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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.
Un láser incide sobre una muestra sometida a presión entre pequeños yunques de diamante. En este experimento del Instituto Science Tokyo, los investigadores calentaron hidruro de hierro a más de 2.000 kelvin y lo sometieron a una presión de hasta 110 gigapascales. La difracción de rayos X mostró una curva inusual de expansión térmica. Los investigadores japoneses la interpretaron como la primera prueba experimental de que el hidruro de hierro superiónico puede existir en el núcleo terrestre.
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.
El término superiónico puede sonar contradictorio, pero describe un estado claro de la materia: los átomos de hierro permanecen unidos en un cristal, como en un sólido, mientras los átomos de hidrógeno, más ligeros, fluyen a través de él como lo harían en un líquido. En el núcleo terrestre, este comportamiento sería esperable bajo unas condiciones que en el laboratorio solo pueden reproducirse de forma aproximada: allí reinan más de 300 gigapascales y más de 6.000 kelvin. Ya a 6 gigapascales, el grafito se convierte en diamante.
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.
La pista decisiva estaba en la expansión térmica. La expansión de los cristales de hidruro de hierro aumentó hasta 1.590 kelvin; por encima de esa temperatura cayó bruscamente. La curva se parece a una V invertida y coincide con el patrón que muestran otros materiales al pasar de la fase sólida a la superiónica. Los resultados se publicaron en 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.
En un segundo experimento, los investigadores sometieron los cristales a una tensión eléctrica. El hidrógeno se desplazó efectivamente por el material en dirección de la tensión, aunque más lentamente de lo calculado hasta ahora. Para atravesar todo el núcleo interno de la Tierra, necesitaría más de cien veces el tiempo que lleva existiendo la Tierra. Los investigadores concluyen que el hidrógeno que llegó al núcleo terrestre durante la formación del planeta permanece allí por el momento.
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.
¿Y qué cambia esto en concreto? De este resultado no se deriva ningún método para producir hidrógeno blanco, es decir, hidrógeno natural. Sin embargo, la medición aporta un posible elemento para explicar por qué las ondas sísmicas secundarias —ondas de cizalla en el interior de la Tierra— atraviesan el núcleo más lentamente de lo esperado: el hidrógeno móvil podría ablandar la aleación de hierro y amortiguar las cizalladuras sísmicas.