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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 colpisce un campione sottoposto a pressione tra piccole incudini di diamante. In questo esperimento dell'istituto Science Tokyo, i ricercatori hanno riscaldato l'idruro di ferro a oltre 2.000 kelvin e lo hanno sottoposto a una pressione di fino a 110 gigapascal. La diffrazione a raggi X ha mostrato una curva insolita della dilatazione termica. I ricercatori giapponesi l'hanno interpretata come la prima conferma sperimentale del fatto che l'idruro di ferro superionico può esistere nel nucleo 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.
Il termine superionico sembra contraddittorio, ma descrive uno stato ben definito della materia: gli atomi di ferro restano legati in un cristallo, come in un solido, mentre gli atomi di idrogeno, più leggeri, lo attraversano come farebbero in un liquido. Nel nucleo terrestre questo comportamento sarebbe prevedibile in condizioni che in laboratorio sono raggiungibili solo in modo approssimativo: lì prevalgono più di 300 gigapascal e oltre 6.000 kelvin. Già a 6 gigapascal la grafite diventa 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.
L'indizio decisivo è arrivato dalla dilatazione termica. Fino a 1.590 kelvin la dilatazione dei cristalli di idruro di ferro è aumentata; oltre questa soglia è diminuita bruscamente. La curva ricorda una V rovesciata e corrisponde allo schema che anche altri materiali mostrano nel passaggio dalla fase solida a quella superionica. I risultati sono stati pubblicati su 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 un secondo esperimento, i ricercatori hanno sottoposto i cristalli a una tensione elettrica. L'idrogeno si è effettivamente spostato attraverso il materiale nella direzione della tensione, ma più lentamente di quanto calcolato finora. Per attraversare l'intero nucleo interno della Terra, impiegherebbe più di cento volte il tempo di esistenza della Terra. I ricercatori ne deducono che l'idrogeno penetrato nel nucleo terrestre durante la formazione della Terra resterà intrappolato lì per il 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.
E cosa cambia, concretamente? Da questo risultato non nasce alcun metodo per ottenere idrogeno bianco, cioè idrogeno presente in natura. La misurazione offre però un possibile elemento per spiegare perché le onde sismiche secondarie, ossia le onde di taglio all'interno della Terra, attraversino il nucleo più lentamente del previsto: l'idrogeno più mobile potrebbe rendere più morbida la lega di ferro e attenuare le deformazioni sismiche.