Tief im Inneren ferner Planeten scheinen für Wasser andere Regeln zu gelten: Unter Druck und Temperaturen, wie sie auf der Erde nicht vorkommen, nimmt Wasser einen Zustand an, der lange Rätsel aufgab. Ein internationales Forschungsteam hat in einer Studie nun die bislang klarsten experimentellen Belege für sogenanntes superionisches Wasser geliefert und damit einen jahrelangen Streit in der Wissenschaft beigelegt.

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Wasser: Ein Kristall, der fließt

Superionisches Wasser ist weder richtig fest noch wirklich flüssig. Die Sauerstoffatome ordnen sich zu einem festen Kristallgitter, während sich die Wasserstoffionen nahezu frei darin bewegen. Physiker vergleichen das gern mit einem Gefängnis: Die Gitterstäbe stehen fest, doch die Insassen laufen ungehindert umher. Genau diese ungewöhnliche Mischung verleiht dem Material eine hohe elektrische Leitfähigkeit.

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Erzeugt wird dieser Zustand nur unter extremen Bedingungen. In den neuen Experimenten wurde Wasser Druck von bis zu 180 Gigapascal ausgesetzt – fast dem 1,8-Millionenfachen des normalen Luftdrucks – und auf mehrere tausend Grad erhitzt. Solche Verhältnisse herrschen tief im Inneren der Eisriesen Uranus und Neptun.

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Laserblick in den Nanosekundenmoment

Um diese Extremwelt im Labor zu simulieren, nutzten die Forscher nach eigenen Angaben die leistungsstärksten Röntgenlaser der Welt. Dünne Wasserschichten, eingespannt zwischen Diamantfenstern, wurden mit Laserstößen schockartig verdichtet. Jeder Versuch dauerte nur wenige Nanosekunden und zerstörte das Material – doch ultrakurze Röntgenblitze von nur 50 Femtosekunden Dauer hielten den atomaren Zustand wie eine Momentaufnahme fest.

So gelang es erstmals, die innere Struktur des superionischen Wassers mit hoher Auflösung zu vermessen. Das Ergebnis überraschte selbst Fachleute.

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Ordnung und Unordnung zugleich

Lange stritten Forscher darüber, wie sich die Sauerstoffatome im superionischen Wasser anordnen. Einige Experimente deuteten auf eine bestimmte Kristallstruktur hin, andere auf eine völlig andere. Die neuen Messungen zeigen nun: Beide hatten teilweise recht.

Bei mittlerem Druck existieren offenbar zwei Kristallanordnungen nebeneinander. Der Grund liegt in der Physik selbst: Beide Varianten sind energetisch nahezu gleichwertig. Das Wasser „kann sich nicht entscheiden“ und bildet lokal mal die eine, mal die andere Struktur aus.

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Bei noch höherem Druck dominiert zwar eine Ordnung, doch auch sie ist nicht perfekt. Rund ein Viertel der Kristalllagen weicht davon ab und stapelt sich anders. Diese eingebaute Unordnung, sogenannte Stapelfehler, war zuvor nur aus theoretischen Berechnungen bekannt. Nun ist sie experimentell bestätigt.

Bedeutung für Uranus und Neptun

Die Entdeckung ist mehr als ein Detail für Spezialisten. Superionisches Wasser gilt als Schlüssel zum Verständnis der merkwürdigen Magnetfelder von Uranus und Neptun. Anders als bei Erde oder Jupiter sind sie stark geneigt und nicht zentriert. Fließende, elektrisch geladene Wasserstoffionen im Inneren der Planeten könnten diese Felder antreiben und ihre Struktur beeinflussen.

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Ob die nun beobachtete Unordnung im Kristall dauerhaft ist oder nur während der schnellen Kompression entsteht, bleibt offen. Sollte sie stabil sein, könnte sie den Transport von Wärme und elektrischer Ladung verändern, mit Folgen für die Dynamik ganzer Planeten.