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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.
Um laser incide sobre uma amostra colocada sob pressão entre pequenas bigornas de diamante. Nesta experiência do instituto Science Tokyo, os investigadores aqueceram hidreto de ferro a mais de 2 000 kelvin e submeteram-no a uma pressão de até 110 gigapascais. A difração de raios X revelou uma curva invulgar da expansão térmica. Os investigadores japoneses interpretaram-na como a primeira confirmação experimental de que pode existir hidreto de ferro superiónico no 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.
Superiónico parece contraditório, mas descreve um estado claro da matéria: os átomos de ferro permanecem ligados num cristal, como num sólido, enquanto os átomos de hidrogénio, mais leves, fluem através dele como num líquido. No núcleo terrestre, seria de esperar este comportamento em condições que só podem ser reproduzidas aproximadamente em laboratório: aí existem mais de 300 gigapascais e mais de 6 000 kelvin. Já a 6 gigapascais, o grafite transforma-se em 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.
O indício decisivo estava na expansão térmica. Até 1 590 kelvin, a expansão dos cristais de hidreto de ferro aumentou; acima desse valor, caiu abruptamente. A curva assemelha-se a um V invertido e corresponde ao padrão que outros materiais também apresentam na transição da fase sólida para a superiónica. Os resultados foram publicados na 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.
Numa segunda experiência, os cristais foram submetidos a uma tensão elétrica. O hidrogénio deslocou-se efetivamente através do material na direção da tensão, embora mais lentamente do que o calculado até agora. Para atravessar todo o núcleo interno da Terra, precisaria de mais de cem vezes o tempo de existência da Terra. Os investigadores concluem daí que o hidrogénio que chegou ao núcleo terrestre durante a formação da Terra permanecerá aí retido, pelo menos por enquanto.
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 o que muda concretamente? Não resulta daqui nenhum método para produzir hidrogénio branco — isto é, hidrogénio de ocorrência natural. A medição fornece, contudo, um possível elemento para explicar por que motivo as ondas sísmicas secundárias, ou seja, as ondas de cisalhamento no interior da Terra, atravessam o núcleo mais lentamente do que o esperado: o hidrogénio móvel poderá tornar a liga de ferro mais macia e amortecer as deformações sísmicas.