„Diamantenregen“ auf riesigen Eisplaneten könnte häufiger auftreten als bisher angenommen

Eine neue Studie hat herausgefunden, dass „Diamantregen“, eine lange vermutete exotische Art von Niederschlag auf Eisriesenplaneten, häufiger auftreten könnte als bisher angenommen.

In einem früheren Experiment ahmten Forscher die extremen Temperaturen und Drücke nach, die tief im Innern der Eisriesen Neptun und Uranus zu finden waren, und beobachteten zum ersten Mal Diamantenregen, während er sich bildete.

Bei der Untersuchung dieses Prozesses in einem neuen Material, das der chemischen Zusammensetzung von Neptun und Uranus ähnlicher ist, entdeckten Wissenschaftler des SLAC National Accelerator Laboratory des Energieministeriums und ihre Kollegen, dass die Anwesenheit von Sauerstoff die Bildung von Diamanten wahrscheinlicher macht, wodurch sie sich bilden und wachsen können unter einem breiteren Spektrum von Bedingungen und auf mehr Planeten.

Die neue Studie liefert ein vollständigeres Bild davon, wie sich Diamantregen auf anderen Planeten bildet, und könnte hier auf der Erde zu einer neuen Art der Herstellung von Nanodiamanten führen, die ein sehr breites Anwendungsspektrum in der Arzneimittelabgabe, medizinischen Sensoren, nichtinvasiven Chirurgie, nachhaltige Fertigung und Quantenelektronik.

„Die frühere Veröffentlichung war das erste Mal, dass wir die Diamantbildung aus beliebigen Mischungen direkt gesehen haben“, sagte Siegfried Glenzer, Direktor der High Energy Density Division bei SLAC. „Seitdem gab es ziemlich viele Experimente mit verschiedenen reinen Materialien. Aber innerhalb von Planeten ist es viel komplizierter; es gibt viel mehr Chemikalien in der Mischung. Und so wollten wir hier herausfinden, welche Art von Wirkung, die diese zusätzlichen Chemikalien haben.“

Das Team unter der Leitung des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) und der Universität Rostock in Deutschland sowie der französischen École Polytechnique in Zusammenarbeit mit SLAC veröffentlichte die Ergebnisse heute in Wissenschaftliche Fortschritte.

Angefangen bei Plastik

Im vorherigen Experiment untersuchten die Forscher ein Kunststoffmaterial aus einer Mischung aus Wasserstoff und Kohlenstoff, Schlüsselkomponenten der gesamten chemischen Zusammensetzung von Neptun und Uranus. Aber neben Kohlenstoff und Wasserstoff enthalten Eisriesen noch andere Elemente, wie zum Beispiel große Mengen an Sauerstoff.

In dem neueren Experiment verwendeten die Forscher PET-Kunststoff, der häufig in Lebensmittelverpackungen, Plastikflaschen und Behältern verwendet wird, um die Zusammensetzung dieser Planeten genauer zu reproduzieren.

„PET hat eine gute Balance zwischen Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff, um die Aktivität in Eisplaneten zu simulieren“, sagt Dominik Kraus, Physiker am HZDR und Professor an der Universität Rostock.

Sauerstoff ist der beste Freund eines Diamanten

Die Forscher verwendeten einen leistungsstarken optischen Laser am Instrument Matter in Extreme Conditions (MEC) an der Linac Coherent Light Source (LCLS) von SLAC, um Stoßwellen im PET zu erzeugen. Dann untersuchten sie mit Röntgenpulsen von LCLS, was in dem Kunststoff passiert ist.

Mit einer Methode namens Röntgenbeugung beobachteten sie, wie sich die Atome des Materials zu kleinen Diamantregionen neu anordneten. Sie verwendeten gleichzeitig eine andere Methode namens Kleinwinkelstreuung, die in der ersten Arbeit nicht verwendet worden war, um zu messen, wie schnell und groß diese Regionen wuchsen. Mit dieser zusätzlichen Methode konnten sie feststellen, dass diese Diamantregionen bis zu wenige Nanometer breit wurden. Sie fanden heraus, dass die Nanodiamanten bei Vorhandensein von Sauerstoff im Material bei niedrigeren Drücken und Temperaturen als bisher beobachtet wachsen konnten.

„Die Wirkung des Sauerstoffs bestand darin, die Spaltung von Kohlenstoff und Wasserstoff zu beschleunigen und so die Bildung von Nanodiamanten zu fördern“, sagte Kraus. „Das bedeutete, dass sich die Kohlenstoffatome leichter verbinden und Diamanten bilden konnten.“

Vereiste Planeten

Die Forscher sagen voraus, dass Diamanten auf Neptun und Uranus viel größer werden würden als die Nanodiamanten, die in diesen Experimenten produziert werden – vielleicht ein Gewicht von Millionen Karat. Über Tausende von Jahren könnten die Diamanten langsam durch die Eisschichten der Planeten sinken und sich zu einer dicken Bling-Schicht um den festen Planetenkern ansammeln.

Das Team fand auch Hinweise darauf, dass sich in Kombination mit den Diamanten auch superionisches Wasser bilden könnte. Diese kürzlich entdeckte Wasserphase, die oft als „heißes, schwarzes Eis“ bezeichnet wird, existiert bei extrem hohen Temperaturen und Drücken. Unter diesen extremen Bedingungen brechen Wassermoleküle auseinander und Sauerstoffatome bilden ein Kristallgitter, in dem die Wasserstoffkerne frei schweben. Da diese frei schwebenden Kerne elektrisch geladen sind, kann superionisches Wasser elektrischen Strom leiten und könnte die ungewöhnlichen Magnetfelder auf Uranus und Neptun erklären.

Die Ergebnisse könnten sich auch auf unser Verständnis von Planeten in fernen Galaxien auswirken, da Wissenschaftler nun glauben, dass Eisriesen die häufigste Form von Planeten außerhalb unseres Sonnensystems sind.

„Wir wissen, dass der Erdkern überwiegend aus Eisen besteht, aber viele Experimente untersuchen immer noch, wie das Vorhandensein leichterer Elemente die Bedingungen des Schmelzens und der Phasenübergänge verändern kann“, sagte SLAC-Wissenschaftlerin und Mitarbeiterin Silvia Pandolfi. „Unser Experiment zeigt, wie diese Elemente die Bedingungen verändern können, unter denen sich Diamanten auf Eisriesen bilden. Wenn wir Planeten genau modellieren wollen, müssen wir der tatsächlichen Zusammensetzung des Planeteninneren so nahe wie möglich kommen.“

Rohdiamanten

Die Forschung zeigt auch einen potenziellen Weg zur Herstellung von Nanodiamanten durch lasergetriebene Stoßkompression billiger PET-Kunststoffe auf. Diese winzigen Edelsteine, die bereits in Schleif- und Poliermitteln enthalten sind, könnten in Zukunft möglicherweise für Quantensensoren, medizinische Kontrastmittel und Reaktionsbeschleuniger für erneuerbare Energien verwendet werden.

„Die Art und Weise, wie Nanodiamanten derzeit hergestellt werden, besteht darin, ein Bündel Kohlenstoff oder Diamant zu nehmen und es mit Sprengstoff zu sprengen“, sagte SLAC-Wissenschaftler und Mitarbeiter Benjamin Ofori-Okai. „Dadurch entstehen Nanodiamanten in verschiedenen Größen und Formen, die schwer zu kontrollieren sind. Was wir in diesem Experiment sehen, ist eine unterschiedliche Reaktivität derselben Spezies unter hoher Temperatur und hohem Druck. In einigen Fällen scheinen sich die Diamanten schneller zu bilden als andere , was darauf hindeutet, dass das Vorhandensein dieser anderen Chemikalien diesen Prozess beschleunigen kann. Die Laserproduktion könnte eine sauberere und leichter zu kontrollierende Methode zur Herstellung von Nanodiamanten bieten. Wenn wir Wege finden können, einige Dinge an der Reaktivität zu ändern, können wir ändern, wie schnell sie Form und damit wie groß sie werden.“

Als nächstes planen die Forscher ähnliche Experimente mit flüssigen Proben, die Ethanol, Wasser und Ammoniak enthalten – woraus Uranus und Neptun hauptsächlich bestehen –, die sie dem Verständnis näher bringen werden, wie sich Diamantregen auf anderen Planeten bildet.

„Die Tatsache, dass wir diese extremen Bedingungen nachstellen können, um zu sehen, wie sich diese Prozesse auf sehr schnellen, sehr kleinen Skalen abspielen, ist aufregend“, sagte SLAC-Wissenschaftler und Mitarbeiter Nicholas Hartley. „Das Hinzufügen von Sauerstoff bringt uns dem vollständigen Bild dieser planetaren Prozesse näher als je zuvor, aber es gibt noch mehr zu tun. Es ist ein Schritt auf dem Weg, die realistischste Mischung zu erhalten und zu sehen, wie sich diese Materialien wirklich auf anderen Planeten verhalten. “