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Laborreise ins Innere der Erde

bdw+ • Erde|Umwelt

21. Februar 2023

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Kohlenwasserstoff-Moleküle spalten sich in Kohlenstoff und Wasserstoff auf, wenn der Druck so gewaltig ist wie im Inneren von Riesenplaneten, etwa von Neptun. Die Kohlenstoff-Atome bilden daraufhin winzige Diamanten, die in die Tiefe regnen. Ein internationales Team um Dominik Kraus konnte diese Vorgänge experimentell nachahmen und mithilfe einer neuen Messmethode untersuchen: der Röntgen-Thomson-Streuung.
©Illustration: HZDR/SahneweißNatalia Dubrovinskaia hat an der Universität Moskau in Kristallographie und Kristallphysik promoviert, forschte dann an der Universität Uppsala in Schweden und habilitierte sich an der Universität Bayreuth, wo sie seit 2011 Professorin ist. Dort hatte sie mit ihrem Team bereits im Jahr 2005 aggregierte Diamant-Nanostäbchen hergestellt – damals das härteste Material der Welt. Ausgehend von glasigem Kohlenstoff synthetisierte sie 2012 zusammen mit ihrem Mann Leonid Dubrovinsky, der seit 2009 in Bayreuth eine Professur hat, Diamant-Mikrobälle. Mithilfe solcher Nanodiamanten ließ sich ein Druck von bis zu einem Terapascal erzeugen – was alles zuvor Mögliche deutlich übertraf.
©ESRFEheleute machen Hochdruck: Natalia Dubrovinskaia und Leonid Dubrovinsky an der European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) im französischen Grenoble. Die starken Röntgenlaser dort sind bestens geeignet, um die Struktur und Eigenschaften von Materie unter extremen Druckbedingungen zu messen.
©ESRFMit einer zweistufigen Diamantstempelzelle (linkes Foto) erzeugten Natalia Dubrovinskaia und ihr Team den höchsten statischen Druck, der jemals in einem Labor erreicht wurde. Die Apparatur besteht aus zwei geschliffenen Diamanten, an deren abgeflachter Spitze jeweils ein winziger Stempel aus noch härterem, nanokristallinen Diamant angebracht ist. Er setzt sich aus vielen winzigen Einzelkristallen zusammen. Zwischen den Stempeln kann man verschiedene Stoffe einbringen und mit einem Rekorddruck von bis zu einem Terapascal zusammenpressen – das entspricht dem dreifachen Druck im Erdkern. Im rechten Foto ein Blick ins „Hochdruckgebiet“ im Inneren der Diamantstempelzelle.
©Leonid DubrovinskyDie Advanced Photon Source ist eine Synchrotronstrahlungsquelle am Argonne National Laboratory, rund 40 Kilometer südwestlich von Chicago gelegen. Hier haben Natalia Dubrovinskaia und ihr Team mit einer Diamantstempelzelle in einer Druckkammer einen Rekorddruck erzeugt.
©Natalia DubrovinskaiaLCLS-Experimente (Linac Coherent Light Source) am SLAC National Accelerator Laboratory (Stanford Linear Accelerator Center) in Kalifornien erzeugten winzige Diamanten. Dabei erhielten Kohlenwasserstoff-Moleküle einen Schockimpuls mit einem starken Laserblitz. Die Laser haben bis zu 25 Kiloelektronenvolt Energie bei einer Wellenlänge von 527 oder 800 Nanometern. Sofort danach wurde die Materie mit einem intensiven Röntgenpuls beschossen und analysiert. Das geschah in der MEC-Kammer (Matter in Extreme Conditions), die im Zentrum des Fotos zu sehen ist.
©Olivier Bonin/SLAC National Accelerator LaboratoryBlick in die MEC-Kammer (Matter in Extreme Conditions) am SLAC National Accelerator Laboratory in Stanford, Kalifornien.
©Matt Beardsley/SLAC National Accelerator LaboratoryDominik Kraus hat mit Experimenten an Deutschlands größtem Lasersystem promoviert, dem PHELIX-Laser (Petawatt Hoch-Energie Laser für SchwerIoneneXperimente) am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung. Von 2013 bis 2016 arbeitete er als Postdoc an der University of California in Berkeley am weltgrößten Lasersystem, der National Ignition Facility des Lawrence Livermore National Laboratory, sowie dem weltweit ersten Röntgen-Freie-Elektronen-Laser, der Linac Coherent Light Source (LCLS) in Stanford. Seitdem forscht er am Institut für Strahlenphysik des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf.
©HZDR/A. Wirsig

Die Hochdruck-Forschung hat in den letzten Jahren enorme Fortschritte gemacht. Inzwischen sind Experimente möglich mit einem Druck so extrem wie tief in Planeten.

von DIRK EIDEMÜLLER

„Die Reise zum Mittelpunkt der Erde“ (1864) ist ein literarisches Meisterwerk des französischen Schriftstellers Jules Verne, der mit seinen