💧 Eine neue Phase des Wassers entdeckt, und sie ist die verbreitetste in unserem Sonnensystem
Superionisches Wasser tritt nur unter extremen Bedingungen auf, bei Temperaturen von mehreren tausend Grad und Drücken, die eine Million Atmosphären übersteigen. In diesem Zustand bilden Sauerstoffatome ein starres Kristallgitter, während sich Wasserstoffionen frei bewegen und so den Fluss von Elektrizität ermöglichen. Dies macht es zu einem grundlegenden Element für die Interpretation der besonderen Magnetfelder, die um bestimmte Planeten beobachtet werden.
Schematische Darstellung der mikroskopischen Struktur von superionischem Wasser, bei der Sauerstoffatome ein festes Kristallgitter bilden und Wasserstoffionen sich frei bewegen. Dieser extreme Zustand, der mit leistungsstarken Lasern nachgestellt wurde, ist typisch für Planeteninneres.
Bildnachweis: Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory
Bis vor kurzem glaubten Wissenschaftler, dass superionisches Wasser eine einfache atomare Struktur annimmt, wie eine geordnete kubische Anordnung. Neue, in Nature Communications veröffentlichte Arbeiten deuten darauf hin, dass die Realität weitaus nuancierter ist. Anstelle eines einheitlichen Musters kombiniert es kubische Bereiche und hexagonale Schichten und erzeugt so eine ungeordnete Mischung. Diese Hybridisierung wurde durch präzise Messungen mit fortschrittlichen Röntgenlasern entdeckt.
Um diese Ergebnisse zu erzielen, wurden zwei wichtige Experimente in Einrichtungen wie dem LCLS in den USA und dem European XFEL in Europa durchgeführt. Die Forscher komprimierten Wasser auf über 1,5 Millionen Atmosphären und erhitzten es auf mehrere tausend Grad, wobei sie Schnappschüsse seiner Struktur in wenigen Billionstel Sekunden einfingen. Diese Bedingungen reproduzieren jene, die tief im Inneren von Riesenplaneten herrschen.
Diese Daten stimmen eng mit den neuesten Computersimulationen überein und zeigen, dass superionisches Wasser mehrere strukturelle Formen annehmen kann. Dieses Verhalten erinnert an gewöhnliches Eis, das in vielen Kristallformen je nach Temperatur und Druck existiert. So überrascht Wasser trotz seiner scheinbaren Einfachheit weiterhin durch seine strukturelle Vielfalt in extremen Umgebungen.
Das Verständnis dieses superionischen Wassers verbessert die Planetenmodelle, insbesondere für Uranus und Neptun. Indem es die elektrische Leitfähigkeit besser erklärt, hilft es, ihre atypischen Magnetfelder zu interpretieren. Diese wasserreichen Planeten könnten diese Phase in großen Mengen beherbergen, was sie potenziell zur verbreitetsten Form von Wasser im Sonnensystem macht.
Mehr als sechzig Wissenschaftler aus Europa und den USA haben an diesem Projekt zusammengearbeitet, das von deutschen und französischen Forschungsagenturen unterstützt wird. Ihre Arbeit ebnet den Weg für ein besseres Verständnis der Zusammensetzung ähnlicher Exoplaneten.