Wasser kennt jeder. Doch was Forschende jetzt entdeckt haben, klingt nach Science-Fiction. Unter extremen Bedingungen verwandelt sich Wasser in einen Zustand, in dem es elektrischen Strom sehr gut leitet. Ein internationales Team unter Leitung des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf, der Universität Rostock und Forschenden aus Frankreich hat nun erstmals die genaue Struktur dieser exotischen Wasserform nachgewiesen. Die Erkenntnisse könnten erklären, was im Inneren ferner Planeten vor sich geht.
Superionisches Wasser entsteht nur dort, wo es extrem wird. Mehrere tausend Grad Celsius Hitze und ein Druck, der millionenfach höher ist als auf der Erdoberfläche, verwandeln normales Wasser in etwas Besonderes. Die Wasserstoffatome lösen sich und wandern frei durch ein festes Gitter aus Sauerstoffatomen.
Diese sogenannte Phase leitet elektrischen Strom besonders gut. Deshalb vermuten die Forschenden einen Zusammenhang mit den ungewöhnlichen Magnetfeldern von Eisriesen wie Uranus und Neptun. Da diese Planeten in ihrem Inneren große Mengen Wasser enthalten, könnte superionisches Wasser sogar die häufigste Wasserform in unserem Sonnensystem sein.
Komplexer als gedacht
Bisher war unklar, wie genau sich die Atome in superionischem Wasser anordnen. Frühere Studien deuteten auf zwei mögliche Würfelgitter-Strukturen hin. Doch die neue Untersuchung zeigt ein deutlich komplexeres Bild. Die Sauerstoffatome bilden eine Mischstruktur, die sowohl würfelförmige als auch sechseckige Muster kombiniert. Anstatt sich ordentlich zu sortieren, entstehen deutliche Fehler in der Schichtung. Ein Muster, das nur durch hochpräzise Messungen an modernsten Röntgenlasern sichtbar gemacht werden kann.
Für ihre Experimente nutzten die Wissenschaftler zwei der leistungsstärksten Anlagen der Welt. Am European XFEL und an der Linac Coherent Light Source in den USA pressten sie Wasser mit einem Druck zusammen, der anderthalb Millionen Mal stärker ist als unser Luftdruck, und erhitzten es auf mehrere tausend Grad Celsius. Gleichzeitig zeichneten sie die atomare Struktur innerhalb von Billionstel Sekunden auf.
Neue Erkenntnisse über Eisriesen
Die Ergebnisse zeigen, dass superionisches Wasser eine ähnliche strukturelle Vielfalt aufweist wie festes Eis. Je nach Druck und Temperatur bildet es unterschiedliche Kristallstrukturen aus. Trotz seiner scheinbaren Einfachheit offenbart Wasser unter extremen Bedingungen immer wieder neue Eigenschaften.
Die Befunde liefern wertvolle Informationen für Modelle über das Innere und die Entwicklung von Eisriesen. Neptun und Uranus sind dafür nur zwei Beispiele. Solche Planeten sind auch außerhalb unseres Sonnensystems sehr häufig.
