von DIRK EIDEMÜLLER
„Die Reise zum Mittelpunkt der Erde“ (1864) ist ein literarisches Meisterwerk des französischen Schriftstellers Jules Verne, der mit seinen fantastischen Romanen Generationen von Lesern begeistert hat. Genauso wie „20.000 Meilen unter dem Meer“ (1869/70) spielt diese Geschichte tief unter der Erdoberfläche und offenbart eine ganz fremde Welt. Die Lektüre von Vernes Werken hat zahlreiche junge Leser inspiriert, sich näher mit der Naturwissenschaft zu beschäftigen und vielleicht sogar selbst zu forschen.
Was Jules Verne kaum geglaubt hätte: Heute ist es möglich, die Reise zum Mittelpunkt der Erde anzutreten. Zwar geht dies nicht persönlich – der immense Druck tief unter der Erde würde jeden zerquetschen, und die gewaltige Hitze würde alles versengen. Aber im Labor lassen sich die Bedingungen nachstellen sowie die Mineralien und chemischen Verbindungen analysieren, die unter diesen extremen Bedingungen entstanden sind. Und das gilt nicht nur für die Erde, sondern sogar für ferne Planeten (siehe bdw 9/2021, „Helium-Regen und ausgefranster Kern“).
Diamantstempel und Laserhitze
Forscher arbeiten heute mit zwei auf den ersten Blick sehr unterschiedlichen Methoden, um Materie unter höchstem Druck zu untersuchen.
Ein etabliertes Standardverfahren funktioniert mit Diamantstempelzellen oder -pressen. Hier werden zwei konisch geschliffene Diamanten mit ihren abgeflachten Spitzen aufeinander gedrückt, dazwischen befindet sich die Materialprobe. „Damit lässt sich ein extrem hoher Druck erzielen, weil Diamant unglaublich hart ist und weil sich die gesamte Kraft der Apparatur, in die die Diamanten eingespannt sind, auf die winzige Fläche der Diamantspitzen konzentriert“, sagt Natalia Dubrovinskaia. Die Professorin für Materialphysik an der Universität Bayreuth ist eine Spezialistin für Diamantstempel-Experimente. Da Diamanten durchsichtig sind, kann man die zusammengequetschte Materialprobe gut mit Laser- und Röntgenstrahlen untersuchen.
Das zweite Verfahren ist wesentlich jünger und beruht auf der Kompression von Materie durch Laserschocks: Kurze, hochenergetische Laserpulse werden auf ein kleines Stück Materie gelenkt, sodass sich dessen Oberfläche innerhalb kürzester Zeit sehr stark erhitzt. Es entsteht eine Schockwelle, die durch das Material läuft. In dieser kurzen Zeitspanne werden Bedingungen wie tief unter der Oberfläche großer Planeten erzeugt. „Mit Laserschocks können wir kurzfristig einen sehr hohen Druck und sehr hohe Temperaturen erreichen, wie sie etwa im Innern von Planeten vorliegen“, sagt Dominik Kraus. So herrschen im Zentrum der Erde Temperaturen von etwa 6000 Grad Celsius – mehr als an der sichtbaren Oberfläche der Sonne –, und der Druck beträgt ungefähr 3,5 Millionen Atmosphären (rund 355 Gigapascal).
