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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 laser frappe un échantillon placé sous pression entre de petites enclumes en diamant. Dans cette expérience menée par l’Institut Science Tokyo, des chercheurs ont chauffé de l’hydrure de fer à plus de 2 000 kelvins et l’ont soumis à une pression de 110 gigapascals maximum. La diffraction des rayons X a révélé une courbe inhabituelle de la dilatation thermique. Les chercheurs japonais l’ont interprétée comme la première confirmation expérimentale que de l’hydrure de fer superionique peut exister dans le noyau 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.
Le terme superionique peut sembler contradictoire, mais il décrit un état précis de la matière : les atomes de fer restent liés dans un cristal, comme dans un solide, tandis que les atomes d’hydrogène, plus légers, le traversent comme le ferait un liquide. Dans le noyau terrestre, ce comportement serait attendu dans des conditions que le laboratoire ne peut atteindre qu’approximativement : la pression y dépasse 300 gigapascals et la température 6 000 kelvins. Dès 6 gigapascals, le graphite se transforme en 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.
L’indice décisif se trouvait dans la dilatation thermique. Jusqu’à 1 590 kelvins, les cristaux d’hydrure de fer se dilataient ; au-delà, leur dilatation diminuait brutalement. La courbe ressemble à un V inversé et correspond au schéma observé dans d’autres matériaux lors du passage de la phase solide à la phase superionique. Les résultats ont été publiés dans 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.
Lors d’une deuxième expérience, les cristaux ont été soumis à une tension électrique. L’hydrogène s’est effectivement déplacé dans le matériau en direction de la tension, mais plus lentement que prévu par les calculs. Pour traverser l’ensemble du noyau interne de la Terre, il lui faudrait plus de cent fois l’âge de la Terre. Les chercheurs en concluent que l’hydrogène arrivé dans le noyau terrestre lors de la formation de la planète y restera enfermé dans un avenir prévisible.
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.
Et concrètement, qu’est-ce que cela change ? Aucun procédé de production d’hydrogène blanc — c’est-à-dire d’hydrogène naturellement présent — n’en découle. La mesure fournit toutefois un élément possible pour expliquer pourquoi les ondes sismiques secondaires, autrement dit les ondes de cisaillement à l’intérieur de la Terre, traversent le noyau plus lentement que prévu : l’hydrogène mobile pourrait rendre l’alliage de fer plus souple et atténuer les cisaillements sismiques.