Neptun: Es regnet Diamanten

Diamantregen auf Neptun

Im Eisriesen des Sonnensystems bilden sich Diamantregen. Wissenschaftler haben Bedingungen wie im Inneren des Neptuns simuliert. Erstmals beobachteten sie so in Echtzeit die Aufspaltung von Kohlenwasserstoff und die Umwandlung in Diamant.

Das Innenleben von Planeten wie Neptun oder Uranus besteht aus einem festen Kern, den dichte Eisschichten umhüllen. Das Eis ist vor allem aus Kohlenwasserstoffen, Wasser und Ammoniak zusammengesetzt. Astrophysiker spekulieren seit längerem, dass die extrem hohen Drücke etwa 10.000 Kilometer unter der Oberfläche den Kohlenwasserstoff auftrennen. Es bilden sich Diamanten, die weiter ins Innere sinken. Dieser Prozess wurde aber bislang nicht beobachtet.

Das konnten Forscher des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) zusammen mit einem internationalen Team ändern. Sie setzten eine spezielle Form von Plastik – Polystyrol – Bedingungen aus, die dem Innenleben von Neptun und Uranus ähneln. Dazu schickten sie durch die Proben zwei Schockwellen, die sie mit einem extrem starken optischen Laser in Kombination mit einer SLAC-Röntgenlaserquelle angeregt hatten.

Das Ergebnis: Das Plastik presste sich mit einem Druck von rund 150 Gigapascal bei einer Temperatur von rund 5.000 Grad Celsius zusammen. Es bildeten sich Diamanten. Der Prozess dauert nur Bruchteile von Sekunden. Deshalb nutzten die Forscher die ultraschnelle Röntgenbeugung, um Momentaufnahmen von der Entstehung der Diamanten und der chemischen Prozesse zu erhalten. Die Experimente zeigten, dass sich fast alle Kohlenstoff-Atome in nanometergroße Diamantstrukturen zusammenschließen.

Erkenntnisse auch über Exoplaneten

Die Forscher vermuten aber, dass die Diamanten auf Neptun und Uranus viel größere Strukturen annehmen und über tausende Jahre langsam in den Planetenkern hinabsinken. Darüber hinaus lieferte die Studie Erkenntnisse über den Aufbau von Exoplaneten. Bei diesen kosmischen Giganten außerhalb unseres Sonnensystems können Forscher vor allem zwei Kenngrößen messen: die Masse und Radius. Das Verhältnis zwischen den beiden Größen liefert Anhaltspunkte über den chemischen Aufbau.

Die chemischen Prozesse im Inneren verraten wiederum Aspekte über entscheidende Eigenschaften der Planeten – die Planentenmodelle können nun verbessert werden. Wie die Untersuchungen der Forscher zeigten, waren Simulationen hier bislang nicht exakt.

Neben den astrophysikalischen Erkenntnissen könnten die Versuche aber auch einen praktischen Nutzen haben. So werden Nano-Diamanten, wie sie in den Experimenten entstehen, zum Beispiel für elektronische Instrumente und medizinische Verfahren, aber auch als Schneidstoffe in der industriellen Fertigung verwendet. Derzeit läuft die Herstellung hauptsächlich über Sprengungen. Die Produktion mit Lasern könnte ein Verfahren ermöglichen, dass sauberer und leichter zu kontrollieren ist.

Grafik: Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory