Der Erdkern ist immer wieder für Überraschungen gut. Dort herrschen ein so hoher Druck und eine so hohe Temperatur, dass Materialien ein bizarres Verhalten zeigen können. Eine davon betrifft die Grenze zwischen flüssig und fest.
Der innere Erdkern besteht, so steht es im Schulbuch und in der Wikipedia, aus einer festen Eisen-Nickel-Legierung. Der äußere Kern besteht aus einer etwas leichteren, flüssigen Legierung. Doch was genau heißt „fest“ und „flüssig“? Unter den Bedingungen auf der Erdoberfläche ist die Sache noch recht einfach: Festkörper bestehen aus Atomen oder Molekülen, die in eine mehr oder weniger starre Struktur eingebunden sind, beispielsweise in Kristalle. Bei Flüssigkeiten können sich die Teilchen hingegen frei bewegen.
Gleichzeitig Kristall und Flüssigkeit
Im Erdkern wird es komplizierter: Stoffe können dort gleichzeitig fest und flüssig sein. Eisenlegierungen, die leichte Elemente wie Wasserstoff, Sauerstoff oder Kohlenstoff enthalten, werden unter extremen Bedingungen „superionisch“. Eisenatome bleiben in einem Kristall eingebunden, wie bei einem Festkörper. Aber die leichteren Elemente fließen durch diesen Kristall hindurch wie eine Flüssigkeit.
Schon seit Längerem legen Simulationen nahe, dass superionisches Eisenhydrid (FeHX) im Erdkern existiert. Doch experimentell nachgewiesen wurde dies bisher noch nicht. Kein Wunder: Im Erdkern herrscht ein Druck von mehr als 300 Gigapascal und eine Temperatur von über 6000 Kelvin. So etwas lässt sich nicht mal eben im Labor nachbauen.
Anomalie bei der Wärmeausdehnung
Doch nun haben Forschende des Instituts Science Tokyo genau dies geschafft. Dazu setzten sie Eisenhydrid mit kleinen Diamant-Ambossen einem Druck von bis zu 110 Gigapascal aus. (Zum Vergleich: Schon bei 6 Gigapascal wird Graphit zu Diamant.) Gleichzeitig erhitzten sie die Probe mit einem Laser auf über 2000 Kelvin.
Dabei beobachteten sie per Röntgenbeugung eine Anomalie im Verhalten der Eisenhydrid-Kristalle: Bis 1590 Kelvin nahm deren Wärmeausdehnung stets zu, darüber hinaus fiel sie steil ab. Die sich daraus ergebene Kurve sieht aus wie ein umgedrehtes V. Eine solche Kurve zeigten auch andere Materialien beim Übergang von der festen in die superionische Phase. Die japanischen Forschenden interpretierten dies als ersten experimentellen Nachweis dafür, dass superionisches Eisenhydrid im Erdkern existieren kann. Ihre Ergebnisse veröffentlichten sie in Nature Geoscience.
Erklärung für ein altes Rätsel
In einem weiteren Versuch setzten sie die Kristalle einer elektrischen Spannung aus. Dabei stellten sie fest, dass der Wasserstoff im superionischen Zustand tatsächlich in Richtung der Spannung durch das Material gewandert war – allerdings langsamer, als bisher berechnet. Um den gesamten inneren Erdkern zu durchqueren, würde der Wasserstoff mehr als hundert Mal so lange brauchen, wie die Erde existiert. Die Forschenden schlossen daraus, dass der Wasserstoff, der bei der Entstehung der Erde in den Erdkern gelangt ist, dort bis auf Weiteres eingeschlossen bleibt.
Praktische Konsequenzen, etwa für die Hoffnung auf „weißen Wasserstoff“, haben die Ergebnisse also nicht. Aber sie könnten eine Erklärung für ein altes Rätsel liefern: Seismische Sekundärwellen laufen langsamer durch den Kern, als zu erwarten wäre. Durch die größere Beweglichkeit des Wasserstoffs in superionischen Legierungen könnten diese „weicher“ werden und seismische Scherungen dämpfen.
