Wasser-Ozeane in der Kruste von Eisplaneten

Der 200.000- bis 400.000-fache Druck der Erdatmosphäre, dazu Temperaturen um die 1500 Kelvin – das klingt nach ungemütlichen Bedingungen. Sie herrschen dort, wo bei Wasser-Eis-Planeten unter den Ausmaßen des Neptun das Eis in den felsigen Kern übergeht. Gibt es unter diesen Umständen flüssiges Wasser, und wenn ja, wie interagiert es mit dem felsigen Meeresboden des Planeten? Neue Experimente zeigen, dass auf Wassereisplaneten zwischen der Größe unserer Erde und bis zum Sechsfachen dieser Größe das Wasser selektiv Magnesium aus typischen Gesteinsmineralien auslaugt.

Ein internationales Forscherteam unter der Leitung von Taehyun Kim von der Yonsei-Universität in Seoul, Korea, führte sowohl an PETRA III (Hamburg) als auch an der Advanced Photon Source (Argonne, USA) eine Reihe von anspruchsvollen Experimenten durch, die zeigen, wie Wasser bei Drücken zwischen 20 und 40 Gigapascal (GPa) Magnesiumoxid (MgO) aus bestimmten Mineralen, nämlich Ferropericlase (Mg,Fe)O und Olivin (Mg,Fe)2SiO4, stark auslaugt. Die Forscher platzierten dazu Kügelchen aus Ferropericlase bzw. Olivinpulver zusammen mit Wasser in einer winzigen Probenkammer, die in eine Metallfolie gebohrt war, und setzten sie mit Hilfe einer Diamant-Amboss-Zelle (DAC) unter Druck. Außerdem erhitzten sie die Proben, indem sie die Diamant-Ambosse mit einem Infrarotlaser durchstrahlten.

Anschließend beobachteten sie die Umwandlung und den Zerfall von Mineralien durch die Reaktion mit Wasser. Es kam u.a. zu einer Abnahme des Beugungssignals der Ausgangsminerale und zum Auftreten neuer fester Phasen, einschließlich Brucit (Magnesiumhydroxid). Sergio Speziale vom Deutschen GeoForschungsZentrum GFZ erklärt: „Dies zeigte den Beginn chemischer Reaktionen und die Auflösung der Magnesiumoxid-Komponente sowohl von Ferropericlase als auch von Olivin. Die Auflösung war in einem bestimmten Druck-Temperatur-Bereich zwischen 20 bis 40 Gigapascal und 1250 bis 2000 Kelvin am stärksten.“ Die Details des Reaktionsprozesses und die daraus resultierende chemische Entmischung von MgO aus den Restphasen wurden durch gründliche Rasterelektronenmikroskopie (REM) und Röntgenspektroskopie der gewonnenen Proben bestätigt. Das Ergebmis ist durchaus verblüffend: „Bei diesen extremen Drücken und Temperaturen erreicht die Löslichkeit von Magnesiumoxid in Wasser ähnliche Werte wie die von Salz bei Umgebungsbedingungen“, erklärt Speziale.

Die Wissenschaftler schlussfolgern, dass die intensive Auflösung von MgO an der Grenzfläche zwischen der Wasserschicht und dem darunter liegenden Gesteinsmantel bei wasserreichen Sub-Neptun-Exoplaneten mit entsprechender Größe und Zusammensetzung wie etwa TRAPPIST-1f in den frühen heißen Phasen der Planetengeschichte chemische Gradienten erzeugen könnte. Diese Gradienten, die eine Voraussetzung für die spätere Entwicklung von Leben sind, könnten am planetaren Meeresboden auch über die lange Abkühlungszeit hinaus erhalten bleiben. Spuren von anfänglichen Wechselwirkungen zwischen Wasser und Gesteinsmaterial während der planetaren Akkretion blieben demnach auch bei großen Eisplaneten von der Größe des Uranus über Milliarden von Jahren erhalten.

Schnittdiagramm eines wasserreichen Sub-Neptun-Exoplaneten, das in oranger Farbe die Wechselwirkungsregion zwischen einer tiefen Wasserschicht und dem darunter liegenden Gesteinsmantel hervorhebt (Bild: S. Speziale / GFZ)

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BrandonQMorris
  • BrandonQMorris
  • Brandon Q. Morris, 54, ist Physiker und beschäftigt sich beruflich und privat schon lange mit den spannenden Phänomenen des Alls. So ist er für den redaktionellen Teil eines Weltraum-Magazins verantwortlich und hat mehrere populärwissenschaftliche Bücher über Weltraum-Themen geschrieben. Er wäre gern Astronaut geworden, musste aber aus verschiedenen Gründen auf der Erde bleiben. Ihn fasziniert besonders das „was wäre, wenn“. Sein Ehrgeiz ist es deshalb, spannende Science-Fiction-Geschichten zu erzählen, die genau so passieren könnten – und vielleicht auch irgendwann Realität werden.