Laborversuch stützt Annahme: Superionisches Eisenhydrid im Erdkern

Ein Laser trifft auf eine Probe, die zwischen kleinen Diamant-Ambossen unter Druck steht. In diesem Versuch des Instituts Science Tokyo erhitzten Forschende Eisenhydrid auf über 2000 Kelvin und setzten es einem Druck von bis zu 110 Gigapascal aus. Die Röntgenbeugung zeigte eine ungewöhnliche Kurve der Wärmeausdehnung. Die japanischen Forschenden deuteten sie als ersten experimentellen Nachweis dafür, dass superionisches Eisenhydrid im Erdkern existieren kann.

Superionisch klingt widersprüchlich, beschreibt aber einen klaren Materialzustand: Die Eisenatome bleiben wie in einem Festkörper in einem Kristall gebunden, während die leichteren Wasserstoffatome durch ihn hindurchfließen wie in einer Flüssigkeit. Im Erdkern wäre dieses Verhalten unter Bedingungen zu erwarten, die im Labor nur näherungsweise erreichbar sind: Dort herrschen mehr als 300 Gigapascal und über 6000 Kelvin. Schon bei 6 Gigapascal wird Graphit zu Diamant.

Der entscheidende Hinweis lag in der Wärmeausdehnung. Bis 1590 Kelvin nahm die Ausdehnung der Eisenhydrid-Kristalle zu; darüber fiel sie steil ab. Die Kurve ähnelt einem umgedrehten V und entspricht dem Muster, das auch andere Materialien beim Übergang von der festen in die superionische Phase zeigen. Die Ergebnisse wurden in Nature Geoscience veröffentlicht.

Ein zweiter Versuch setzte die Kristalle einer elektrischen Spannung aus. Dabei wanderte der Wasserstoff tatsächlich in Richtung der Spannung durch das Material, allerdings langsamer als bisher berechnet. Um den gesamten inneren Erdkern zu durchqueren, würde er mehr als hundert Mal so lange brauchen, wie die Erde existiert. Daraus schließen die Forschenden, dass Wasserstoff, der bei der Entstehung der Erde in den Erdkern gelangte, dort bis auf Weiteres eingeschlossen bleibt.

Und was ändert das konkret? Kein Verfahren für weißen Wasserstoff – also natürlich vorkommenden Wasserstoff – entsteht daraus. Die Messung liefert aber einen möglichen Baustein für die Erklärung, warum seismische Sekundärwellen, also Scherwellen im Erdinneren, den Kern langsamer durchlaufen als erwartet: Beweglicher Wasserstoff könnte die Eisenlegierung weicher machen und seismische Scherungen dämpfen.