürfte zwischen etwa 2 und 10 Gewichtsprozent des Kerns ausmachen. Unter Verwendung dieser Siliziumschätzungen und der im Labor beobachteten Wasserstoff‑Silizium‑Bindung schätzte Huangs Team, dass Wasserstoff etwa 0,07 bis 0,36 Prozent der Kernmasse ausmachen könnte.
Solche Zahlen sind nicht ohne Bedeutung. Dieser Massenanteil entspricht grob 1,35 bis 6,75 Sextillionen Kilogramm Wasserstoff — das sind zwischen etwa 9 und 45 Mal so viel Wasserstoff wie in allen Ozeanen der Erde gebunden ist. Aus der Ferne betrachtet würde der Planet trocken erscheinen, während tief im Inneren ein enormer metallischer Vorrat des leichtesten Elements verborgen liegt.
Warum das wichtig ist: Ursprünge, Kreisläufe und planetarer Vergleich
Der in den Kern sequestrierte Wasserstoff verändert gleichzeitig mehrere zentrale Erzählungen. Erstens: die Herkunft des irdischen Wassers. Wurde so viel Wasserstoff bereits während der Akkretionsphase in den Kern eingefangen, könnte ein erheblicher Anteil des Wassers der Erde bereits während der Hauptphasen der Planetenbildung angeliefert und eingebunden worden sein — und nicht erst später durch eisige Kometen. Das verschiebt Zeitlinien für die Lieferung flüchtiger Stoffe (Volatile) und hat weitreichende Folgen dafür, wann und wie Ozeane und Atmosphären an der Oberfläche entstanden sind. Diese Frage nach der Wasser‑Quelle berührt Disziplinen wie die Planetenbildung, kosmochemische Isotopenanalysen (z. B. D/H‑Verhältnis) und Modelle der frühen thermischen Evolution.
Zweitens: Kernchemie und Dynamik. Wenn Wasserstoff in Eisenlegierungen integriert ist, verändert dies Dichte, Schmelzverhalten und elektrische Leitfähigkeit — Faktoren, die direkt mit der Entstehung und dem Erhalt des Erdmagnetfeldes verbunden sind. Ein wasserstoffhaltiger Kern könnte die Modelle zur thermisch‑chemischen Konvektion im äußeren Kern maßgeblich beeinflussen und damit unser Verständnis der geomagnetischen Geschichte und der dynamo‑Mechanismen ändern. Beispielsweise kann ein veränderter Schmelzpunkt die Stabilität von Konvektionszellen beeinflussen und damit auch die Energiequellen, die den Geodynamo antreiben.
Drittens: eine breitere planetare Perspektive. Wenn Wasserstoff während der Planetenbildung leicht in metallische Kerne gezogen wird, dann könnten felsige Planeten, die aus der Ferne als trocken erscheinen, ebenfalls bedeutende interne Volatilreserven beherbergen. Das beeinflusst, wie wir Exoplanetendaten interpretieren und welche Welten möglicherweise subsurface Ozeane oder volatilegetriebene Prozesse besitzen. Insbesondere für Super‑Erden und terrestrische Exoplaneten ist die Frage nach der inneren Verteilung von flüchtigen Stoffen entscheidend für Einschätzungen zur Habitabilität.
Die Veröffentlichung von Huang ist in ihren Aussagen bewusst zurückhaltend. Das Team betont, dass endgültige Antworten weitere Experimente über den vollen Bereich der Kern‑Druck‑ und Temperaturbedingungen, verbesserte Modelle zur Elementpartitionierung und engere Einschränkungen zur frühen chemischen Zusammensetzung der Erde erfordern. Trotzdem ist das Ergebnis eindrücklich: Der Wasserstoff, den wir in Ozeanen und Gesteinen finden, könnte nur eine kleine Probe des wahren Inventars der Erde darstellen.
Vertiefende technische Einblicke und Modelle
Um die Bedeutung der Laborergebnisse einzuordnen, lohnt sich ein Blick auf die relevanten physikalisch‑chemischen Mechanismen. In Hochdrucksystemen verändert sich die chemische Potenziallandschaft: Bindungsenergien können so weit verschoben werden, dass bisher instabile Konfigurationen stabil werden. Wasserstoff in Eisen gestaltet sich in verschiedenen Formen — als interstitielles Atom, als hydridische Phase (Eisenhydrid) oder gebunden in Legierungsphasen zusammen mit Silizium und Sauerstoff. Die Partitionierungskoeffizienten (Kd) zwischen metallischer Phase und silikatischer Schmelze sind eine kritische Größe; sie bestimmen, wie viel Wasserstoff in die Metallphase übergeht.
Modellrechnungen zur frühen Differenzierung der Erde berücksichtigen Parameter wie: die Temperatur‑ und Druckverläufe während der Akkretion, die Zusammensetzung der einfallenden Planetesimale, die Oxidationsbedingungen (fO2) und die Schmelzdynamik. In reduzierteren Bedingungen ist die Aufnahme von Wasserstoff in metallische Phasen wahrscheinlicher. Weiterhin beeinflusst die Anwesenheit von Silizium im Kern die Fähigkeit des Systems, Wasserstoff zu stabilisieren, da Si‑H‑Bindungen energetisch günstig sein können — ein Effekt, den Huang et al. im Labor beobachteten.
Seismische Beobachtungen liefern zusätzliche Randbedingungen: Die Dichteanomalie des Kerns relativ zu reinem Eisen legt nahe, dass leichte Elemente vorhanden sind; deren genaue Identität (z. B. H, Si, O, S, C) sowie deren Mengenanteile bleiben Gegenstand intensiver Forschung. Labor‑Daten zu Elastizitätsmodulen, elektrischem Leitwert und Schallgeschwindigkeiten unter Hochdruckbedingungen helfen, mineralphysikalische Modelle mit geophysikalischen Messungen zu verknüpfen.
Begrenzungen der Studie und notwendige Folgeuntersuchungen
Wissenschaftlicher Fortschritt verlangt kritische Evaluation. Zu den wichtigen Einschränkungen zählen die kurzzeitige Erhitzung in Diamantstempelexperimenten, mögliche kinetische Effekte (die während der sehr kurzen Experimentiendauer auftreten können), und die Tatsache, dass die erreichbaren Maximaldrücke nicht vollständig die tiefsten Kernbedingungen erreichen. Außerdem sind Naturbedingungen während der Planetenbildung komplex: wiederholte Einschläge, variable Mischungsverhältnisse und graduelle Abkühlung beeinflussen die endgültige Verteilung von Elementen.
Um die Unsicherheiten zu reduzieren, sind mehrere Schritte sinnvoll: längere Hochdruckexperimente (z. B. mit Laserpuls‑Techniken), systematische Variation der Legierungszusammensetzung, gekoppelte in‑situ Analysen bei Peak‑Bedingungen, und verbesserte theoretische Modelle auf atomarer Ebene (DFT‑Berechnungen und Molekulardynamik). Zusätzlich werden geochemische Indikatoren wie Isotopenverhältnisse (z. B. D/H) und Vergleiche mit meteoritischer Zusammensetzung helfen, die Herkunft und den Zeitpunkt der Volatil‑Lieferung einzugrenzen.
Expert Insight
„Wenn sich diese Ergebnisse bestätigen, zwingen sie zu einer Neubewertung der Volatilbudgets während der Planetenbildung“, sagt Dr. Leah Rivera, Planetengeochemikerin an der University of Arizona. „Wasserstoff im Kern verändert nicht nur die Herkunft des Wassers, sondern auch, wie Planeten flüchtige Stoffe über geologische Zeiträume verlieren oder behalten. Das ist grundlegend für das Verständnis von Habitabilität.“
Weitere Laborarbeiten werden folgen. Forschende werden Drücke und Temperaturen weiter erhöhen, verschiedene Legierungszusammensetzungen erkunden und verfeinern, wie Wasserstoff, Silizium und Sauerstoff unter kernähnlichen Bedingungen interagieren. Parallel dazu werden Seismologie, Geomagnetismus und Hochdruck‑Mineralphysik die Konsequenzen eines wasserstoffführenden Kerns testen. Der Planet bewahrt seine Geheimnisse tief im Inneren. Doch mit jedem Experiment lüftet sich der Schleier ein Stück weit mehr, und die Chemie des Erdinneren beginnt immer plausibler zu erscheinen.
Für die breite Forschungsgemeinschaft ergeben sich unmittelbare Implikationen: Überarbeitete Modelle der Wärmebilanz der Erde, neue Szenarien für den langfristigen Kohlenstoff‑ und Wasserkreislauf, sowie veränderte Einschätzungen für die Interpretation exoplanetarer Spektraldaten. Konkrete Anwendungen könnten die Priorisierung von Messungen mittels Geodynamo‑Simulationen, Hochdrucklaboratorien und Weltraummissionen betreffen, die gezielt Daten sammeln, die Hinweise auf volatile Reservoirs liefern.
Zusammenfassend öffnet die Möglichkeit eines wasserstoffreichen Kerns neue Perspektiven auf die planetare Evolution, die Geodynamik und die Astrobiologie. Ob sich diese Hypothese als robust erweist, hängt von konzertierten Anstrengungen ab, die Labor, Beobachtung und Modellierung verbinden.
Quelle: sciencealert
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