Wasser im Weltall: Forscher entdecken bislang unbekannte Wasserform
Ein internationales Forscherteam hat eine neue Variante von Wasser im Weltall nachgewiesen. Das „superionische Wasser“ entsteht nur unter Extrembedingungen, könnte aber die häufigste Wasserform im Sonnensystem sein.
Der Eisriese Uranus: In seinem Inneren vermuten Forscher große Mengen superionisches Wasser.
Foto: picture alliance / Stocktrek Images | Pablo Carlos Budassi
Wasser kennt jeder: Flüssig, fest, gasförmig – die drei Aggregatzustände lernt man in der Schule. Doch unter extremen Bedingungen verhält sich H₂O anders. Ein internationales Forscherteam unter Beteiligung der Universität Rostock und des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf hat eine bislang unbekannte Phase von superionischem Wasser experimentell nachgewiesen.
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Ein Postulat wird Wirklichkeit
Dass superionisches Wasser existieren müsste, hatten Physiker schon Ende der 1980er-Jahre vermutet. Doch war das reine Theorie. In der Folge wurde die exotische Phase in verschiedenen Varianten auch im Labor erzeugt. Die genaue Struktur der Atome blieb jedoch umstritten, und eine bestimmte, von Simulationen prognostizierte Wasser-Variante mit sogenannten Stapelfehlern hatte bislang noch niemand beobachtet.
Genau diese Struktur hat das Team nun erstmals nachgewiesen. Die Entdeckung könnte helfen zu verstehen, was im Inneren ferner Planeten passiert – und warum Uranus und Neptun so ungewöhnliche Magnetfelder besitzen.
Was ist superionisches Wasser?
Superionisches Wasser entsteht erst bei Drücken von über 150 Gigapascal – das entspricht etwa dem 1,5-Millionenfachen des Atmosphärendrucks – und Temperaturen von rund 2500 Kelvin. Unter diesen Extrembedingungen bilden die Sauerstoffatome ein festes Gitter, in dem die Wasserstoffionen frei umherwandern. Daraus resultiert der größte Unterschied zu normalem Eis: Das Material ist elektrisch leitfähig.
Diese Leitfähigkeit könnte erklären, warum die Eisriesen unseres Sonnensystems ungewöhnliche Magnetfelder aufweisen. Denn anders als bei Planeten wie der Erde oder Jupiter sind die Magnetfelder der Eisriesen stark geneigt und asymmetrisch.
Die Wissenschaftler vermuten, dass das superionische Wasser im Inneren der Planeten dafür verantwortlich ist. Theoretisch könnten sich riesige Mengen dieses Wassers in Uranus und Neptun befinden. Damit könnte die exotische, superionische Phase sogar die häufigste Wasserform im gesamten Sonnensystem sein.
Superionisches Wasser könnte im Inneren von Eisriesen wie Uranus vorkommen (li.). Die Kristallstruktur (Mitte) wurde mit Röntgenlasern untersucht (re.).
Foto: Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory
Was macht das Wasser im Weltraum so komplex?
Bisher gingen Forschende von zwei möglichen Strukturen des superionischen Wassers aus: einem Würfelgitter mit einem zusätzlichen Atom in der Mitte (kubisch-raumzentriert) oder einem mit Atomen auf den Würfelflächen (kubisch-flächenzentriert).
Die neue Studie zeichnet ein anderes Bild. Das Team fand heraus, dass die Sauerstoffatome eine hybride Struktur bilden: Sie zeigen eine Mischung aus kubischen und sechseckigen Mustern mit sogenannten Stapelfehlern.
Anstatt sich in einer regelmäßigen Konfiguration anzuordnen, zeigen die Atome eine komplexe, fehlstrukturierte Abfolge. Damit widersprechen die Ergebnisse früheren Studien, bei denen bei ähnlichen Bedingungen noch eine einfachere Kristallstruktur gefunden wurde.
Ein Hamburger Röntgenlaser macht Unsichtbares sichtbar
Um diese Struktur nachzuweisen, nutzten die Forschenden den laut Betreiber leistungsstärksten Röntgenlaser der Welt: den European XFEL in der Nähe von Hamburg, der auch bei der deutschen Kernfusionsforschung eine zentrale Rolle spielt, und die Linac Coherent Light Source am Stanford Linear Accelerator Center in den USA.
Mit ultrakurzen Röntgenpulsen von 50 Femtosekunden Dauer – 50 Billiardstel einer Sekunde – konnten sie nach eigenen Angaben die atomare Struktur im Nanosekundenbereich aufzeichnen, bevor sich das Material wieder veränderte.
Die Messergebnisse stimmen mit aufwendigen Computersimulationen überein, heißt es in einer Pressemitteilung vom 12.1. Sie zeigen demnach, dass superionisches Wasser eine ähnliche strukturelle Vielfalt aufweist wie gewöhnliches Eis, das je nach Druck und Temperatur in vielen verschiedenen Kristallformen existiert.
Erkenntnisse für ferne Welten
Die Ergebnisse sollen Daten für Modelle liefern, die das Innere und die Entwicklung von Eisriesen wie Uranus und Neptun beschreiben. Das ist nicht nur für unser Sonnensystem relevant: Eisriesen gehören zu den häufigsten Planetentypen, die Astronomen bislang entdeckt haben.
Mehr als 60 Wissenschaftler aus Europa und den USA waren an dem Projekt beteiligt. Finanzielle Unterstützung erhielten sie von der Deutschen Forschungsgemeinschaft und der französischen Forschungsförderagentur ANR.
Ihre vollständigen Ergebnisse haben die Forscher in der Fachzeitschrift nature communications veröffentlicht.
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