Neuartige Form von Wasser nachgewiesen: Superionisches Wasser könnte die Weltraumforschung vorantreiben

    Wasser tritt nicht nur in den uns bekannten Formen auf, sondern kann unter extremen Bedingungen auch andere Zustände annehmen – beispielsweise als superionisches Wasser, das sowohl die Eigenschaften von Festkörpern als auch von Flüssigkeiten aufweist.

    Superionisches Wasser weist sowohl Eigenschaften von flüssigem als auch festem Wasser auf.
    Superionisches Wasser weist sowohl Eigenschaften von flüssigem als auch festem Wasser auf. Bild: Primenixx/Pixabay

    Erstmals konnten Forschende experimentell eine neuartige Variante des sogenannten superionischen Wassers sichtbar machen. Die Studienergebnisse lassen sich auch auf große Planeten anwenden, weshalb die Ergebnisse auch astronomisch hochrelevant sind.

    Superionisches Wasser ist eine Zustandsform von Wasser, bei welcher sich der Sauerstoff stabil anordnet, die Wasserstoffionen aber frei zirkulieren. Über die Existenz wurde seit den 1980er Jahren spekuliert.

    Superionisches Wasser entsteht nur unter Extrembedingungen. Temperaturen von mehreren tausend Grad Celsius und Drücke von Millionen Atmosphären verändern die vertraute Flüssigkeit grundlegend: Die Sauerstoffatome bilden ein festes Kristallgitter, während sich die Wasserstoffionen nahezu frei hindurchbewegen. Das Material besitzt damit Eigenschaften von Festkörpern und Flüssigkeiten zugleich.

    Forschende der Universität Rostock, der französischen CNRS-École Polytechnique und des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf haben die Entdeckung mithilfe hochmoderner Röntgenlaser an zwei der leistungsfähigsten Forschungsanlagen weltweit gemacht, dem European XFEL in Deutschland und der Linac Coherent Light Source (LCLS) am SLAC in den USA. Dort konnte eine exotische Phase festgestellt werden, die sich durch eine außergewöhnlich hohe elektrische Leitfähigkeit auszeichnet.

    Häufigste Form von Wasser im Sonnensystem

    Die besondere Leitfähigkeit macht superionisches Wasser für die Planetenforschung hochinteressant. So könnte es zum Beispiel die ungewöhnlichen Magnetfelder der Eisriesen Uranus und Neptun erklären. Weil deren Inneres große Mengen Wasser enthalten dürfte, könnte diese Phase dort weit verbreitet sein – womöglich ist sie sogar die häufigste Form von Wasser im Sonnensystem.

    Obwohl superionisches Wasser schon früher im Labor erzeugt wurde, war seine innere Struktur bisher umstritten. Frühere Meinungen widersprachen sich dahingehend, ob sich die Sauerstoffatome kubisch-raumzentriert oder kubisch-flächenzentriert anordnen. Beide Strukturen unterscheiden sich leicht, wirken sich aber stark auf die physikalischen Eigenschaften aus.

    Die neue Studie zeigt nun aber, dass superionisches Wasser keine einzelne, saubere Kristallstruktur ausbildet. Stattdessen verbinden sich kubisch-flächenzentrierte Bereiche mit hexagonal dicht gepackten Stapelungen, die zu Stapelfehlern führen. Es entsteht eine hybride, fehlgeordnete Struktur.

    Schematische Darstellung der mikroskopischen Struktur von superionischem Wasser, in welchem die Sauerstoffatome ein festes Kristallgitter bilden, während Wasserstoffionen darin quasi frei beweglich sind.
    Schematische Darstellung der mikroskopischen Struktur von superionischem Wasser, in welchem die Sauerstoffatome ein festes Kristallgitter bilden, während Wasserstoffionen darin quasi frei beweglich sind. Bild: Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory

    Um diese sichtbar zu machen, wurden Wasserproben mit Laserschocks auf Drücke von über 1,5 Millionen Atmosphären verdichtet und gleichzeitig auf Temperaturen über 2000 bis 5000 Grad erhitzt. Mit ultrakurzen Röntgenblitzen konnte die atomare Struktur innerhalb von Billionstel Sekunden erfasst werden.

    Unter Extrembedingungen unerwartete Eigenschaften

    Die neuen Ergebnisse stimmen bemerkenswert gut mit modernen Computersimulationen überein. Die zeigen, dass superionisches Wasser (ähnlich wie gewöhnliches Eis) viele verschiedene Zustände hat, die wiederum stark von Druck und Temperatur abhängen. Die Extremphase wird damit ähnlich gut verstanden wie die bekannten Eisformen.

    Darüber hinaus zeigen die Befunde auch auf, wie Eisriesen, die auch außerhalb unseres Sonnensystems häufig vorkommen, im Inneren aufgebaut sind und sich entwickeln. Die neu entdeckten Strukturdefekte könnten beeinflussen, wie im Planeteninneren Wärme transportiert wird und welche Viskosität vorherrscht.

    Insgesamt belegt die Studie eindrucksvoll, dass Wasser – trotz seiner scheinbaren Einfachheit – unter extremen Bedingungen immer wieder überraschende Eigenschaften offenbart.

    Quellenhinweis:

    Andriambariarijaona, L., Stevenson, M. G., Bethkenhagen, M., et al. (2026): Observation of a mixed close-packed structure in superionic water. Nature Communications.