Quelle: DESY 21. Februar 2023.

21. Februar 2023 – Ein internationales Forschungsteam hat im Labor die Bedingungen auf eisigen Monden unseres Sonnensystems nachgestellt und dabei zwei neue Formen von salzigem Eis entdeckt. Die Beobachtung, die auf Messungen an der Europäischen Synchrotronstrahlungsquelle ESRF und bei DESY zurückgeht, könnte bei der künftigen Erforschung von Eismonden wie Ganymed am Jupiter helfen, die für die Suche nach außerirdischem Leben interessant sind. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler um Baptiste Journaux von der Universität von Washington stellen ihre Entdeckung im Fachblatt „Proceedings of the National Academy of Sciences“ (PNAS) vor.

Könnte es Leben jenseits der Erde geben? Bieten manche Monde in unserem Sonnensystem lebensfreundliche Bedingungen? Und welche chemischen Prozesse laufen in diesen Eismonden ab? Die eisigen Begleiter von Planeten im äußeren Sonnensystem sind für die Forschung von besonderem Interesse, weil einige von ihnen unterirdische Ozeane besitzen, die unter einer gefrorenen Eisschicht verborgen sind. Das haben unter anderem die Raumsonden „Galileo“ und „Cassini-Huygens“ bestätigt, die unser Wissen über Eismonde erheblich erweitert haben.

Man nimmt an, dass Eismonde wie Europa und Ganymed vom Jupiter oder Enceladus und Titan vom Saturn entstanden sind, indem sie Gas und Eispartikel ihrer Heimatplaneten aufgesammelt haben. „Es sind abgesehen von der Erde die einzigen planetaren Körper, auf denen flüssiges Wasser über geologische Zeiträume hinweg stabil ist, was für die Entstehung und Entwicklung von Leben entscheidend ist“, erklärt Journaux. „Sie sind meiner Meinung nach der aussichtsreichsten Orte in unserem Sonnensystem, um außerirdisches Leben zu entdecken. Deshalb müssen wir ihre exotischen Ozeane und ihr Inneres untersuchen, um ihre Entstehung und Entwicklung besser zu verstehen und wie ihr Wasser so weit von der Sonne entfernt in den kalten Bezirken unseres Sonnensystems flüssig bleibt.“

Natürliches Frostschutzmittel
Vermutlich enthalten diese Ozeane Kochsalz (Natriumchlorid, NaCl), das als natürliches Frostschutzmittel den Gefrierpunkt des Wassers herabsetzt und es ihm so ermöglicht, auch bei frostigen Temperaturen noch flüssig zu bleiben, bei denen reines Wasser bereits gefrieren würde. Allerdings konnten die Planetenforscherinnen und -forscher das Kochsalz bisher selbst mit den ausgefeilten Methoden der Infrarot-Oberflächenspektroskopie der Raumsonden nicht eindeutig an der Oberfläche der Monde identifizieren. Keine der bekannten Verbindungen passt zu den Infrarotspektren der eisigen Mondoberflächen.

„Salz und Wasser sind unter den normalen Bedingungen sehr gut bekannt“, erläutert Journaux die möglichen Ursachen. „Aber darüber hinaus tappen wir völlig im Dunkeln. Jetzt beschäftigen wir uns mit diesen planetaren Objekten, die wahrscheinlich Verbindungen enthalten, die uns sehr vertraut sind, aber unter sehr exotischen Bedingungen. Wir mussten im Prinzip die gesamte mineralogische Grundlagenforschung aus dem 19. und frühen 20. Jahrhundert wiederholen, allerdings unter hohem Druck und niedriger Temperatur.“

Unter diesen Bedingungen kristallisiert das Wasser mit den darin gelösten Salzen und bildet sogenannte Hydrate. An der ESRF und bei DESY untersuchte das Team diese Kristalle mit Hilfe der Röntgenbeugung. Damit lässt sich die innere Struktur kristallisierter Materialien untersuchen, indem man sie mit Röntgenstrahlung beleuchtet und beobachtet, wie diese von der Probe gebeugt wird.

„Wir wollten verstehen, welche Verbindungen sich unter dem hohen Druck und den niedrigen Temperaturen auf den Eismonden bilden“, berichtet DESY-Koautorin Anna Pakhomova, die heute als Wissenschaftlerin an der ESRF arbeitet. „In unseren Experimenten haben wir die Einkristall-Röntgenbeugung eingesetzt, um zu verstehen, wie die neuen Hydrate auf atomarer Ebene organisiert sind. Das ist eine hervorragend geeignete Technik, um eindeutige Informationen über die Kristallstruktur eines Festkörpers zu erhalten.“

An der Extreme Conditions Beamline P02.2 von DESYs Röntgenlichtquelle PETRA III stellten die Forscherinnen und Forscher die Bedingungen auf den Eismonden nach, indem sie die Proben aus Wasser und Kochsalz in einer sogenannten Diamantstempelzelle zwischen zwei winzigen Diamanten zusammenpressten und dabei in einem Kryostaten gekühlt hielten, einer Art wissenschaftlichem Tiefkühlschrank. So setzten sie die Proben dem bis zum 25.000-fachen des Atmosphärendrucks aus. Unter diesen Bedingungen kristallisierten die Proben und bildeten dabei bisher unbekannten Formen von Salzhydraten.

Stabil auf Mondoberflächen
Bislang kannte die Wissenschaft nur ein einziges Kochsalz-Hydrat, eine Verbindung, bei der nur wenige Wassermoleküle im Kristallgitter eingeschlossen sind. Es handelt sich um eine einfache Struktur mit einem Salzmolekül für je zwei Wassermoleküle. Die neuen Experimente enthüllten zwei neue, unterschiedliche Formen bei unterschiedlichen Drücken und Temperaturen, die beide einen viel größeren Wasseranteil in ihrer Struktur besitzen. In der einen kommen zwei Natriumchloridmoleküle auf 17 Wassermoleküle, in der anderen ein Natriumchloridmolekül auf 13 Wassermoleküle. Diese Beobachtung kann erklären, warum die Infrarot-Signaturen auf der Oberfläche der Jupitermonde „wässriger“ sind als erwartet.

„Diese neuen Phasen sind faszinierend, weil sie eine unerwartete Vielfalt von Wasser/Salz-Kristallstrukturen bei hohem Druck und niedriger Temperatur zeigen, die auch für andere Verbindungen noch erforscht werden sollte“, sagt Journaux.

Das Team konnte auch zeigen, dass eines der neuen Salzhydrate, NaCl-8.5(H₂O), unter den Oberflächenbedingungen eisiger Monde stabil ist und die häufigste Salzhydratart auf eisigen Welten sein dürfte. „Es besitzt die Struktur, auf die Planetenforscher gewartet haben, um die mysteriösen Spektren eisiger Oberflächen zu erklären“, betont Journaux. „Damit können wir die am besten geeigneten Orte auf der Oberfläche der Monde finden, um sie auf außerirdisches Leben zu untersuchen und um dort einmal zu landen und zu graben.“

Als nächstes planen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, andere Salzarten zu untersuchen, die für eisige Ozeanwelten relevant sind, und ihre spektralen Eigenschaften zu bestimmen, damit sie von kommenden Raumsonden wie dem „JUpiter ICy moon Explorer“ (JUICE) der Europäischen Weltraumorganisation ESA und dem „Europa Clipper“ der US-Raumfahrtbehörde NASA entdeckt werden können, die beide Anfang der 2030er Jahre in eine Jupiterumlaufbahn einschwenken sollen.

An der Untersuchung waren Forscherinnen und Forscher der Universität von Washington, des Instituts für Geochemie und Petrologie in der Schweiz, der Universität Bayreuth, des Jet Propulsion Laboratory der NASA, der Universität von Chicago sowie von der ESRF und von DESY beteiligt.

Originalveröffentlichung:
On the discovery of hyper-hydrated sodium chloride hydrates, stable at icy moon conditions; Baptiste Journaux, Anna Pakhomova, Ines E. Collings, Sylvain Petitgirard, Tiziana Boffa Balaran, J. Michael Brown, Steve D. Vance, Stella Chariton, Vitali .B. Prakapenka, Dongyang Huang, Jason Ott, Konstantin. Glazyrin, Gaston Garbarino, Davide. Comboni, Michael. Hanfland; „PNAS“, 2023; DOI: 10.1073/pnas.2217125120, https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2217125120.

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Quelle: DESY 7. Februar 2023.

7. Februar 2023 – Zum ersten Mal haben Forscher live verfolgt, was bei einem Asteroideneinschlag in dem getroffenen Material genau vor sich geht. Das Team von Falko Langenhorst von der Universität Jena und Hanns-Peter Liermann von DESY hat dazu einen Asteroideneinschlag mit Quarz im Labor nachgestellt und quasi in Zeitlupe in einer Hochdruckzelle ablaufen lassen. Dabei verfolgten die Forscher das Ereignis mit DESYs Röntgenlichtquelle PETRA III. Die Beobachtung enthüllt einen Zwischenzustand in dem untersuchten Quarz und löst damit ein Jahrzehnte altes Rätsel über die Entstehung charakteristischer Strukturen in dem an der Erdoberfläche allgegenwärtigen Mineral. Die Analyse hilft, Spuren vergangener Einschläge besser zu verstehen, und hat möglicherweise darüber hinaus auch Bedeutung für ganz andere Materialien. Die Forscher stellen ihre Ergebnisse im Fachblatt „Nature Communications“ vor.

Indikator-Mineral
Asteroideneinschläge sind katastrophale Ereignisse, bei denen riesige Krater entstehen und manchmal Teile des Erdgesteins aufgeschmolzen werden. „Dennoch sind Krater erdgeschichtlich oft schwer nachzuweisen, denn durch Erosion, Verwitterung und Plattentektonik verschwinden sie im Laufe von Jahrmillionen“, erläutert Langenhorst. Daher dienen als Nachweis für einen Einschlag häufig Minerale, die durch die Wucht des Einschlags charakteristische Veränderungen erfahren. So wandelt sich der auf der Erdoberfläche allgegenwärtige Quarzsand (Siliziumdioxid, SiO₂) durch so einen Einschlag schrittweise in Glas um, wobei die Quarzkörner dann von mikroskopischen Lamellen durchzogen werden. Diese Struktur lässt sich erst unter dem Elektronenmikroskop detailliert erkunden und ist beispielsweise in Material aus dem relativ jungen Barringer-Krater in Arizona (USA) zu finden.

„Seit mehr als 60 Jahren dient dieses lamellenartige Glas als Indikator für einen Asteroideneinschlag, aber niemand wusste bisher, wie es überhaupt zu dieser Struktur kommt“, sagt Liermann. „Dieses Jahrzehnte alte Rätsel haben wir nun gelöst.“ Die Forscher hatten dazu jahrelang Techniken weiterentwickelt, mit denen sich Materialien unter Hochdruck im Labor untersuchen lassen. Dazu wird die Probe in der Regel in einer sogenannten Stempelzelle zwischen zwei kleinen Diamanten zusammengepresst. So lassen sich kontrolliert extreme Drücke wie im Erdinneren – oder wie bei einem Asteroideneinschlag – erzeugen.

Charakteristische Lamellen
Für seine Versuche verwendete das Team eine dynamische Diamantstempelzelle, in der sich der Druck während der Messung sehr schnell verändern lässt. Darin pressten die Forscher kleine Siliziumdioxid-Kristalle mit sehr regelmäßigem Kristallgitter immer stärker zusammen und durchleuchteten sie währenddessen mit dem intensiven Röntgenlicht von PETRA III, um ihre innere Struktur zu erkunden. „Die Kunst ist, den simulierten Asteroideneinschlag langsam genug ablaufen zu lassen, um ihn im Röntgenlicht verfolgen zu können, aber nicht zu langsam, so dass die für einen Asteroideneinschlag typischen Effekte noch entstehen können“, sagt Liermann. Als richtige Zeitdauer erwiesen sich dabei Experimente im Sekundenmaßstab.

„Wir konnten beobachten, dass sich die Quarzstruktur bei einem Druck von ungefähr 180.000 Atmosphären plötzlich in eine enger gepackte Übergangsstruktur umwandelt, die wir Rosiait-artig nennen“, berichtet Erstautor Christoph Otzen, der seine Doktorarbeit über diese Untersuchungen schreibt. „In dieser Kristallstruktur schrumpft der Quarz um ein Drittel seines Volumens. Die charakteristischen Lamellen formen sich genau dort, wo der Quarz diese sogenannte metastabile Phase bildet, die vor uns noch niemand in Quarz hat identifizieren können.“ Rosiait ist ein oxidisches Mineral, nach dem die auch bei anderen Materialien bekannte Kristallstruktur benannt worden ist. Es besteht nicht aus Siliziumdioxid, sondern ist ein Bleiantimonat (eine Verbindung aus Blei, Antimon und Sauerstoff).

Kollaps in ungeordnete Struktur
„Je höher der Druck steigt, desto größer wird der Anteil mit Rosiait-artiger Struktur im Quarz“, erläutert Otzen. „Lässt der Druck wieder nach, wandeln sich die Rosiait-artigen Lamellen aber nicht in die ursprüngliche Struktur von Quarz zurück, sondern sie kollabieren zu Glaslamellen mit ungeordneter Struktur. Diese Lamellen sehen wir auch in Quarzkörnern aus Ablagerungen von Asteroideneinschlägen.“ Menge und Orientierung der Lamellen lassen dabei Rückschlüsse auf den Druck beim Einschlag zu. „Seit Jahrzehnten werden solche Lamellen zum Nachweis und zur Analyse von Asteroideneinschlägen genutzt“, betont Langenhorst. „Aber erst jetzt können wir ihre Entstehung genau erklären und verstehen.“

Für die Untersuchung haben die Forscher nicht die größten technisch möglichen Drücke verwendet. „Im Bereich der höchsten Drücke entsteht so viel Hitze, dass das Material schmilzt oder verdampft“, erläutert Langenhorst. „Aufgeschmolzenes Material, das wieder zu Gestein erstarrt, gibt uns erstmal keine nützliche Auskunft. Wichtig ist jedoch genau der Druckbereich, in dem Minerale charakteristische Veränderungen im festen Zustand durchlaufen, und genau das haben wir in diesem Fall untersucht.“

Bedeutung für andere Materialien?
Die Ergebnisse könnten über die Erforschung von Asteroideneinschlägen hinaus Bedeutung haben. „Was wir beobachtet haben, könnte eine Modellstudie für die Glasbildung auch ganz anderer Materialien wie beispielsweise Eis sein“, betont Langenhorst. „Eventuell ist es ein typischer Weg, dass eine Kristallstruktur sich bei schneller Kompression in einem Zwischenschritt in eine metastabilen Phase umwandelt, die dann in die ungeordnete Glasstruktur übergeht. Auch das wollen wir weiter untersuchen, denn das wäre von großer Bedeutung für die Materialforschung.“

Mit dem bei DESY geplanten Ausbau von PETRA III zum weltbesten Röntgenmikroskop PETRA IV werden solche Untersuchungen in Zukunft noch realistischer möglich sein. „Die 200mal höhere Intensität der Röntgenstrahlung wird uns erlauben, diese Experimente 200 Mal schneller ablaufen zu lassen, so dass wir einen Asteroideneinschlag noch realistischer simulieren können“, sagt Liermann.

Über DESY:
DESY zählt zu den weltweit führenden Teilchenbeschleuniger-Zentren und erforscht die Struktur und Funktion von Materie – vom Wechselspiel kleinster Elementarteilchen, dem Verhalten neuartiger Nanowerkstoffe und lebenswichtiger Biomoleküle bis hin zu den großen Rätseln des Universums. Die Teilchenbeschleuniger und die Nachweisinstrumente, die DESY an seinen Standorten in Hamburg und Zeuthen entwickelt und baut, sind einzigartige Werkzeuge für die Forschung: Sie erzeugen das stärkste Röntgenlicht der Welt, bringen Teilchen auf Rekordenergien und öffnen neue Fenster ins Universum. DESY ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft, der größten Wissenschaftsorganisation Deutschlands, und wird zu 90 Prozent vom Bundesministerium für Bildung und Forschung und zu 10 Prozent von den Ländern Hamburg und Brandenburg finanziert.

Originalveröffentlichung:
Evidence for a rosiaite-structured high-pressure silica phase and its relation to lamellar amorphization in quartz; Christoph Otzen, Hanns-Peter Liermann, Falko Langenhorst; „Nature Communications“, 2023; DOI: 10.1038/s41467-023-36320-7
https://www.nature.com/articles/s41467-023-36320-7
pdf: https://www.nature.com/articles/s41467-023-36320-7.pdf

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Quelle: DESY.

9. März 2022 – Die dünne Erdkruste weicht erheblich auf, wenn sie mit einer tektonischen Platte ins Erdinnere abtaucht. Das zeigen Röntgenuntersuchungen eines Minerals, das in basaltischer Kruste in großem Umfang vorkommt, mit DESYs Röntgenlichtquelle PETRA III. Das Aufweichen kann sogar dazu führen, dass sich die Kruste von der darunter liegenden Platte abschält, wie das internationale Team um Hauke Marquardt von der Universität Oxford im Fachblatt „Nature“ berichtet. Die abgeschälte Erdkruste hat andere physikalische Eigenschaften als der restliche Erdmantel, was möglicherweise Anomalien in der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Erdbebenwellen im Erdmantel erklären kann.

Den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern ist es gelungen, erstmals das Verformungsverhalten des Minerals Davemaoit unter den Bedingungen des Erdmantels zu messen. „Davemaoit gehört zur weit verbreiteten Gruppe der Perowskite, entsteht allerdings erst ab einer Tiefe von etwa 550 Kilometern durch steigenden Druck und Temperatur aus anderen Mineralen“, erläutert Hauptautorin Julia Immoor vom Bayerischen Geoinstitut an der Universität Bayreuth. Die Existenz des Minerals war seit Jahrzehnten vorhergesagt worden, erst 2021 wurde jedoch ein natürliches Stück davon gefunden. Davemaoit unterscheidet sich unter anderem durch seine kubische Kristallstruktur von anderen Perowskiten. In ausreichender Tiefe kann es rund ein Viertel der abtauchenden basaltischen Ozeankruste ausmachen.

Mit einer Spezialapparatur an DESYs Extreme Conditions Beamline (P02.2) bei PETRA III konnte das Team nun Davemaoit künstlich herstellen und mit dem Röntgenstrahl durchleuchten. Dazu erhitzten die Forscherinnen und Forscher fein gemahlenes Wollastonit (CaSiO₃) bei hohem Druck auf rund 900 Grad Celsius, bis sich Davemaoit bildete. Anschließend wurde das Mineral durch steigenden Druck von bis zu 57 Gigapascal – rund 570 000 Mal so hoch wie der Luftdruck auf Meereshöhe – verformt und dabei per Röntgenstrahl untersucht. Diese Parameter entsprechen den Bedingungen in bis zu 1300 Kilometern Tiefe.

„Die Messungen unter hohem Druck zeigen, dass Davemaoit im tiefen Erdmantel überraschend weich ist“, berichtet Forschungsleiter Marquardt. „Diese Beobachtung ändert unsere Vorstellung vom dynamischen Verhalten der abtauchenden Platten im tiefen Mantel komplett.“ Die Dynamik in solchen sogenannten Subduktionszonen, in denen eine tektonische Platte unter die andere taucht, hängt stark von der Härte der anwesenden Minerale ab. Das überraschend weiche Davemaoit in der absinkenden Erdkruste kann dafür sorgen, dass diese sich von der darunter liegenden Platte ablöst und der weitere Subduktionsprozess dann getrennt für Kruste und die restliche Platte verläuft.

Über eine solche Ablösung wird seit langem spekuliert, weil die abgelöste Erdkruste charakteristische Änderungen von Erdbebenwellengeschwindgeiten erklären kann, die in verschiedenen Erdtiefen beobachtet werden. Bislang war jedoch unklar, welche Ursachen zu so einer Ablösung, der sogenannten Delamination, führen können. „Ich freue mich, dass der hier entwickelte Versuchsaufbau zur Lösung wichtiger Fragen beitragen kann, die mit Prozessen im tiefen Inneren unseres Planeten verknüpft sind“, sagt der Leiter der Extreme Conditions Beamline bei PETRA III und Ko-Autor der Studie, Hanns-Peter Liermann von DESY.

An der Untersuchung waren Forscherinnen und Forscher der Universitäten von Bayreuth, Oxford und Utah sowie vom GeoForschungsZentrum Potsdam GFZ, vom California Institute of Technology und von DESY beteiligt. Das Projekt wurde zum Teil von der Deutschen Forschungsgemeinschaft DFG finanziert.

Über das DESY
Das Deutsche Elektronen-Synchrotron DESY zählt mit seinen Standorten in Hamburg und Zeuthen zu den weltweit führenden Zentren in der Forschung an und mit Teilchenbeschleunigern. Die Mission des Forschungszentrums ist die Entschlüsselung von Struktur und Funktion der Materie, als Basis zur Lösung der großen Fragen und drängenden Herausforderungen von Wissenschaft, Gesellschaft und Wirtschaft. Dafür entwickelt, baut und betreibt DESY modernste Beschleuniger- und Experimentieranlagen für die Forschung mit hochbrillantem Röntgenlicht und unterhält internationale Kooperationen in der Teilchen- und Astroteilchenphysik und in der Forschung mit Photonen. DESY ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft, der größten Wissenschaftsorganisation Deutschlands, und wird zu 90 Prozent vom Bundesministerium für Bildung und Forschung und zu 10 Prozent von den Ländern Hamburg und Brandenburg finanziert.

Originalveröffentlichung
Weak cubic CaSiO3 perovskite in the Earth’s mantle; J. Immoor, L. Miyagi, H.-P. Liermann, S. Speziale, K. Schulze, J. Buchen, A. Kurnosov & H. Marquardt; „Nature“, 2022

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