Forsucher des Lawrence Livermore National Laboratory haben winzige Diamantproben unter extreme Drücke und Temperaturen gesetzt. Das Experiment löst ein zwanzig Jahre altes Rätsel über das Schmelzverhalten von Kohlenstoff und eröffnet neue Wege zur Steigerung der Energieausbeute in der Fusionsforschung sowie für Modelle von Eiseis-Planeten wie Uranus und Neptun.
Unter den eisigen Atmosphären der großen Planeten unseres Sonnensystems herrschen unvorstellbare Bedingungen. Wissenschaftler gehen seit langem davon aus, dass in den mittleren Schichten von Uranus und Neptun regelrecht Diamanten regnen. Bislang ließen sich diese extremen Druck- und Temperaturverhältnisse im Labor nur in winzigen Testvolumina nachstellen, die kaum wenige Tausendstel Zoll (oder ein paar Hundert Mikrometer) dick waren – unter Verwendung von Testmaterialien, die mit Lasern bestrahlt wurden, welche Hochdruck-Stoßwellen erzeugten, die heißer waren als die Oberfläche der Sonne. Eine Forschungsgruppe am Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) in Nordkalifornien ist nun noch einen Schritt weitergegangen. Sie hat nicht nur die Bedingungen aus noch tieferen Planetenschichten simuliert, sondern auch präzise gemessen, wie sich das diamantene Material unter diesen Bedingungen verhält, wie aus aktuellen Berichten der Fachpublikation Nature hervorgeht.
Omega Laser Facility der University of Rochester
Um diese Materialzustände im Labor zu erzeugen, nutzen die Forscher hochmoderne Lasersysteme. Bei Experimenten in der Omega Laser Facility des Laboratory for Laser Energetics der University of Rochester verdampften Wissenschaftler die äußere Schicht einer winzigen Probe, wodurch eine extrem starke Stoßwelle durch das Diamantinnere jagte. Diese Vorgänge dauern lediglich den Bruchteil einer Milliarde Sekunde. Die Herausforderung besteht darin, in diesem winzigen Zeitfenster alle relevanten Parameter wie Atomstruktur, Temperatur, Dichte und optische Reflexivität zu erfassen. „We were able to take tiny diamond samples and shock compress them to temperatures hotter than the surface of the sun and to pressures higher than the center of Neptune and Uranus—and still measure atomic structure, temperature, density and optical reflectivity,erklärten die Forscher um den LLNL-Physiker Marius Millot in einer Mitteilung.
Dank verbesserter Diagnostikwerkzeuge gelang es dem Team jedoch erstmals, schockkomprimierten Diamanten direkt mittels Röntgenbeugung bis zum Schmelzpunkt zu untersuchen, wie die LLNL mitteilt.
Jon Eggert beim Lawrence Livermore National Laboratory
Die neuen Messungen bringen langjährige Unstimmigkeiten in der Materialforschung zum Abschluss. Vor rund zwei Jahrzehnten hatten Forscher um den LLNL-Wissenschaftler Jon Eggert Pionierexperimente zum Schmelzen von Diamanten bei hohem Druck durchgeführt und dabei beobachtet, dass Diamant beim Schmelzen dichter wird – ein ungewöhnliches Verhalten, das ähnlich wie bei Wasser und Eis dazu führt, dass fester Diamant in flüssigem Kohlenstoff schwimmen würde. Während diese Arbeit einen Meilenstein darstellte, warf sie weitere Fragen auf, insbesondere eine Diskrepanz von rund 20 Prozent zwischen beobachteten und vorhergesagten Schmelztemperaturen, die die Forschungsgemeinschaft vor Rätsel stellte.
Zusätzliche Fragen warfen Experimente an den Z-Maschinen der Sandia National Laboratories auf, bei denen starke Magnetfelder genutzt wurden. Dort gewonnene Daten ließen vermuten, dass Diamant vor dem vollständigen Schmelzen eine zusätzliche Zwischenphase beziehungsweise Kristallstruktur einnimmt. Die aktuellen Laserversuche des Livermore-Teams zeigen jedoch ein anderes Bild: Der Kohlenstoff bleibt in seiner Diamantstruktur gefangen, bis der Schmelzvorgang einsetzt. Das Team führt dies darauf zurück, dass die Probe bei einer einzelnen Stoßwelle schlicht keine Zeit hat, einen solchen Zwischenschritt zu vollziehen, wie berichtet wird.
National Ignition Facility
Die gewonnenen Erkenntnisse haben nicht nur Bedeutung für die Planetenforschung, sondern könnten auch die Entwicklung der Kernfusion voranbringen. Am National Ignition Facility (NIF) arbeitet das Team seit der Inbetriebnahme im Jahr 1997 an der Trägheitskonfination. Dabei wird Treibstoff in winzigen Diamantkapseln eingeschlossen und durch hochenergetische Laserschocks implodiert. Die Forschung stieß dabei oft auf Skepsis, selbst nachdem erfolgreiche Experimente im Jahr 2022 erstmals mehr Energie erzeugten, als die Zündlaser hineingesteckt hatten. Die von Millot in Nature Physics veröffentlichten Ergebnisse könnten hier weiterhelfen, da die hochenergetischen, lasergepulsten Stoßwellen eines Tages in der Trägheitskonfination eingesetzt werden könnten, um den Energiegewinn solcher Vorrichtungen zu verdreifachen.
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