Eisriesenplaneten wie Neptun und Uranus sind in unserer Galaxie sehr häufig. Ihr Inneres besteht hauptsächlich aus einer dichten flüssigen Mischung aus Wasser, Methan und Ammoniak. Aufgrund extremer Bedingungen regnet es Diamant.
In einem früheren Experiment simulierten Wissenschaftler die extremen Temperaturen und Drücke, die tief im Inneren zu finden waren Neptun und Uranus's Eisriesen. Zum ersten Mal konnten sie beobachten, wie sich Diamantregen bildete.
Eine neue Studie hat herausgefunden, dass „Diamantregen“, eine lange vermutete exotische Art von Niederschlag auf Eisriesenplaneten, häufiger auftreten könnte als bisher angenommen. Die Studie bietet ein vollständiges 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 eine Vielzahl von Anwendungen in der Arzneimittelabgabe, medizinischen Sensoren, nichtinvasiven Chirurgie, nachhaltiger Herstellung, und Quantenelektronik.
Siegfried Glanzer, Leiter des Bereichs High Energy Density bei SLAC, sagte, „Das frühere Papier war das erste Mal, dass wir es direkt gesehen haben Diamantbildung aus beliebigen Mischungen. Seitdem gab es viele Experimente mit verschiedenen reinen Materialien. Aber innerhalb von Planeten ist es viel komplizierter; viele weitere Chemikalien sind in der Mischung. Also wollten wir hier herausfinden, welche Wirkung diese zusätzlichen Chemikalien haben.“
In einem früheren Experiment untersuchten Wissenschaftler ein Kunststoffmaterial, das aus Wasserstoff und Kohlenstoff bestand, zwei wesentlichen Elementen der gesamten chemischen Zusammensetzung von Neptun und Uranus. Aber Eisriesen enthalten auch zusätzliche Elemente, wie z. B. erhebliche Mengen an Sauerstoff und Kohlenstoff, und Wasserstoff.
In einem kürzlich durchgeführten Experiment verwendeten Wissenschaftler PET-Kunststoff, um die Zusammensetzung dieser Planeten genauer zu reproduzieren.
Dominik Kraus, Physiker am HZDR und Professor an der Universität Rostock, sagte: „PET hat ein gutes Gleichgewicht zwischen Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff, um die Aktivität auf Eisplaneten zu simulieren.“
Wissenschaftler erzeugten Stoßwellen im PET mit einem optischen Hochleistungslaser am Instrument Matter in Extreme Conditions (MEC) an der Linac Coherent Light Source (LCLS) von SLAC. Anschließend untersuchten sie mit Röntgenpulsen von LCLS, was in dem Kunststoff passiert ist.
Wissenschaftler verwendeten später Röntgenbeugung, um zu beobachten, wie sich die Atome des Materials zu kleinen Diamantregionen neu anordneten. Gleichzeitig verwendeten sie eine andere Methode namens Kleinwinkelstreuung, um zu messen, wie schnell und groß diese Regionen wuchsen. Diese Methode hilft ihnen festzustellen, dass diese Diamantregionen bis zu einigen Nanometern breit geworden sind. Sie entdeckten, dass sich Nanodiamanten bei niedrigeren Drücken und Temperaturen als zuvor festgestellt entwickeln konnten, wenn Sauerstoff in der Substanz vorhanden war.
Krause sagte, „Die Wirkung des Sauerstoffs bestand darin, die Spaltung von Kohlenstoff und Wasserstoff zu beschleunigen und so die Bildung von Nanodiamanten zu fördern. Es bedeutete, dass sich die Kohlenstoffatome leichter verbinden und bilden konnten Diamanten"
Das Team fand auch Beweise dafür, dass superionisches Wasser in Kombination mit Diamanten auftreten könnte. Diese kürzlich identifizierte Wasserphase, die häufig als „heißes, schwarzes Eis“ bezeichnet wird, kann bei außergewöhnlich hohen Drücken und Temperaturen gefunden werden.
Wassermoleküle brechen unter diesen harten Bedingungen und Sauerstoffatome organisieren sich zu einem Kristallgitter, in dem sich Wasserstoffkerne frei bewegen können. Superionisches Wasser kann aufgrund der elektrischen Ladung auf diesen frei schwebenden Kernen elektrischen Strom leiten, was erklären könnte, warum Uranus und Neptun besondere Magnetfelder haben.
Die Ergebnisse könnten sich auch auf unser Verständnis von Planeten in fernen Galaxien auswirken, da Wissenschaftler nun glauben, dass Eisriesen die häufigste Form eines Planeten außerhalb unseres Sonnensystems sind.
Die SLAC-Wissenschaftlerin und Mitarbeiterin Silvia Pandolfi sagte: „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. Unser Experiment zeigt, wie diese Elemente die Bedingungen verändern können, die Diamanten auf Eisriesen bilden. Wenn wir Planeten genau modellieren wollen, müssen wir der tatsächlichen Zusammensetzung so nahe wie möglich kommen planetarisches Inneres"
Die Studie weist auch auf einen möglichen Weg zur Herstellung von Nanodiamanten aus kostengünstigen PET-Kunststoffen unter Verwendung von lasergetriebener Stoßkompression hin. Diese winzigen Edelsteine werden derzeit in Schleif- und Poliermitteln verwendet. Dennoch könnten sie in Zukunft auch in Quantensensoren, medizinischen Kontrastmitteln und Reaktionsbeschleunigern für erneuerbare Energien eingesetzt werden.
Der SLAC-Wissenschaftler und Mitarbeiter Benjamin Ofori-Okai sagte: „Die Art und Weise, wie Nanodiamanten derzeit hergestellt werden, besteht darin, ein Bündel Kohlenstoff oder Diamant zu nehmen und es mit Sprengstoff zu sprengen. 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 in anderen, 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 sich bilden und wie groß sie werden.“
Wissenschaftler planen ähnliche Experimente mit flüssigen Proben, die Ethanol, Wasser und Ammoniak enthalten – woraus Uranus und Neptun hauptsächlich bestehen –, die ihnen näher bringen werden, genau zu verstehen, wie sich Diamantregen auf anderen Planeten bildet.
SLAC-Wissenschaftler und Mitarbeiter Nicholas Hartley sagte, „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. Das Hinzufügen von Sauerstoff bringt uns näher als je zuvor, um das vollständige Bild dieser planetaren Prozesse zu sehen, aber es gibt noch mehr zu tun. Es ist ein Schritt, um die realistischste Mischung zu erhalten und zu sehen, wie sich diese Materialien auf anderen Planeten wirklich verhalten.“
Journal Referenz:
- Zhiyu Heet al. Kinetik der Diamantbildung in schockkomprimierten C─H─O-Proben, aufgenommen durch Kleinwinkel-Röntgenstreuung und Röntgenbeugung. Wissenschaft Fortschritte. Band 8, Ausgabe 35. DOI: 10.1126/sciadv.abo0617
