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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.
A laser strikes a sample held under pressure between small diamond anvils. In this experiment, researchers at the Science Tokyo institute heated iron hydride to above 2,000 kelvins and subjected it to a pressure of up to 110 gigapascals. X-ray diffraction showed an unusual thermal-expansion curve. The Japanese researchers interpreted it as the first experimental evidence that superionic iron hydride can exist in Earth’s core.
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.
Superionic sounds contradictory, but it describes a distinct state of matter: The iron atoms remain bound in a crystal as they do in a solid, while the lighter hydrogen atoms flow through it like a liquid. In Earth’s core, this behavior would be expected under conditions that can only be approximated in the lab: pressures there exceed 300 gigapascals and temperatures exceed 6,000 kelvins. At just 6 gigapascals, graphite turns into diamond.
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.
The key evidence lay in the thermal expansion. The expansion of the iron hydride crystals increased up to 1,590 kelvins; above that point, it fell sharply. The curve resembles an inverted V and matches the pattern shown by other materials as they transition from a solid to a superionic phase. The findings were published in Nature Geoscience.
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.
In a second experiment, the researchers applied an electrical voltage to the crystals. Hydrogen did indeed move through the material in the direction of the voltage, but more slowly than previously calculated. It would take more than a hundred times as long to cross the entire inner core as Earth has existed. The researchers conclude that hydrogen that entered Earth’s core during the planet’s formation will remain trapped there for the foreseeable future.
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.
And what does this change in practical terms? It does not produce a method for obtaining white hydrogen—that is, naturally occurring hydrogen. The measurement does, however, provide a possible piece of the puzzle explaining why seismic secondary waves, or shear waves inside Earth, pass through the core more slowly than expected: Mobile hydrogen could soften the iron alloy and dampen seismic shear.