Flüssig und fest: Forscher lösen Wasser-Rätsel

Tief in der Mitte entfernter Planeten gelten für Wasser andere Gesetze: Unter Druck und Temperaturen, die auf der Erde nicht vorkommen, erreicht Wasser einen Zustand, der lange Rätsel aufgab. Ein internationales Wissenschaftsteam hat in einerStudiejetzt die bislang eindeutigsten experimentellen Beweise für sogenanntes superionisches Wasser geliefert und damit einen jahrelangen Streit in der Wissenschaft beendet.

Wasser: Ein Kristall, der fließt

Supersolides Wasser ist weder vollständig fest noch wirklich flüssig. Die Sauerstoffatome bilden ein kristallines Gitter, während sich die Wasserstoffionen fast frei darin bewegen. Physiker vergleichen dies oft mit einem Gefängnis: Die Stäbe des Gitters sind stabil, doch die Häftlinge können ungehindert herumlaufen. Diese besondere Kombination verleiht dem Material eine hohe elektrische Leitfähigkeit.

Dieser Zustand entsteht nur bei extremen Bedingungen. In den neuesten Experimenten wurde Wasser einem Druck von bis zu 180 Gigapascal ausgesetzt – fast dem 1,8-Millionenfachen des normalen Luftdrucks – und auf mehrere tausend Grad erhitzt. Solche Verhältnisse sind tief im Inneren der Eisriesen Uranus und Neptun zu finden.

Laserblick in den Nanosekundenmoment

Um diese extreme Umgebung im Labor nachzuahmen, verwendeten die Forscher laut eigenen Angaben die leistungsstärksten Röntgenlaser der Welt. Dünne Wasserschichten, zwischen Diamantfenstern eingeschlossen, wurden durch Laserimpulse plötzlich komprimiert. Jeder Test dauerte nur einige Nanosekunden und zerstörte das Material – doch ultrakurze Röntgenblitze mit einer Dauer von lediglich 50 Femtosekunden fixierten den atomaren Zustand wie eine Fotografie.

Es gelang erstmals, die innere Struktur des superionischen Wassers mit hoher Genauigkeit zu untersuchen. Das Ergebnis überraschte sogar Experten.

Ordnung und Unordnung zugleich

Schwer vorstellbar, wie sich die Sauerstoffatome im superionischen Wasser anordnen. Einige Experimente deuteten auf eine bestimmte Kristallstruktur hin, andere auf eine völlig andere. Die neuesten Messungen zeigen nun: Beide hatten teilweise Recht.

Bei mittlerem Druck scheinen zwei verschiedene Kristallstrukturen nebeneinander zu existieren. Der Grund dafür liegt in der Physik selbst: Beide Formen sind energetisch fast gleichwertig. Das Wasser „kann sich nicht entscheiden“ und bildet lokal abwechselnd eine oder die andere Struktur aus.

Bei höherem Druck zeigt sich zwar eine Ordnung, doch auch diese ist nicht vollständig. Etwa ein Viertel der Kristalllagen weicht davon ab und lagert sich anders an. Diese inhärente Unordnung, sogenannte Stapelfehler, war bisher nur aus theoretischen Berechnungen bekannt. Jetzt wurde sie experimentell bestätigt.

Bedeutung von Uranus und Neptun

Die Entdeckung ist für Fachleute viel mehr als nur ein kleiner Aspekt. Superionisches Wasser wird als Schlüssel zur Erklärung der ungewöhnlichen Magnetfelder von Uranus und Neptun angesehen. Im Gegensatz zu Erde oder Jupiter sind diese Felder stark geneigt und nicht zentriert. Fließende, elektrisch geladene Wasserstoffionen im Inneren der Planeten könnten diese Felder erzeugen und ihre Form beeinflussen.

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Ob die aktuell beobachtete Unordnung im Kristall dauerhaft bleibt oder nur während der schnellen Kompression auftritt, ist noch unklar. Falls sie stabil bleibt, könnte sie den Transport von Wärme und elektrischer Ladung beeinflussen, was Auswirkungen auf die Dynamik ganzer Planeten haben könnte.