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Prof. Dr. Thomas Cowan
Director Institute of Radiation Physics
Head High Energy Density
t.cowan@hzdr.de
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Planetenphysik und Astrophysik

Seit der Entdeckung der ersten Exoplaneten in den neunziger Jahre wurden in letzter Zeit immer mehr Exoplaneten von AstrophysikernInnen gefunden, die sich in der ‚bewohnbaren Umgebung‘ von Sternen befinden. Auf ihnen könnte Leben ähnlich wie auf der Erde möglich sein, da wahrscheinlich flüssiges Wasser und auch Luft zum Atmen vorhanden sein dürfte.

Viele dieser Planeten sind weit größer als die Erde und werden deshalb als ‚Supererden‘ bezeichnet. Sehr wahrscheinlich wird die Oberfläche dieser Planeten sehr stark von der Dynamik im Planeteninneren beeinflusst. Zum besseren Verständnis dieser ist es deshalb notwendig, ihre Struktur zu erforschen, also ihren inneren Aufbau vom Kern über den Mantel bis hin zur äußeren Kruste. Aber auch das Innere unserer Erde ist nicht direkt erforschbar. Das tiefste bisher in die Erde gebohrte Loch ist nur 12 km tief und damit weit vom Zentrum der Erde in über 6000 km Tiefe entfernt.

Deshalb nutzt man die Möglichkeit, im Labor die Druck- und Temperaturbedingungen im Planeteninneren zu simulieren. Mit Hilfe von sogenannten Diamantenstempelzellen werden die zu untersuchenden Materialien zwischen zwei Diamanten eingespannt und mechanisch zusammen gedrückt. So gelingt es, extrem hohe Drücke von 3,7 Mega-bar (1 bar entspricht Normaldruck auf der Erdoberfläche) und mittels Heizlasern Temperaturen von 4500°C zu erzeugen. Röntgenstrahlen helfen dabei, die Materialien zu untersuchen und identifizieren sowie ihre häufig noch unbekannten physikalischen Eigenschaften zu bestimmen.


Doppelte Diamantenstempelzellen

Diamond Anvil Cell 3D Rendering

Diamond Anvil Cell 3D Rendering

Foto: H.P. Liermann

Dennoch konnte über Jahre das Erdinnere von den Supererden nicht simuliert werden, da die verfügbaren Drücke und Temperaturen noch nicht ausreichten. Eine

neue technische Weiterentwicklung ist die doppelte Diamantenstempelzelle, mittels der noch höhere Drücke von 10Mbar kurzfristig erzeugt werden. Bei höheren Temperaturen ist jedoch der zweite Satz von Diamanten nicht lange genug stabil, um eine Röntgenaufnahme von dem entstandenen Material herzustellen. Den Durchbruch könnte die Nutzung des European XFELs bringen, der noch kürzere und intensive Röntgenblitze erzeugen kann.


Dynamisch Diamantenstempelzellen

Ein weiteres spannendes Forschungsgebiet ist die Untersuchung von neptunartigen Planeten, die häufig aus Mischungen von Wasser (H2O und Eis), Ammonium (NH3), Methan (CH3) und Wasserstoff (H2) bestehen, aber einen steinernen Kern besitzen. Bei diesen Verbindungen können keine so hohe Drücke erzeugt werden wie bei den „steinernen“ Verbindungen, weil H2O-Mischungen bei hohen Temperaturen sehr reaktiv sind und die Diamanten schwächen. Mittels der sogenannten dynamischen Diamantenstempelzelle wird der Druck schnell auf 3Mbar erhöht, bevor die Diamantstempel zerstört werden. Jedoch verbleibt für die eigentliche Messung mittels Röntgenstrahlung nur ein äußerst kleines Zeitfenster, was die Nutzung des European XFEL nahelegt.

Wissenschaftler hoffen in Zukunft die Grenzen der bisherigen Hochdruck-Experimente zu erweitern und sehr extreme Konditionen, wie sie z.B. im Inneren von Supererden herrschen, zu simulieren.


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