Grafische Darstellung eines Querschnitts vom Planeten Neptun mit einem Regen aus Diamanten im Inneren.
Bei Experimenten an der Linac Coherent Light Source – einem der stärksten Röntgenlaser der Welt – konnte ein internationales Forscherteam um den HZDR-Physiker Dr. Dominik Kraus zeigen, dass sich im Inneren riesiger Eisplaneten, wie dem hier dargestellten Neptun, Methanverbindungen in Kohlen- und Wasserstoff auftrennen. Der Kohlenstoff verwandelt sich dabei in einen "Diamantregen". Bildrechte: Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory

Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf Neptun hat ein Herz aus Diamanten

Wenn Diamanten die besten Freunde eines Mädchens sind - wie Hollywood-Ikone Marylin Monroe es besang - dürfte der Neptun künftig ihr neuer Sehnsuchtsort sein: Denn in dem Planeten regnet es Diamanten. Bisher haben Physiker über den Effekt im Inneren von Eisplaneten nur spekulieren können. Nun hat ein internationales Team um Wissenschaftler des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf den glitzernden Niederschlag erstmals experimentell beobachtet. Diesen Effekt können wir auch auf der Erde nutzen.

Grafische Darstellung eines Querschnitts vom Planeten Neptun mit einem Regen aus Diamanten im Inneren.
Bei Experimenten an der Linac Coherent Light Source – einem der stärksten Röntgenlaser der Welt – konnte ein internationales Forscherteam um den HZDR-Physiker Dr. Dominik Kraus zeigen, dass sich im Inneren riesiger Eisplaneten, wie dem hier dargestellten Neptun, Methanverbindungen in Kohlen- und Wasserstoff auftrennen. Der Kohlenstoff verwandelt sich dabei in einen "Diamantregen". Bildrechte: Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory

Das Innenleben von Eisplaneten wie Neptun oder Uranus sieht immer ähnlich aus: Ein fester Kern in der Mitte wird umschlossen von dichten Schichten "Eis". Dieses kosmische "Eis" besteht aus Kohlenwasserstoffen, Wasser und Ammoniak. Deshalb gab es unter Astrophysikern schon länger die Vermutung, dass die Kohlenwasserstoffe aufgetrennt werden - und zwar, weil etwa 10.000 Kilometer unter der Oberfläche solcher Planeten extrem hohe Drücke herrschen. Dabei bilden sich Diamanten, die dann weiter ins Innere des Planeten sinken.

Planet Neptun
Der Eisplanet Neptun Bildrechte: IMAGO

"Bislang konnte dieser glitzernde Niederschlag aber nicht direkt experimentell beobachtet werden“, erzählt Dr. Dominik Kraus vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR). Genau das konnte der Leiter einer Helmholtz-Nachwuchsgruppe mit einem Team aus deutschen und US-amerikanischen Wissenschaftlern jetzt ändern: Unter anderem mithilfe eines ultrastarken Röntgenlasers simulierten sie Bedingungen wie im Inneren der kosmischen Giganten. Dadurch konnten die Forscher erstmals in Echtzeit die Aufspaltung von Kohlenwasserstoff und die Umwandlung des Kohlenstoffes in Diamant beobachten. Ihre Ergebnisse haben sie in der Fachzeitschrift "Nature Astronomy" veröffentlicht.

Proben mit Schockwellen beschossen

Für ihre Experimente haben die Forscher eine spezielle Form von Plastik als Probe genutzt: Polysterol. Das besteht aus einer Mischung von Kohlen- und Wasserstoff. Diese Proben wurden Bedingungen ausgesetzt, die dem Innenleben von Neptun und Uranus ähneln - und zwar mithilfe zweier Schockwellen, die die Wissenschaftler durch das Polysterol geschossen haben. Diese Schockwellen haben die Forscher mit einem extrem starken optischen Laser in Kombination mit dem stärksten Röntgenlaser der Welt, der Linac Coherent Light Source (LCLS), erzeugt.

Linac Coherent Light Source (LCLS) Die Linac Coherent Light Source (LCLS) ist eine Röntgenlaserquelle am SLAC National Accelerator Laboratory in Stanford - einer Forschungseinrichtung des US-Amerikanischen Energiemnisteriums, betrieben von der Stanford University. Die Röntgenimpulse des LCLS sind 80 Femtosekunden lang und haben Wellenlängen zwischen 0,15 und 15 Nanometern. Sie können beispielsweise genutzt werden, um atomare und molekulare Vorgänge mit hoher Zeitauflösung zu vermessen. Im LCLS werden auf einer etwa einen Kilometer langen Strecke Elektronen beschleunigt und anschließend abgelenkt. Der 420 Millionen US-Dollar teure Laser ist der erste für harte Röntgenstrahlung und gilt als der stärkste Röntgenlaser der Welt.

Das Ergebnis des Experiments: Das Plastik wurde mit einem Druck von rund 150 Gigapascal bei einer Temperatur von rund 5.000 Grad Celsius zusammengedrückt und es bildeten sich tatsächlich Diamanten. Da das nur Bruchteile von Sekunden dauert, haben die Forscher mithilfe von ultraschneller Röntgenbeugung - einer Art Röntgenstrahl-Kamera - Momentaufnahmen von der Entstehung der Diamanten und der chemischen Prozesse gemacht.

Die erste, kleinere und langsamere Welle wird dabei von der stärkeren, zweiten überholt. In dem Moment, in dem sich beide Wellen überschneiden, bilden sich die meisten Diamanten. Die Experimente zeigen, dass sich fast alle Kohlenstoff-Atome in nanometergroße Diamantstrukturen zusammenschließen

Dr. Dominik Kraus, Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf

Tausende Jahre Diamantenregen

Diamanten
Sind die Eisplaneten-Diamanten auch so groß? Bildrechte: Colourbox

Im Experiment bildeten sich nur winzige, mit bloßem Auge nicht sichtbare Diamanten. Doch ausgehend von den Ergebnissen vermuten die Forscher, dass die Diamanten auf Neptun und Uranus viel größere Strukturen bilden und womöglich über tausende Jahre langsam in den Planetenkern hinabsinken. Doch diese Ergebnisse helfen nicht nur die Planeten in unserem Sonnensystem besser zu verstehen, erklärt Helmholtz-Forscher Kraus.

"Aus unseren Erkenntnissen können wir außerdem Informationen gewinnen, um den Aufbau von Exoplaneten besser zu verstehen." Denn bei diesen Planeten außerhalb unseres Sonnensystems können Forscher vor allem zwei Kerngrößen messen: die Masse, die sich aus Positionsschwankungen des Muttersterns ergibt, und den Radius, den Astronomen aus dem Schatten ableiten, der sich bildet, wenn der Planet einen Stern passiert. Das Verhältnis zwischen den beiden Größen liefert den Forschern dann Anhaltspunkte über den chemischen Aufbau des Planeten - also darüber, ob er sich etwa aus leichten oder schweren Elementen zusammensetzt.

Und die chemischen Prozesse im Inneren verraten uns wiederum Aspekte über entscheidende Eigenschaften der Planeten. Dadurch können wir die Planentenmodelle verbessern. Wie unsere Untersuchungen zeigen, sind Simulationen hier bislang nicht exakt.

Dr. Dominik Kraus, Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf

Nano-Diamanten für die Industrie

Doch die Forschungen der Astrophysiker könnten auch auf der Erde einen ganz praktischen Nutzen haben. Denn solche Nano-Diamanten, wie die aus den Experimenten, würden unter anderem für elektronische Instrumente und medizinische Verfahren, aber auch als Schneidstoffe in der industriellen Fertigung verwendet. Bisher mussten sie mithilfe von Sprengungen hergestellt werden. Doch die Laser-Methode könnte nun ein Verfahren ermöglichen, dass sauberer und leichter zu kontrollieren ist, heißt es seitens der HZDR-Forscher.

Über dieses Thema berichtet MDR SACHSEN: im Radio | 21.08.2017 | 18:00 Uhr

Zuletzt aktualisiert: 21. August 2017, 17:00 Uhr