Robert Klatt
Der Erdkern enthält laut Hochdruckexperimenten mehr Wasserstoff als alle Ozeane, der Erdmantel und die Erdkruste zusammen. Dieser ist wohl während der Entstehungsphase des Planeten in den Erdkern gelangt und stammt aus Staub aus der Urwolke.
Zürich (Schweiz). Der Erdkern, der laut einer Studie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) einen exotischen Materiezustand, der fest und flüssig zugleich ist, haben könnte, stellt die Forschung noch immer vor viele offene Fragen, etwa zu seiner Zusammensetzung. Messungen deuten darauf hin, dass seine Metalllegierung noch weitere, leichtere Elemente enthalten muss. Welche Elemente dies sind und wie hoch ihr Anteil ist, ist in der Geologie aber umstritten.
„Der geschätzte Anteil von Wasserstoff im Erdkern überspannt vier Größenordnungen von zehn bis 10.000 Gewichtsanteilen pro eine Million.“
Dongyang Huang von der ETH Zürich erklärt, dass die meisten Daten zur Zusammensetzung des Erdkerns mit Hochdruckexperimenten erhoben wurden, die untersucht haben, wie viel Wasserstoff sich bei den extremen Bedingungen in der Eisenlegierung löst. Die Wissenschaftler haben deshalb einen anderen Forschungsansatz verwendet und mit einem Hochdruckexperiment sowohl den eisenhaltigen Erdkern als auch den Erdmantel nachgebildet. Im Labor wurden dabei eine Temperatur von bis zu 5.300 Grad Celsius und ein maximaler Druck von rund 85 Gigapascal erreicht, also Bedingungen, die denen des flüssigen Erdkerns nahezu gleichen.
„Die größte Herausforderung bestand darin, Wasserstoff unter solch extremen Bedingungen im Nanobereich nachzuweisen. Mithilfe modernster Tomografie konnten wir schließlich visualisieren, wie sich diese Atome innerhalb des metallischen Eisens verhalten.“
Die Extrembedingungen während des Experiments haben dazu geführt, dass sich das Silizium, Sauerstoff und Wasserstoff aus dem Silikat gelöst haben und in das flüssige Metall des Eisenkerns übergegangen sind. Beim Abkühlen entstanden dort sogenannte Nanocluster, die aus Eisen und den drei leichteren Elementen bestehen.
„Wasserstoff und Silizium verbinden sich dabei mit Sauerstoff, dabei stehen Wasserstoff und Silizium immer im Verhältnis von 1:1.“
Weil der Siliziumgehalt des Erdkerns bereits als relativ gut eingegrenzt gilt, erlauben die neuen Ergebnisse des Experiments Rückschlüsse auf den Wasserstoffgehalt des Metalls im Erdkern. Laut dem Modell enthält dieser den mit deutlichem Abstand größten Wasserstoffvorrat der Erde. Dieser ist größer als alle Ozeane, der Erdmantel und die Erdkruste zusammen.
„Unseren Messungen zufolge enthält der Erdkern zwischen 0,07 und 0,36 Gewichtsprozent Wasserstoff. Das entspricht neun- bis 45-mal so viel Wasserstoff wie in den Ozeanen der Erde.“
Wie die Forscher erklären, sind die von ihnen bestimmten Wasserstoffwerte geringer als in früheren Modellen. Es besteht somit ein Dichtdefizit im Erdkern, das durch leichtere Elemente zu erklären ist. Wasserstoff ist also nicht das einzige leichte Element des Erdkerns, hat aber einen hohen Anteil an den dort vertretenen leichten Elementen.
„Um das Dichtdefizit des Erdkerns zu erklären, muss dieser eine Mischung leichterer Elemente enthalten, ähnlich wie auch der Kern des Mars.“
Die neuen Messdaten liefern zudem neue Erklärungsmöglichkeiten für die Frage, ob der Wasserstoff und die anderen leichten Elemente bereits in der Entstehungsphase der Erde dort eingeschlossen wurden oder ob sie erst später aus dem Erdmantel dorthin diffundiert sind. Demnach ist es wahrscheinlicher, dass sie aus der Entstehungszeit des Planeten stammen, etwa durch Staub aus der Urwolke, der den Wasserstoff auf die entstehende Erde mitgebracht hat.
„Die Erde muss den Großteil ihres Wassers aus der Hauptphase der Akkretion erhalten haben.“
Quellen:
Pressemitteilung der ETH Zürich
Studie im Fachmagazin Nature Communications, doi: 10.1038/s41467-026-68821-6
