Magnesiumoxid ist einer der wichtigsten Bausteine im tiefen Erdmantel und kommt im Alltag in Magnesiumtabletten und feuerfesten Ofensteinen vor. Unter dem Druck, der tief im Inneren großer Planeten herrscht, bleibt das Mineral bis rund 13.200 Kelvin fest, also bei fast 13.000 Grad Celsius und mehr als doppelt so heiß wie die Oberfläche der Sonne. Das zeigen Laserexperimente von Forschern des Lawrence Livermore National Laboratory und der Johns Hopkins University. Zugleich lösen sie ein Rätsel, das die Fachwelt jahrelang beschäftigt hat: Wie sich der Kristall verwandelt, hängt davon ab, aus welcher Richtung man ihn zusammenpresst.
Ganz unten im Erdmantel, knapp oberhalb des flüssigen Eisenkerns, herrschen Bedingungen, die sich kaum vorstellen lassen. Der Druck liegt dort bei etwa dem 1,3-Millionenfachen des Luftdrucks, die Temperatur bei mehreren Tausend Grad. Ein großer Teil des Gesteins besteht hier aus Kristallen, die überwiegend aus Magnesiumoxid aufgebaut sind. In sogenannten Supererden, also Gesteinsplaneten mit einem Mehrfachen der Erdmasse, ist der Druck noch höher. Dort könnte sich Magnesiumoxid in eine neue, dichtere Kristallform umwandeln oder sogar zu einer elektrisch leitenden Schmelze werden, die ein Magnetfeld erzeugt. In Gasriesen wie Jupiter und Saturn steckt die Verbindung womöglich sogar im Kern.
Wer verstehen will, wie solche Planeten entstehen, Wärme transportieren und sich über Milliarden Jahre entwickeln, muss deshalb wissen, wie sich Magnesiumoxid unter extremen Bedingungen verhält. Genau hier klaffte seit Jahren eine Lücke. Experimente lieferten immer wieder Ergebnisse, die nicht zu den theoretischen Berechnungen passten. Ein Team um den Physiker Raymond Smith vom Lawrence Livermore National Laboratory hat diesen Widerspruch nach fast zwölf Jahren Arbeit aufgelöst. Die Studie, die dritte einer Serie, ist im Fachjournal Physical Review X erschienen und frei zugänglich.
Das auffälligste Ergebnis betrifft den Schmelzpunkt. Bei normalem Luftdruck schmilzt Magnesiumoxid bei etwa 2.800 Grad Celsius, weshalb es seit Langem zur Auskleidung von Hochöfen und Industrieöfen dient. Unter dem enormen Druck im Experiment stieg dieser Wert dramatisch an. Oberhalb von 572 Gigapascal, das entspricht etwa dem 5,7-Millionenfachen des Luftdrucks und rund dem 1,6-Fachen des Drucks im Erdmittelpunkt, schmolzen alle Proben vollständig bei 13.200 Kelvin. Die Messunsicherheit geben die Forscher mit plus minus 24 Gigapascal und plus minus 600 Kelvin an. Zum Vergleich: Die sichtbare Oberfläche der Sonne ist rund 5.500 Grad Celsius heiß.
Nach Angaben des Teams ist das die höchste Schmelztemperatur, die bislang in einem Experiment für ein Material gemessen wurde. In der Fachveröffentlichung formulieren die Autoren etwas vorsichtiger: Magnesiumoxid sei der Feststoff mit der höchsten Temperatur, die unter Bedingungen wie im Inneren von Planeten gemessen wurde. „Solch hohe Schmelzbedingungen könnten unser Verständnis der physikalischen Prozesse verändern, die die Entstehung der Erde geprägt haben“, sagt Smith. Magnesiumoxid könne in der jungen Erde als Erstes aus den damaligen Magmaozeanen auskristallisiert sein und auch beeinflusst haben, wie viel Material bei einem gewaltigen Einschlag verdampfte. Gemeint ist etwa die Kollision, aus der nach gängiger Vorstellung der Mond hervorging.
Solche Zustände lassen sich im Labor nur für sehr kurze Zeit herstellen. Die Forscher nutzten dafür die Laseranlage Omega EP am Laboratory for Laser Energetics der University of Rochester. Ein starker Laserpuls trifft dabei auf eine winzige Probe aus einem einzelnen Magnesiumoxid-Kristall und schickt eine Stoßwelle hindurch. Für wenige Milliardstelsekunden entstehen so Drücke von bis zu 600 Gigapascal und Temperaturen um 13.000 Kelvin, bevor die Probe zerstört wird.
In diesem winzigen Zeitfenster maß das Team gleich mehrere Größen auf einmal. Optische Verfahren erfassten die Geschwindigkeit der Stoßwelle und die Temperatur, ein Röntgenblitz durchleuchtete die Probe. Aus dem Beugungsmuster der Röntgenstrahlen lässt sich ablesen, wie die Atome angeordnet sind. Dieser Zugang ist entscheidend, denn eine Umwandlung des Kristalls zeigt sich als plötzlicher Knick im sonst gleichmäßigen Anstieg der Temperatur. Erst die Kombination beider Messungen verriet, was in der Probe tatsächlich geschieht.
Magnesiumoxid hat bei normalen Bedingungen dieselbe würfelförmige Kristallstruktur wie Kochsalz. Unter hohem Druck klappt sie in eine dichtere Anordnung um, die Fachleute als B2-Struktur bezeichnen. Lange galt die Annahme, dass es bei so extremen Drücken und Temperaturen keine Rolle mehr spielt, aus welcher Richtung der Kristall zusammengedrückt wird. „Wir begannen mit einem Rätsel. Warum stimmten unsere Messungen nicht mit dem erwarteten Verhalten von Magnesiumoxid überein?“, sagt Smith. Der Durchbruch sei gekommen, als das Team genau diese stillschweigende Annahme infrage stellte.
Die Forscher schickten ihre Stoßwellen deshalb in drei Richtungen durch den Würfel: senkrecht auf eine Würfelfläche, entlang der Diagonale einer Fläche und entlang der Raumdiagonale quer durch den ganzen Würfel. „Was wir beobachteten, hat uns verblüfft“, sagt Smith. „Keiner von uns hatte eine so komplexe Reaktion auf eine bloße Änderung der Kompressionsrichtung erwartet.“ Es habe mehrere Jahre und Fortschritte in jedem Teil der Auswertung gebraucht, um die Messungen zu verstehen.
Entlang der Raumdiagonale verhielt sich das Mineral wie im Lehrbuch. Die Temperaturkurve zeigte klare Stufen, wie sie für eine geordnete Abfolge von Kochsalzstruktur über B2-Struktur bis zur Schmelze typisch sind. In den anderen Richtungen dagegen verzögerte sich die Umwandlung um rund 80 Gigapascal. Die Daten deuten darauf hin, dass sich direkt an der Front der Stoßwelle eine hauchdünne, kurzlebige Schicht bildet, in der die Atome ungeordnet oder sogar flüssig sind. Erst dahinter wachsen unregelmäßig neue Kristalle der dichteren Form. Diese blitzartige Unordnung hilft dem Material offenbar, die gewaltige Spannung abzubauen, die beim schlagartigen Zusammenpressen in einer Richtung entsteht.
„Indem wir die optischen Messungen der sehr dünnen Zone an der Stoßfront mit den Röntgenaufnahmen eines viel größeren Bereichs dahinter verknüpft haben, konnten wir verstehen, warum die Kompressionsrichtung einen Unterschied macht“, sagt der Mitautor Marius Millot. Damit ließen sich frühere Widersprüche zwischen Theorie und Experiment erklären. Nach Angaben des Teams können die Richtungsunterschiede auch ältere Versuche erklären, deren Ergebnisse bislang nicht zusammenpassten.
Für die Planetenforschung liefern die Messungen einen Maßstab, an dem sich Computermodelle des Planeteninneren messen lassen. Ob Magnesiumoxid in einer bestimmten Tiefe fest oder flüssig ist, beeinflusst, wie gut dort Wärme transportiert wird, wie schnell ein Planet abkühlt und ob in seinem Inneren ein Magnetfeld entstehen kann. „Magnesiumoxid ist ein wichtiger Baustein für unser Verständnis des Planeteninneren“, sagt die Geowissenschaftlerin June Wicks von der Johns Hopkins University. Die Experimente helfen zu bestimmen, wo das Mineral fest bleiben kann und wo es flüssig wird.
Rechnet man die Daten zu noch höheren Drücken hoch, könnte kristallines Magnesiumoxid in Teilen der Kerne von Jupiter und Saturn bestehen, während es in heißeren Riesenplaneten außerhalb des Sonnensystems flüssig vorliegen dürfte. Auch für die Suche nach bewohnbaren Welten ist das relevant: Ein schützendes Magnetfeld gilt als wichtige Voraussetzung dafür, dass ein Planet seine Atmosphäre behält. Unter den bereits bekannten Supererden in lebensfreundlichen Zonen sind viele Kandidaten, deren Inneres sich nur mit solchen Labordaten modellieren lässt.
Auch auf der Erde selbst hat das Ergebnis Gewicht. Der untere Mantel besteht überwiegend aus dem Mineral Bridgmanit, das zweithäufigste ist ein eisenhaltiges Magnesiumoxid namens Ferroperiklas. Wie diese Minerale bei hohen Temperaturen reagieren, bestimmt mit, wie sich die Wärme aus dem Erdkern nach außen bewegt. Das Labor weist zudem darauf hin, dass sich die Erkenntnisse auf andere Materialien unter Extrembedingungen übertragen lassen, auch im Rahmen seiner Forschung für die nationale Sicherheit der USA.
Die Experimente bilden das Planeteninnere nicht eins zu eins nach. Im Labor wird das Material in Milliardstelsekunden in einer Richtung zusammengepresst, im Planeteninneren wirkt der Druck dagegen über Jahrmillionen gleichmäßig von allen Seiten. Gerade die beobachteten Richtungseffekte und Verzögerungen sind deshalb typisch für schnelle Stoßwellen und lassen sich nicht direkt auf den ruhenden Mantel übertragen. Zudem verwendeten die Forscher reines Magnesiumoxid, während das Mineral im Erdmantel Eisen enthält, das den Schmelzpunkt senkt.
Auch die Rekordaussage ist mit Bedacht zu lesen. Temperaturmessungen bei Stoßexperimenten sind aufwendig und hängen von Annahmen über die optischen Eigenschaften der heißen Probe ab. Eine andere Forschergruppe hatte 2021 mit einer doppelten Stoßwelle bei rund 1.950 Gigapascal sogar eine Schmelztemperatur von etwa 17.600 Kelvin für Magnesiumoxid abgeleitet, allerdings bei mehr als dem Dreifachen des Drucks und über einen anderen Messweg. Der neue Wert gilt für einen Druck, der in den Mänteln großer Gesteinsplaneten tatsächlich vorkommen kann. Die Hochrechnung auf die Kerne von Jupiter und Saturn bleibt eine Extrapolation, die künftige Experimente bei noch höheren Drücken überprüfen müssen.
Physical Review X, Orientation-Dependent Structural Phase Transitions and Melting in Shock-Compressed MgO; doi:10.1103/vt45-32bb
Lawrence Livermore National Laboratory, A mineral from the inside of planets reveals a surprising lesson: how you push matters
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