Experiment bestätigt superionischen Zustand im inneren Erdkern

Indem sie winzige Geschosse aus einer Eisen-Kohlenstoff-Legierung mit einer Hochgeschwindigkeitskanone abfeuerten, konnten Forschende erstmals experimentell belegen, dass ein ungewöhnlicher, teils fester und teils flüssigkeitsähnlicher Zustand im inneren Erdkern tatsächlich möglich ist.

Dieser superionische Materiezustand könnte auffällige Eigenschaften des Kerns schlüssig erklären: etwa warum er bestimmte Wellen abbremst und weshalb Messungen darauf hindeuten, dass er eher butterweich als starr wie kalter Stahl ist.

»Zum ersten Mal haben wir experimentell nachgewiesen, dass eine Eisen-Kohlenstoff-Legierung unter Bedingungen des inneren Erdkerns eine bemerkenswert niedrige Schergeschwindigkeit aufweist«, sagt der Physiker Youjun Zhang von der Sichuan-Universität in China.

»In diesem Zustand werden Kohlenstoffatome äußerst beweglich und diffundieren durch das kristalline Eisengerüst wie Kinder, die sich durch eine Quadrille bewegen, während das Eisen selbst fest und geordnet bleibt. Diese sogenannte ,superionische Phase‘ verringert die Steifigkeit der Legierung drastisch.«

Seismische Hinweise aus dem inneren Erdkern

Seit den 1930er-Jahren gilt für das Erdinnere überwiegend ein Modell mit einem flüssigen, geschmolzenen äußeren Kern und einem inneren Kern, der durch den enormen Druck trotz der dort herrschenden Hitze fest bleibt. Einige seismische Daten, die über Jahrzehnte erhoben wurden, deuteten jedoch darauf hin, dass dieses Bild nicht die ganze Realität abbildet.

Das Wissen über den inneren Aufbau der Erde beruht auf seismischen Beobachtungen. Wie sich Schallwellen durch Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften bewegen und an ihnen reflektiert werden, hat ein recht detailliertes Bild der inneren Architektur unseres Planeten ermöglicht. Insbesondere die geringe Geschwindigkeit von Scherwellen im Kern legt jedoch nahe, dass er zwar fest ist, aber nicht in der uns vertrauten Form.

Im Jahr 2022 zeigte ein Team unter Leitung des Geophysikers Yu He von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften theoretisch, dass Superionizität dieses Rätsel lösen könnte. Der gewaltige Druck des gesamten Erdgewichts hält das Eisen im inneren Kern zwar in einer festen Struktur, doch die extreme Hitze lässt leichtere Atome wie eine Flüssigkeit strömen und sich bewegen – ein superionischer Zustand, der zugleich fest und flüssig ist.

Stoßkompression einer Eisen-Kohlenstoff-Legierung

Experimentelle Befunde haben diese Möglichkeit nun bestätigt. Zhang, He und ihre Kolleginnen und Kollegen setzten eine Methode namens dynamische Stoßkompression ein, um ein kleines Stück Eisen-Kohlenstoff-Legierung so stark zusammenzudrücken, dass es sich genauso verhielt, wie dieselbe Legierung im inneren Erdkern reagieren sollte.

Um die Proben zu beschleunigen, verwendete das Team zweistufige Leichtgaskanonen. Diese hochpräzisen Geräte nutzen rauchloses Schießpulver und komprimiertes Gas, um winzige Teilchen mit extremen Geschwindigkeiten abzuschießen.

Für das Experiment traf das Eisen-Kohlenstoff-Geschoss mit mehr als 7 Kilometern pro Sekunde (4,3 Meilen pro Sekunde) auf ein stark komprimierbares Ziel aus Lithiumfluorid. Beim Aufprall entsteht eine rücklaufende Stoßwelle, die die Probe auf Drücke von bis zu 140 Gigapascal und auf Temperaturen von rund 2600 Kelvin (2327 °C beziehungsweise 4220 °F) verdichtet.

Damit wurden zwar nicht ganz die Bedingungen des inneren Erdkerns erreicht, in dem Drücke zwischen 330 und 360 Gigapascal sowie Temperaturen von 5000 bis 6000 Kelvin herrschen können. Die Werte reichen jedoch aus, um entscheidende Aspekte dieser Kernumgebung nachzubilden.

Die simulierten Bedingungen bestehen lediglich für Nanosekunden bis Mikrosekunden. Dennoch genügt diese Zeitspanne, um Temperatur, Dichte und die Ausbreitung akustischer Wellen mithilfe von Lasern und schnellen Sensoren zu untersuchen.

Beweglicher Kohlenstoff in fester Eisenstruktur

Tatsächlich stimmten die Ergebnisse mit der niedrigen Scherwellengeschwindigkeit und dem Maß für die Verformbarkeit – Ausdehnung und Zusammenziehung –, dem sogenannten Poisson-Verhältnis, überein, das in seismischen Messungen des inneren Erdkerns beobachtet wird.

Unter diesen Bedingungen bleibt die Eisenmatrix den Forschenden zufolge fest an ihrem Platz, wie Batman, während der Kohlenstoff sich wie ein ausgelassener Robin durch die Zwischenräume bewegt.

Das Modell ist äußerst elegant: Es erklärt, weshalb die seismischen Daten so aussehen, wie sie aussehen, und klärt mithilfe experimenteller Daten – dem Nächsten, was wir dem inneren Erdkern selbst kommen können – langjährige Debatten darüber, wie sich leichte Elemente unter extremem Druck verhalten.

Dies könnte sogar neue Erkenntnisse über das Magnetfeld der Erde liefern, eine gewaltige Struktur, die durch das Zusammenspiel von Leitung und Konvektion tief im Planeten in den Weltraum hinausreicht.

»Wir entfernen uns von einem statischen, starren Modell des inneren Kerns und bewegen uns hin zu einem dynamischen«, sagt Zhang. »Das Verständnis dieses verborgenen Materiezustands bringt uns dem Entschlüsseln der Geheimnisse erdähnlicher Planeteninnerer einen Schritt näher.«

Die Studie wurde in der Fachzeitschrift National Science Review veröffentlicht.