Superionisches Eis im Inneren der Eisriesen? Wasser bleibt bei mehr als 2300 Grad Celsius fest
Wasser bleibt bei mehr als 2300 Grad Celsius fest: Unter gewaltigem Druck konnte im Labor eine exotische Eisform erzeugt werden, deren Kristallstruktur die Magnetfelder von Uranus und Neptun erklären könnte.
Wissenschaftlern ist es gelungen, die extremen Bedingungen, die in den Gasriesen Uranus und Neptun vorherrschen, im Labor nachzustellen und eine exotische Variante von superionischem Eis zu erzeugen. Dabei wurde erstmals eindeutig eine spezielle Struktur beobachtet, die sich hexagonal dicht gepackte Form nennt, kurz hcp.
Für das Experiment pressten Alexis Forestier vom französischen Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA) und sein Team winzige Wassermengen zwischen Diamantstempel. Der Druck stieg dabei auf bis zu 229 Gigapascal an – das ist mehr als zwei Millionen Mal der normale Luftdruck auf der Erde.
Mit Laserlicht erhitzten die Wissenschaftler die Probe auf bis zu 2630 Kelvin, also rund 2357 Grad Celsius. Trotzdem verdampfte das Wasser nicht. Röntgenbeugungsmessungen an der European Synchrotron Radiation Facility in Frankreich zeigten stattdessen, wie sich die Sauerstoffatome zu einem Kristallgitter ordneten.
Ein Kristallgitter mit beweglichen Protonen
Superionisches Eis unterscheidet sich stark von gefrorenem Wasser, wie man es aus dem Alltag kennt. Während die Sauerstoffatome in einem festen Gitter sitzen, können sich Wasserstoffkerne beziehungsweise Protonen frei durch diese Struktur bewegen. Dadurch kann das Material elektrische Ladung leiten.
Eine solche Materieform war bereits vor über 30 Jahren vorhergesagt worden. Erst im Jahr 2018 gelang ein überzeugender experimenteller Hinweis auf superionisches Wasser. Ein Jahr später konnten Forschende seine atomare Struktur mithilfe schneller Röntgenbeugung untersuchen.
Die neuen Versuche decken einen Druckbereich von 80 bis 229 Gigapascal und Temperaturen von 300 bis 2630 Kelvin ab. Die Messungen zeigen, dass die bekannte kubisch-flächenzentrierte Form, fcc genannt, bei mehr als etwa 1800 Kelvin und 160 Gigapascal zunehmend in die hcp-Struktur übergeht. Bei 219 Gigapascal und 2630 Kelvin dominierte hcp.
Innere Schichten der Eisriesen
Der Strukturwechsel erfolgt offenbar nicht abrupt. Vielmehr verschieben sich die Atomlagen allmählich, bis die neue Anordnung unter den extremen Bedingungen stabiler wird. Dabei könnten sich Eigenschaften verändern – etwa die Wärmeleitung, die mechanische Stabilität und die Beweglichkeit geladener Teilchen.
Bemerkenswert ist zudem die Wärmeausdehnung des hcp-Eises. Oberhalb von etwa 1700 Kelvin dehnt sich die Struktur vor allem in einer kristallografischen Richtung aus. Das könnte darauf hindeuten, dass sich Wasserstoff in bestimmten Richtungen leichter durch das Gitter bewegt.
Das macht den Befund für die Planetenforschung so interessant. Die Raumsonde Voyager 2 entdeckte bei Uranus 1986 und bei Neptun 1989 ungewöhnliche Magnetfelder. Anders als das Erdmagnetfeld sind sie stark geneigt, nicht rotationssymmetrisch und gegenüber den Planetenzentren versetzt.
Das wird oft dadurch erklärt, dass elektrische Ströme in einer relativ dünnen, leitfähigen Schicht tief im Inneren der beiden Eisriesen ihre Magnetfelder erzeugen. Superionisches Wasser gilt dabei als wichtiger Kandidat für das leitfähige Material.
Dass dieses Eis nicht nur in der fcc-, sondern auch in der hcp-Form existieren kann, könnte solche Modelle verändern. Unterschiedliche Kristallstrukturen desselben Materials können Wärme und elektrische Ladung unterschiedlich transportieren.
Die Forschenden wollen nun bestimmen, unter welchen Druck- und Temperaturbedingungen hcp-Superioneneis stabil bleibt. Entscheidend ist dabei, wie sich die beweglichen Protonen durch das Gitter bewegen – und ob diese anisotrope Leitfähigkeit die rätselhaften Magnetfelder von Uranus und Neptun besser erklären kann.
Artikelreferenz
Forestier, A., Weck, G., Ninet, S., Garbarino, G., Mezouar, M., Datchi, F., & Loubeyre, P. (2026). Observation of Hexagonal Close-Packed Water Ice at Conditions in Ice Giant Planetary Interiors. Physical Review Letters.