Die USA sind dabei, ein neues Fenster in das geheimnisvolle Innere der Erde zu öffnen

TEMPE, Arizona – In einem Labor, das von schweren schwarzen Vorhängen mit Warnschildern umgeben ist, beschwören Wissenschaftler die glühend heißen Hochdruckbedingungen im Inneren von Planeten herauf.

Zunächst pressen sie winzige Teile von Planetenbausteinen zwischen die Spitzen zweier Diamanten. Dann schießen sie Laser durch die Edelsteine, um die Dinge aufzuheizen. Fleckengroße Proben können einen Druck erreichen, der einige Millionen Mal höher ist als der, den Menschen auf der Erde spüren, und sie können so heiß werden wie die Sonnenoberfläche.

Willkommen in der heiklen, spezialisierten und manchmal explosiven Welt der Hochdruckforschung.

Das Zerkleinern und Sprengen von Proben im Labor hilft Wissenschaftlern, nach innen zu blicken und die Bedingungen in sonst unerreichbaren Tiefen des Planeten wiederherzustellen. Die Arbeit ist der Schlüssel zur Untersuchung einiger der tiefgreifendsten Fragen unserer Existenz: Was macht die Erde bewohnbar? Wie ist das Leben entstanden? Und wie erhalten geologische Prozesse, die wir noch immer nicht vollständig verstehen, das Leben heute?

In den letzten Jahren hat sich der Fokus des Feldes auch nach außen verlagert, hin zu den Tausenden von Planeten, von denen bekannt ist, dass sie andere Sterne umkreisen. Astronomen haben uns gezeigt, dass unsere Galaxie mit einer Vielzahl von Wasserwelten, Supererden, heißen Jupitern und Sub-Neptunen übersät ist, von denen einige verlockende Hinweise darauf geben, dass sie Leben beherbergen könnten. Da wir diese Planeten nicht besuchen und schon gar nicht ihr tiefes Innere erforschen können, ist es das nächstbeste, zu versuchen, sie im Labor herzustellen.

„Bisher bestand unser Hauptziel in der Geowissenschaft darin, unsere Existenz zu erklären“, sagte Dan Shim, Mineraloge an der Arizona State University, dessen Labor daran arbeitet, Planeteninnereien im Miniaturformat zu erschaffen. „Aber jetzt, mit der [Entdeckung von] Exoplaneten, werden uns neue Fragen gestellt.“

Um diese Erkundungen voranzutreiben, stehen die Vereinigten Staaten kurz davor, ihre erste wirklich „große Presse“ zu bekommen – einen zwei Stockwerke hohen Brecher, von dem Wissenschaftler seit einem Jahrzehnt geträumt haben und der von einem hydraulischen Stößel angetrieben wird, der eine Kraft von 6.000 Tonnen ausüben kann . Das Instrument mit dem Spitznamen Ichiban wird es Wissenschaftlern ermöglichen, deutlich größere Proben zu komprimieren und so unser Verständnis darüber zu verbessern, was mit Materialien unter extremen Bedingungen passiert.

Es ist Teil einer mit 13,7 Millionen US-Dollar finanzierten Einrichtung namens FORCE, die eine Reihe von Instrumenten mit neuen Quetsch-, Quetsch- und Drehfunktionen beherbergen wird.

„Wir befinden uns in einer aufregenden Zeit. Unsere Unwissenheit ist immer noch so tiefgreifend, dass wir wirklich grundlegende Fragen stellen“, sagte Joseph O'Rourke, ein Planetenforscher an der ASU.

O'Rourke führt keine Hochdruckexperimente durch, aber er nimmt die Erkenntnisse und integriert sie in Modelle, um besser zu verstehen, wie Planeten entstanden und sich entwickelt haben. Manchmal bieten diese Modelle außergewöhnliche Möglichkeiten. Er erinnerte sich an ein kürzlich abgehaltenes Seminar, bei dem ein Kollege ein Modell eines exotischen Planeteninneren vorstellte, das aus kilometerlangen Diamanten bestand.

„Man kann all diese Modelle herstellen, und diese Dinge sind gemäß Physik und Chemie technisch denkbar“, sagte O'Rourke. „Wir haben noch viel Arbeit vor uns, um die Daten zu sammeln, um herauszufinden, ob es sich bei unseren Geschichten um Science-Fiction oder wissenschaftliche Fakten handelt.“

Das Innenleben der Planeten erscheint in Lehrbuchillustrationen aufgeräumt und schlicht. Die Schichten der Erde – fester innerer Kern, geschmolzener äußerer Kern, Mantel, Kruste – sehen konzentrisch, farblich gekennzeichnet und symmetrisch aus, wie ein Gobstopper-Bonbon.

Aber in Wirklichkeit werden die Dinge weitaus komplizierter.

Durch die Messung, wie sich seismische Wellen von Erdbeben durch den Planeten bewegen, haben Geologen die Temperatur, den Druck und die Eigenschaften des Gesteins oder der Flüssigkeit im Inneren kartiert und so strukturelle Merkmale im Inneren des Planeten entschlüsselt, so wie ein Arzt einen Ultraschall liest. Diese Karten zeigen zunehmend, dass die verschachtelten Schichten des Planeten unregelmäßig, gelegentlich gebirgig und äußerst dynamisch sind.

„An der Basis des Mantels, wo Mantel und Kern zusammenkommen, gibt es einen Hinweis darauf, dass dort unten etwas wirklich Faszinierendes passiert“, sagte David Lambert, Programmbeauftragter der National Science Foundation.

Das Verständnis der Anatomie des Erdinneren ist ein entscheidender Schritt, um herauszufinden, warum das Äußere bewohnbar ist. Und vieles davon hängt von der grundlegenden Chemie ab.

Der feste innere Kern der Erde wächst, wenn geschmolzenes Material um ihn herum erstarrt und dabei leichtere Elemente freisetzt, die die turbulente Konvektion im äußeren Kern befeuern. Dadurch wird wiederum ein Magnetfeld erzeugt, das das Leben vor schädlicher kosmischer Strahlung schützt und verhindert, dass die Sonne unsere Atmosphäre wegbläst. Wärme wandert auch vom flüssigen äußeren Kern in den Mantel und trägt so zur tektonischen Aktivität bei, die zu Erdbeben und Vulkanen führt, die Gase und Staub freisetzen, die das Klima verändern können.

Der Erdkern scheint von einer rätselhaften Schicht umgeben zu sein, sagen Geologen

„Der Motor, der unser Magnetfeld am Laufen hält, hängt möglicherweise vom chemischen Verhalten von Sauerstoff oder Schwefel ab, die im brodelnden äußeren Eisenkern der Erde eingebettet sind“, sagte Quentin Williams, ein Planetenwissenschaftler an der University of California in Santa Cruz.

Eine kürzlich durchgeführte Bohrexpedition begeisterte Wissenschaftler, als sie Mantelgestein herauszog, das ungewöhnlich nahe am Meeresboden liegt. Aber die Entfernung von der Oberfläche zum Kern ist fast so lang wie die Entfernung von Washington, D.C. nach Phoenix – viel zu tief, um zu bohren.

Um einen Einblick in die Vorgänge in der Tiefe zu erhalten, „kochen und schauen“ Wissenschaftler – sie pressen und erhitzen verschiedene Kombinationen von Chemikalien im Labor und schauen dann, was dabei entsteht.

Welche chemischen Elemente die Erdschichten dominieren, wissen Wissenschaftler aus mehreren Beweisströmen, darunter Messungen der Dichte des Planeten, der Zusammensetzung von Meteoriten, die übrig gebliebene Planetenbausteine ​​sind, und Teilen des Erdinneren, die durch Vulkanausbrüche an die Oberfläche gelangen .

Seit Jahrzehnten setzen Wissenschaftler diese Zutaten enormer Hitze und Druck aus, indem sie an den Schrauben eines einfachen, handtellergroßen Geräts namens Diamantambosszelle drehen, einer von Shims Spezialitäten. Sie wurden Ende der 1950er Jahre erfunden, als die General Services Administration den Wissenschaftlern von Schmugglern beschlagnahmte Diamanten kostenlos zur Verfügung stellte.

Heutzutage ist die Forschung mit Diamantambosszellen zu einer so etablierten Nische geworden, dass Wissenschaftler Diamanten von einem Forschungslieferanten kaufen können, anstatt zu Juwelieren in Manhattan zu reisen, wie es Shim zu Beginn seiner Karriere tat.

Forscher brauchen eine stetige Versorgung, denn bei ausreichendem Druck können sogar Diamanten zerbrechen, was Wissenschaftler als „Blowout“ bezeichnen. Es klingt wie das Klirren eines Löffels auf einem Champagnerglas, aber die eigentliche Wirkung ist die emotionale für die Wissenschaftler, die ihre Experimente noch einmal von vorne beginnen müssen. Shim hat zwei Kisten mit kaputten Diamanten im hinteren Teil seines Labors stehen, einige davon sind Andenken an besonders wichtige Experimente.

Die Forschung mit Diamantambosszellen hat bisher eine Reihe spannender Erkenntnisse erbracht, die dazu beigetragen haben, die farbenfrohen Schichten der tiefen Erde freizulegen. Der obere Mantel wird von grün gefärbtem Olivin dominiert, aber unter Druck und höheren Temperaturen verwandelt es sich in ein bläuliches Mineral namens Wadsleyit und dann in einen noch tiefer blauen Ringwoodit. Eine Form von Silikatperowskit, kürzlich Bridgmanit genannt, dominiert den unteren Mantel.

Vor zwei Jahrzehnten enthüllten Experimente mit Diamantambosszellen eine neue Mineralphase an der rätselhaften Grenze zwischen Kern und Mantel. Diese Schicht fasziniert Geowissenschaftler, weil sie maßgeblich an der Wärmebewegung zwischen Kern und Mantel beteiligt ist und dabei hilft, Plattentektonik und Vulkane voranzutreiben.

Die Experimente können auch Einblicke in das Innere von Planeten jenseits der Erde geben. An einem kürzlichen Nachmittag ging der Postdoktorand Sibo Chen in Shims Labor der Frage nach, warum der Mars eine trockene, karge Einöde ist.

Von einer Roverflotte gefundene Merkmale und Mineralien deuten darauf hin, dass es vor Milliarden von Jahren auf dem Roten Planeten reichlich Wasser gegeben haben muss. Eine mögliche Erklärung dafür, warum der Mars heute so trocken ist, ist, dass Wasser tief im Inneren des Planeten das schützende Magnetfeld des Planeten zerstörte.

Chen drückte Stücke von Ringwoodit, einem Marsmantelmineral, das Wasser speichern kann, neben Eisen, das seinen Kern dominiert und sich unter Druck mit Wasserstoff verbinden kann. Das Experiment stellt im Grunde einen Wettbewerb dar, bei dem es darum geht, herauszufinden, wo Wasser – oder sein Hauptbestandteil Wasserstoff – unter Druck und Hitze landet. Präzise Drehungen von Inbusschlüsseln brachten die Probe auf den Druck an der Kern-Mantel-Grenze des Mars, etwa das 200.000-fache des atmosphärischen Drucks der Erde.

„Wir können loslegen“, sagte Chen, indem er den Laser einschaltete und auf einem Bildschirm beobachtete, wie ein leuchtender Punkt dort scharf wurde, wo der Strahl die Probe erhitzte. Als die Temperatur anstieg, begann der Punkt zu flackern.

Tage später packte Chen die Diamantambosszelle in einen speziell gepolsterten Koffer und reiste damit zu einem Röntgenstrahl in Kalifornien, um die Struktur des Minerals zu untersuchen. Er analysiert die Daten noch, aber wenn das Experiment zeigt, dass Wasserstoff in den Eisenkern gezogen wird, könnte es helfen, herauszufinden, warum das Magnetfeld des Mars vor etwa 4 Milliarden Jahren erloschen ist. Wenn ein leichtes Element wie Wasserstoff in den flüssigen Eisenkern eindringt, könnte es schweben und oben eine stabile Schicht bilden, die die konvektive Bewegung unterbricht, die das Magnetfeld antreibt.

So aufschlussreich diese Experimente auch waren, Diamantambosszellen haben ihre Grenzen. Zum einen müssen die Proben mikroskopisch klein und dünner als ein menschliches Haar sein. Um größere Proben auszupressen, greifen Wissenschaftler auf ein anderes Gerät zurück, die sogenannte Multi-Amboss-Presse.

Kurt Leinenweber, einer der Leiter der neuen FORCE-Anlage an der ASU, erinnert sich an eine Reise nach Japan im Jahr 1989, als er zum ersten Mal eine Multi-Amboss-Presse verwenden konnte, die in einem Labor einige der im Inneren stattfindenden Mineralveränderungen erzeugen konnte Erde.

„Ich war so aufgeregt, dass ich nachts nicht schlafen konnte“, erinnerte er sich. „Ich lag einfach da und konnte nicht aufhören, an die Dinge zu denken, die man tun könnte.“

Heutzutage werden in Laboren im ganzen Land Multi-Amboss-Pressen verwendet, aber Wissenschaftler können die übergroße Ichiban verwenden, um Proben in der Größe eines Radiergummis zu testen und Messungen durchzuführen, die in kleineren Maßstäben schwierig sind.

„Man kann ihre physikalischen Eigenschaften – Schallgeschwindigkeiten, elektrische Leitfähigkeit, Wärmeleitfähigkeit – messen, weil man etwas in der Hand hat“, nicht einen Fleck unter dem Mikroskop, sagte Robert C. Liebermann, Forschungsprofessor am Fachbereich Geowissenschaften der Universität Stony Brook Universität. Er ist seit mehr als vier Jahrzehnten auf diesem Gebiet tätig und freut sich, dass die Vereinigten Staaten endlich eine große Presse bekommen und damit zu Japan, Deutschland und China aufschließen.

Aber um die extremen Drücke im Erdkern – oder im Inneren noch größerer Planeten – zuverlässig zu erreichen, benötigen Wissenschaftler neue Werkzeuge.

„Das Verhalten des Kerns – da sind experimentelle Techniken ziemlich primitiv“, sagte Alexandra Navrotsky, Direktorin des Navrotsky Eyring Center for Materials of the Universe an der ASU.

Wissenschaftler, die extremste Drücke erzeugen wollen, schießen Projektile aus einer Gaskanone oder setzen leistungsstarke Laserimpulse ein. Forscher erhalten möglicherweise nur eine Millionstel- oder Milliardstelsekunde an Daten, aber sie können ihre Proben auf Drücke bringen, die denen im Erdkern ähneln – oder höher. Das ist besonders spannend für Exoplanetenstudien, da einige der bisher gefundenen außerirdischen Welten extremer sind als alles andere in unserem Sonnensystem.

Supererden sind eine Kategorie von Exoplaneten, die hinsichtlich ihrer Bewohnbarkeit für Aufsehen gesorgt haben. Eine zentrale Frage ist, ob diese Planeten in ihrem Inneren einen wirbelnden flüssigen Kern enthalten, der ein schützendes Magnetfeld erzeugt und ihre Oberflächen potenziell bewohnbar macht.

Sally June Tracy von der Carnegie Institution for Science in Washington führt diese Experimente in Sekundenbruchteilen durch. Sie sagte, eines der Dinge, die sie an dem gesamten Gebiet am spannendsten finde, sei, dass die Experimente völlig unterschiedliche Zeit- und Größenskalen umfassen und die Miniatur erforschen, um Bilder in Planetengröße auszufüllen.

„Wir führen ultraschnelle Experimente durch, um über die Geschichte des Sonnensystems nachzudenken, und arbeiten mit sehr kleinen Proben … um großräumige Prozesse zu verstehen, die die Entwicklung planetarer Körper beeinflussen“, sagte Tracy.

„Das haut mich einfach um.“