Die Aggregatzustände des Wasser – fest, flüssig und gasförmig – kennen wir. Wasser kann allerdings in seiner festen Phase, als Eis, mehr als ein Dutzend verschiedene Strukturen bilden, deren Eigenschaften sich unterscheiden. Das gewöhnliche Eis auf den Pfützen, das uns auf der Nordhalbkugel bald wieder erwartet, ist da nur die Spitze des Eisbergs. Wissenschaftlern ist es nun gelungen, im Labor eine Eisphase herzustellen, die wesentlich dunkler als normales Eis – superionisches Eis. Diese Art von Eis bildet sich bei extrem hohen Temperaturen und Drücken, wie sie tief im Inneren von Planeten wie Neptun und Uranus herrschen. Bisher haben es die Forscher immer nur für kurze Augenblicke geschafft, solches Eis zu erzeugen, indem sie eine Schockwelle durch einen Wassertropfen schickten. In der neuen, in Nature Physics veröffentlichten Studie fanden sie nun einen Weg, das Eis zuverlässig zu erzeugen, zu erhalten und zu untersuchen.

“Es war eine Überraschung – alle dachten, dass diese Phase erst bei viel höheren Drücken auftritt, als wir sie gefunden haben”, sagte Studienmitautor Vitali Prakapenka, Forschungsprofessor an der University of Chicago. “Aber wir waren in der Lage, die Eigenschaften dieses neuen Eises, das eine neue Phase der Materie darstellt, dank mehrerer leistungsfähiger Instrumente sehr genau zu kartieren.”

Derzeit wissen wir immer noch nicht genau, was sich tief im Inneren der Erde oder ihrer Geschwisterplaneten befindet. Selbst auf heimischem Territorium haben wir uns erst weniger als 15 Kilometer in die Tiefe gegraben, bevor die Ausrüstung aufgrund der extremen Hitze und des Drucks zu schmelzen begann. Unter diesen Bedingungen verhält sich Gestein eher wie Plastik, und selbst die Strukturen von Grundmolekülen wie Wasser beginnen sich zu verändern.

Prakapenka und seine Kollegen nutzen das APS, einen massiven Beschleuniger, der Elektronen auf extrem hohe Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit bringt, um Röntgenstrahlen zu erzeugen. Sie quetschen ihre Proben zwischen zwei Diamantstücke, um hohen Druck zu erzeugen, und schießen dann Laser durch die Diamanten, um die Probe zu erhitzen. Schließlich schicken sie einen Röntgenstrahl durch die Probe und messen damit die Anordnung der Atome im Inneren anhand der Streuung der Röntgenstrahlen. Als die Forscher die Experimente zum ersten Mal durchführten, sah Prakapenka Messwerte, die ganz anders waren als erwartet. Der Forscher ging davon aus, dass etwas schief gelaufen sei – etwa in Form einer unerwünschten chemischen Reaktion, was bei solchen Experimenten mit Wasser häufig vorkommt. “Aber als ich den Laser abschaltete und die Probe auf Raumtemperatur zurückkehrte, kehrte das Eis in seinen ursprünglichen Zustand zurück”, sagt Prakapenka. “Das bedeutet, dass es sich um eine reversible, strukturelle Veränderung handelt und nicht um eine chemische Reaktion”.

Anschließend gelang es den Forschern, Struktur und Eigenschaften dieser neuen Eisphase genau zu kartieren. “Stellen Sie sich einen Würfel vor, ein Gitter mit Sauerstoffatomen an den Ecken, die durch Wasserstoff verbunden sind”, sagt Prakapenka. “Wenn es sich in diese neue superionische Phase umwandelt, dehnt sich das Gitter aus, sodass die Wasserstoffatome wandern können, während die Sauerstoffatome an ihren Positionen bleiben. Es ist wie ein festes Sauerstoffgitter, das in einem Ozean aus schwimmenden Wasserstoffatomen sitzt. Dies hat Auswirkungen auf das Verhalten des Eises: Es wird weniger dicht, aber deutlich dunkler, weil es mit dem Licht anders wechselwirkt. Die gesamte Bandbreite der chemischen und physikalischen Eigenschaften von superionischem Eis muss jedoch erst noch erforscht werden. Es handelt sich um einen neuen Zustand der Materie, d. h. es verhält sich im Grunde wie ein neues Material.”

Die Ergebnisse waren auch deshalb überraschend, weil theoretische Wissenschaftler diese Phase zwar vorhergesagt hatten, die meisten Modelle aber davon ausgingen, dass sie erst dann auftritt, wenn das Wasser auf einen Druck von mehr als 50 Gigapascal komprimiert wird (was in etwa den Bedingungen entspricht, die im Raketentreibstoff herrschen, wenn er zum Start explodiert). Bei diesen Experimenten herrschte jedoch nur ein Druck von 20 Gigapascal. Die neue, dunkle Eisphase könnte sich als wichtig für unsere Vorstellungen von der Entstehung der Planeten erweisen. Wissenschaftler gehen davon aus, dass im Inneren von Neptun und Uranus und anderen kalten, felsigen Planeten in anderen Teilen des Universums ähnliche Bedingungen herrschen. Denken Sie dabei auch an “Amphitrite – der schwarze Planet”? Superionisches Eis ist besonders wichtig, weil es eine Rolle für die Magnetfelder eines Planeten spielt, die wiederum einen großen Einfluss auf seine Fähigkeit haben, Leben zu beherbergen.