Diamant bei 1 Billion Pascal zum Schmelzen gebracht
Bei 1 TPa verfolgen Forschende erstmals direkt, wie Diamant schmilzt. Die Ergebnisse könnten den Fusionsertrag erhöhen.
Neue Schmelzversuche bestätigen, dass Diamant unter hohem Druck in flüssigem metallischem Kohlenstoff schwimmt, ähnlich wie Eiswürfel in einem Glas Wasser schwimmen.
Foto: James Wickboldt/LLNL
Diamant gilt als der Inbegriff der Härte. Doch selbst das extrem widerstandsfähige Kohlenstoffgitter stößt irgendwann an seine physikalischen Grenzen. Forschende des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) haben winzige Diamantproben jetzt einem Druck von rund 1 Billion Pascal, das entspricht rund 10 Millionen bar, ausgesetzt – und live mitverfolgt, wie sich ihre Kristallstruktur unter diesen absurd extremen Bedingungen verhält. Zur Einordnung: Der angewendete Druck war etwa dreimal so hoch wie im Erdkern, während die Temperaturen sogar die Werte auf der Sonnenoberfläche überstiegen.
Das Ergebnis klärt nicht nur eine seit Jahrzehnten offene Frage der Hochdruckphysik, sondern liefert auch der Fusionsforschung extrem wertvolle Erkenntnisse. Diamant spielt bei der Trägheitsfusion nämlich eine Hauptrolle: Er bildet die äußere Hülle winziger Kapseln, in denen sich der Fusionsbrennstoff befindet. Die neuen Messdaten zeigen nun, wie sich diese Kapseln künftig noch effektiver komprimieren lassen – was den Energiegewinn unter bestimmten Voraussetzungen drastisch erhöhen könnte.
Die Studie wurde am 13. August 2026 im Fachjournal Nature Physics veröffentlicht.
Inhaltsverzeichnis
Eine Nanosekunde Zeit für die Messung
Für ihre Experimente nutzte das Team die Omega Laser Facility am Laboratory for Laser Energetics der University of Rochester. Dort richteten die Forschenden Hochleistungslaser auf winzige Diamantproben. Die Reaktion folgte prompt: Die äußere Schicht verdampfte schlagartig, und der dadurch entstehende gewaltige Rückstoß trieb eine extrem starke Stoßwelle mitten durch das Material.
Auf diese Weise gelang es, den Diamanten auf beispiellose Drücke und Temperaturen zu katapultieren. Die Krux an der Sache: Dieser Zustand hielt gerade einmal für etwa eine milliardstel Sekunde an.
In diesem ultrakurzen Zeitfenster musste das Team gleichzeitig eine ganze Reihe von Materialeigenschaften erfassen – darunter Temperatur, Dichte, optisches Reflexionsvermögen und vor allem die atomare Gitterstruktur. Dafür setzten die Forschenden auf Röntgenbeugung. Trifft Röntgenstrahlung auf ein regelmäßig aufgebautes Kristallgitter, wird sie in einem charakteristischen Muster gestreut. Aus diesen Signalen lässt sich präzise rekonstruieren, wie die Atome im Raum angeordnet sind.
Bei Kohlenstoff ist das allerdings eine echte Herausforderung: Da die leichten Atome Röntgenstrahlung nur sehr schwach streuen, war das Signal aus den kurzlebigen Experimenten entsprechend dünn. Dennoch gelang es dem Team erstmals, stoßkomprimierten Diamant per Röntgenbeugung bis hin zum Schmelzpunkt durchgehend zu beobachten.
20 Jahre alte Messabweichung aufgelöst
Dass Diamant unter derart extremen Bedingungen schmilzt, war in der Fachwelt grundsätzlich bekannt. Bereits vor rund 20 Jahren hatten LLNL-Forschende ähnliche Hochdruckversuche durchgeführt und dabei eine verblüffende Entdeckung gemacht: Flüssiger Kohlenstoff wies unter diesen Bedingungen eine höhere Dichte auf als fester Diamant. Der Diamant würde im flüssigen Kohlenstoff also oben schwimmen – ganz ähnlich wie ein Eiswürfel im Wasserglas.
Allerdings hinterließen die damaligen Messungen eine hartnäckige Unbekannte: Die experimentell ermittelte Schmelztemperatur wich um satte 20 % von den Werten ab, die moderne quantenmechanische Simulationen vorhersagten. Selbst hochkomplexe verfeinerte Modelle konnten diese Lücke nie ganz schließen.
Dank moderner Diagnoseverfahren herrscht nun Klarheit: Die frisch gemessene Schmelztemperatur stimmt nahezu exakt mit den theoretischen Berechnungen überein. Der Fehler lag also nicht in der Theorie, sondern an Ungenauigkeiten der früheren Messmethoden. LLNL-Forscher Jon Eggert räumte ein, dass die damaligen Temperaturwerte um mehr als 1000 Grad danebenlagen. Dass der Diamant damals tatsächlich schmolz, bestätigen die neuen Röntgenanalysen jedoch eindeutig.
Überraschung im Gitter: Diamant bleibt stabil bis zum Schmelzen
Mindestens genauso spannend ist jedoch das, was die Forschenden nicht zu sehen bekamen. Frühere Experimente an der Z-Maschine der Sandia National Laboratories hatten Hinweise darauf geliefert, dass Kohlenstoff auf dem Weg vom Diamantzustand zur Schmelze womöglich noch eine weitere, Zwischen-Kristallstruktur durchläuft. Auch theoretische Simulationen stützten diese Annahme lange Zeit.
In den aktuellen Versuchen war von einer solchen Zwischenphase allerdings nichts zu erkennen. Das Kohlenstoffgitter verharrte stabil in seiner klassischen Diamantstruktur – und zwar exakt bis zu dem Moment, in dem das Material schmolz.
Eine plausible Erklärung liefert die extreme Dynamik des Vorgangs: Die Probe wird durch einen einzelnen, gigantischen Stoß komprimiert. Dem Kristallgitter bleibt bei dieser immensen Geschwindigkeit schlicht nicht genug Zeit, um sich in eine andere Phase umzuordnen. Für die experimentelle Hochdruckphysik ist das eine fundamentale Erkenntnis: Es kommt eben nicht nur darauf an, welche Drücke und Temperaturen man erreicht, sondern auch auf welchem zeitlichen Weg das Material dorthin befördert wird.
Warum die Fusionsforschung dringend auf Diamant setzt
Genau an diesem Punkt schlägt die Studie die Brücke zur angewandten Kernfusion.
Bei der Trägheitsfusion (Inertial Confinement Fusion) befindet sich der Fusionsbrennstoff – ein Gemisch aus den Wasserstoffisotopen Deuterium und Tritium – im Inneren einer extrem präzise gefertigten, winzigen Kapsel. Am National Ignition Facility (NIF) des LLNL bestehen diese Hüllen häufig aus sogenanntem High-Density Carbon (HDC), also hochdichtem Kohlenstoff mit Diamantstruktur.
Um die Fusion zu zünden, bestrahlen gigantische Laser die Kapsel und erzeugen eine Serie gezielter Stoßwellen. Diese treiben die Hülle nach innen und komprimieren den Brennstoff extrem stark, bis die Zündbedingungen erreicht sind. Für eine perfekte, symmetrische Implosion ist es entscheidend, dass die Diamanthülle bereits durch die allererste Stoßwelle vollständig aufschmilzt. Eine homogene, flüssige Schicht verhindert, dass sich kleine Unregelmäßigkeiten während des Kollapses aufschaukeln und den Fusionsertrag ruinieren.
Bislang fuhren die Forschenden deshalb auf Nummer sicher und nutzten einen sehr starken ersten Stoß, um das Verflüssigen der Diamantschale absolut zu garantieren. Die neuen Messdaten belegen nun jedoch: Es reichen womöglich auch deutlich langsamere beziehungsweise schwächere Anfangsstöße aus.
Gleiche Laserenergie, höherer Energiegewinn?
Für die Optimierung der Trägheitsfusion ist das eine hervorragende Nachricht. Ein schwächerer erster Stoß hält den Fusionsbrennstoff nämlich „kälter“ – und dadurch lässt er sich deutlich leichter und stärker verdichten.
Das bedeutet im Umkehrschluss: Bei gleichbleibender Laserenergie lässt sich eine höhere Brennstoffdichte erzielen. Und je effizienter und kontrollierter das Gemisch zusammengepresst wird, desto höher steigt der potenzielle Energiegewinn.
Das LLNL geht in seinen Modellrechnungen sogar noch einen Schritt weiter: Wenn man die Stoßwellen optimal an die neuen Materialdaten anpasst, könnte sich der Fusionsertrag theoretisch bis auf das Dreifache steigern lassen.
Wichtige Einschränkung: Bei dieser Verdreifachung handelt es sich vorerst um eine reine Modellprognose und noch nicht um ein experimentell bewiesenes Resultat. Das LLNL betont ausdrücklich, dass dafür sämtliche Nebeneffekte, die eine Implosion stören können, perfekt im Griff gehalten werden müssen. Die Studie liefert also keine Magie-Kapsel über Nacht, aber die physikalische Grundlage, um künftige Laserpulse und Kapseldesigns gezielt zu optimieren.
Der nächste Schritt führt zum stärksten Laser der Welt
Die Forschenden wollen ihre Messreihen nun unmittelbar ausweiten – unter anderem direkt am NIF, um Bedingungen zu testen, die in kleineren Anlagen nicht darstellbar sind. Ein Schwerpunkt wird dabei auf der Frage liegen, wie stabil die Diamantstruktur bleibt, wenn nicht nur ein einzelner Stoß, sondern eine Kaskade mehrerer aufeinanderfolgender Stoßwellen das Material durchläuft. Genau das entspricht nämlich dem realen Ablauf bei Fusionsversuchen.
Nebenbei dürften die Daten auch die Astrophysik ein gutes Stück voranbringen: Im Inneren von Eisriesen wie Uranus und Neptun herrschen ähnlich extreme Bedingungen. Astrophysiker vermuten seit Langem, dass Kohlenstoff dort tief im Inneren ausfällt und als „Diamantregen“ in Richtung Planetenkern sinkt. Da die aktuellen Messungen Drücke erreichten, die sogar über den Bedingungen dieser Planeten liegen, liefern sie wertvolle Bausteine für genauere Planetenmodelle.
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