Ein US-Forschungsteam hat ein bislang unbekanntes Hybridmaterial entdeckt, das sowohl kristalline als auch glasartige Eigenschaften besitzt – mit nahezu temperaturunabhängiger Wärmeleitung. Entstanden ist es in Meteoriten, bestätigt durch Messungen an einer Probe aus einem 1724 in Deutschland eingeschlagenen Meteoriten.
Diese besondere Form von Siliziumdioxid könnte nicht nur neue Maßstäbe bei Hitzeschutz und Energieeffizienz setzen, sondern auch CO₂-Emissionen in der Stahlindustrie reduzieren. Grundlage der Entdeckung sind Quantenmechanik, maschinelles Lernen und ein neuartiges theoretisches Modell für Wärmefluss in Festkörpern.
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Ein Fund aus dem Jahr 1724 liefert moderne Antworten
Was haben ein Meteoritenstück aus dem 18. Jahrhundert, Quantenphysik und künstliche Intelligenz gemeinsam? Gemeinsam könnten sie die Art und Weise verändern, wie Wärme in technischen Materialien kontrolliert wird. Forschende aus den USA, Frankreich, Italien und der Schweiz haben ein neues Material beschrieben, das Wärme auf völlig andere Weise leitet als bisher bekannt – und das über einen sehr großen Temperaturbereich hinweg konstant.
Im Mittelpunkt steht eine besondere Form von Siliziumdioxid, auch bekannt als Tridymit. Dieses Material wurde in einem Meteoriten gefunden, der 1724 in Steinbach (Thüringen) einschlug. Die Probe lag lange unbeachtet im Nationalmuseum für Naturgeschichte in Paris – bis sie nun unter dem Mikroskop der Forschung eine neue Bedeutung bekam.
Kristall oder Glas? Dieses Material ist beides
Normalerweise leiten Kristalle Wärme anders als Gläser. Kristalle besitzen eine regelmäßige, geordnete Atomstruktur. In solchen Materialien nimmt die Wärmeleitfähigkeit mit steigender Temperatur ab. Bei Gläsern, deren Atome ungeordnet sind, ist es umgekehrt: Je wärmer es wird, desto besser leiten sie Wärme.
Tridymit, wie es im Meteoriten vorkommt, vereint beide Eigenschaften. Die Wärmeleitfähigkeit bleibt unabhängig von der Temperatur nahezu konstant – selbst bei Änderungen von -193 bis +107 Grad Celsius (80 K bis 380 K). Damit ähnelt es einem sogenannten Invar-Effekt. Dieser ist bekannt aus Legierungen mit extrem niedriger Wärmeausdehnung, für den 1920 ein Nobelpreis verliehen wurde.
Eine Gleichung für alles
Den theoretischen Grundstein legte ein Team um Michele Simoncelli von der Columbia Engineering School. Gemeinsam mit Nicola Marzari (EPFL Lausanne) und Francesco Mauri (La Sapienza, Rom) entwickelte Simoncelli eine Gleichung, die den Wärmefluss in sowohl geordneten als auch ungeordneten Materialien beschreibt. Das Besondere daran: Sie erlaubt auch die Berechnung von Materialien mit Zwischenformen – etwa solchen, die durch Defekte oder Alterungsprozesse entstanden sind.
Das Team simulierte damit verschiedene Varianten von Siliziumdioxid. Die Berechnungen zeigten: Tridymit aus Meteoriten sollte eine besondere atomare Struktur besitzen – zwischen kristallin und amorph. Genau das bestätigten anschließende Experimente der Sorbonne-Universität in Paris.
KI trifft Quantenmechanik
Um diese Vorhersagen überhaupt machen zu können, nutzten die Forschenden Methoden des maschinellen Lernens. Damit konnten sie die extrem rechenintensiven Gleichungen der Quantenmechanik effizienter lösen. Es ging darum, den Wärmefluss auf Ebene der Atome zu verstehen – ohne vereinfachte Annahmen, wie sie in klassischen Modellen oft gemacht werden.
„Wir starten bei den ersten Prinzipien der Physik und nutzen maschinelles Lernen, um sie auf reale Materialien anzuwenden“, erklärt Simoncelli. Das Team simulierte, wie sich thermische Energie in Form von Gitterschwingungen – sogenannten Phononen – durch Materialien bewegt. Die Bewegung dieser Schwingungen ist verantwortlich dafür, wie gut ein Material Wärme leitet.
Anwendung: Hitzeschutz, Wearables, Stahlöfen
Wozu aber ein Material mit konstanter Wärmeleitfähigkeit? Viele technische Systeme leiden unter Temperaturschwankungen – ob Mikroprozessoren, Hitzeschilde von Raumsonden oder energieeffiziente Wärmedämmungen. Hier könnte Tridymit helfen, Wärme besser und planbarer abzuleiten. Auch thermoelektrische Systeme zur Abwärmenutzung könnten profitieren.
Besonders interessant ist der mögliche Einsatz in der Stahlindustrie. Diese ist für rund 7 % der CO₂-Emissionen in den USA verantwortlich. Ein Kilogramm Stahl verursacht etwa 1,3 Kilogramm CO₂. Ein Teil dieser Emissionen entsteht durch den extremen Energiebedarf der Hochöfen.
Das Meteoriten-Material – oder besser: daraus entwickelte Werkstoffe – könnten helfen, die Wärme im Ofen effizienter zu lenken. Dadurch ließen sich nicht nur Kosten senken, sondern auch Emissionen reduzieren. Denn weniger Energieverlust bedeutet weniger Brennstoffverbrauch.
Jahrzehntelange Alterung – gezielt nutzbar?
Interessanterweise vermuten die Forschenden, dass ein solches Hybridmaterial nicht nur im Weltall entsteht. Auch auf der Erde könnte es sich bilden – etwa in feuerfesten Steinen, die über viele Jahre extremen Temperaturen ausgesetzt sind. Diese Steine werden in Industrieöfen eingesetzt. Die darin ablaufenden strukturellen Veränderungen ähneln denen im Meteoriten-Tridymit.
„Wir zeigen, dass jahrzehntelange thermische Alterung Materialien erzeugen kann, die vorher unbekannte Wärmeleiteigenschaften besitzen“, heißt es in der Studie. Die Umkehrung dieses Prinzips ist ebenfalls denkbar: Wenn sich solche Strukturen gezielt erzeugen lassen, könnten Werkstoffe mit genau einstellbarer Wärmeleitung konstruiert werden – je nach Anwendung.
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