Wissenschaftler haben eine neue Form von Wassereis entdeckt, das sogenannte Superionikumindem sie die extremen Bedingungen von Eisriesen im Labor nachbilden.
Dieses bei mehr als 1800 Kelvin (etwas über 1500 Grad Celsius) und 2 Millionen Atmosphären stabile Eis nimmt eine sechseckige Kristallstruktur an. Diese Phase könnte die atypischen Magnetfelder von Planeten wie Neptun und Uranus erklären.
Indem sie Wasser einem höllischen Rezept aus Hitze und Druck aussetzten, öffneten sie den Schleier über eine bisher unbekannte Form der Materiedessen Existenz durchaus der Schlüssel zur Entschlüsselung der inneren Abläufe dieser fernen und faszinierenden Welten sein könnte.
Was ist superionisches Eis, dieses seltsame Material?
Es entspricht einem exotischen Wasserzustand. Vergessen Sie den Eiswürfel in Ihrem Glas. Unter extremen Drücken und Temperaturen verwandelt sich Wasser in superionisches Eis (ein Zustand, in dem die Sauerstoffatome ein festes Netzwerk bilden, während sich die Wasserstoffkerne frei bewegen).
Es ist eine Substanz, die sowohl fest als auch flüssig ist. Die Sauerstoffatome erstarren zu einer starren Kristallstruktur, ähnlich einem Käfig. Währenddessen fließen die von ihren Bindungen befreiten Wasserstoffkerne wie eine Flüssigkeit durch dieses Sauerstoffnetzwerk.
Dieses atomare Ballett verleiht diesem heißen Eis eine spezifische elektrische Leitfähigkeit und genau diese Eigenschaft interessiert Planetologen, um die ganz besonderen Magnetfelder von Eisriesen zu erklären.
Wie konnten Wissenschaftler die Bedingungen eines Riesenplaneten nachbilden?
Um die Hölle zu simulieren, die im Herzen eines Planeten wie Neptun herrschtverwendeten die Forscher ein Werkzeug mit beeindruckender Kraft: eine Diamantambosszelle (ein Gerät, das gigantische Drücke zwischen zwei Diamanten erzeugen kann).
Dort fingen sie eine winzige Wasserprobe ein, bevor sie sie einem wahnsinnigen Druck aussetzten 230 Gigapascaloder mehr als das Zweimillionenfache des atmosphärischen Drucks der Erde.
Uranus und Neptun
Doch der Druck reichte nicht aus. Anschließend erhitzten Laser die Probe auf Temperaturen über 1800 Kelvin. In diesem weißglühenden Diamantschraubstock geschah die Magie.
Dank der am Europäischen Synchrotron (ESRF) durchgeführten Röntgenbeugung konnten Wissenschaftler die Anordnung der Atome „sehen“ und die Geburt einer neuen Phase eindeutig identifizieren aus superionischem Eis.
Was ist die wahre Bedeutung dieser neuen sechseckigen Eisform?
Die größte Entdeckung liegt in der Struktur dieses Eises selbst. Bisher haben theoretische Modelle eine sogenannte kubisch-flächenzentrierte Struktur vorhergesagt. (fcc).
Das Experiment ergab jedoch, dass die Sauerstoffatome ab einer bestimmten Druck- und Temperaturschwelle nach einem anderen Muster organisiert sind: einer kompakten hexagonalen Struktur. (hcp). Dieser scheinbar technische Übergang hat grundlegende Auswirkungen.
Jede Kristallstruktur verfügt über einzigartige elektrische, thermische und mechanische Eigenschaften. Der Wechsel von einer kubischen zu einer sechseckigen Form führt dazu, dass sich das Eis der Planetentiefen nicht wie bisher angenommen verhält.
Seine Fähigkeiten, Strom zu leiten oder Wärme zu übertragen, sind unterschiedlich, was uns dazu zwingt, die Modelle zu überdenken. Kurz gesagt, die gesamte interne Kartographie dieser Welten muss Schicht für Schicht überprüft werden.
Wie verändert dies unsere Sicht auf Uranus und Neptun?
Diese neue Eisphysik hat direkte Auswirkungen auf unser Verständnis von Eisriesen. Das Magnetfeld von Planeten wie Uranus ist seltsam, chaotisch und außermittig relativ zu seiner Rotationsachse.
Wissenschaftler glauben, dass Konvektionsbewegungen in einer Schicht aus leitfähigem superionischem Eis sind über einen Dynamoeffekt für die Erzeugung dieses Feldes verantwortlich.
Die Entdeckung, dass dieses Eis hauptsächlich sechseckig ist, verändert die Situation. Die Eigenschaften dieser hcp-Phase könnten die Besonderheiten dieser Magnetfelder viel genauer erklären..
