Gigantischer Wasserspeicher im Erdinnern: Forschende entdecken verborgenen Wasserstoff im Erdkern

Wie viel Wasserstoff im Erdinneren verborgen liegt, wird seit Jahrzehnten diskutiert. Ebenso umstritten ist die Frage, wie der leichte Stoff überhaupt dorthin gelangt ist. Neueste Experimente deuten nun darauf hin, dass sich im Erdkern enorme Mengen Wasserstoff verbergen.

Die Proben werden während des Versuchs zwischen zwei einen Zehntel Millimeter große Diamantspitzen eingeklemmt. Bild: M. Murakami/ETH Zürich

Der Ursprung des irdischen Wassers ist eines der großen ungelösten Rätsel der Erde. Einige Theorien gehen davon aus, dass Wasser erst nach der Bildung des Erdkerns auf unseren Planeten gebracht wurde, nämlich durch Kometen und Asteroiden. Andere wiederum nehmen an, dass die junge Erde bereits reich an Wasser war: Elementarer Wasserstoff wäre demnach bereits während der Kernbildung ins Planeteninnere abgesunken.

Die beiden Theorien „trockene Erde“ und „innere Quelle“ sind die vorherrschenden Meinungen dazu, wie Wasser auf den Planeten gekommen ist. Dazu kommen neuere Ansätze wie die „Schwamm“-Hypothese, die davon ausgeht, dass die sich entwickelnde Erde einst Eis und Wasser aus der kosmischen Umgebung gezogen hat.

Direkte Messungen im Erdkern sind derzeit unmöglich. Auch indirekte Rückschlüsse über seismische Wellen sind nur begrenzt machbar, weil im Kern extremere Druck- und Temperaturbedingungen herrschen als im darüberliegenden Mantel.

Bedingungen wie im Erdinnern

Um die chemische Form und Menge des Wasserstoffs im Erdkern zu bestimmen, hat darum nun ein Forschungsteam um Motohiko Murakami vom Departement Erd- und Planetenwissenschaften der ETH Zürich Laborexperimente durchgeführt, bei denen die Bedingungen der frühen Erdentstehung simuliert wurden. Die Studienergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht.

Mithilfe einer lasererhitzten Diamantstempelzelle wurden Drücke erzeugt, die mehr als eine Million Mal höher sind als der Atmosphärendruck, unter Temperaturen, die sogar jene an der Sonnenoberfläche übertreffen.

In einer winzigen, wasserhaltigen Kristallkapsel wurde ein Stück metallisches Eisen eingeschlossen. Durch gezielte Lasererhitzung schmolz das Eisen, sodass Silizium, Sauerstoff und Wasserstoff aus der Kapsel in das Metall diffundieren konnten.

Wasserstoff bildet Eisenhydrid

Die Versuche zeigten, dass Wasserstoff im Kern nicht isoliert vorkommt. Statt als Gas oder in Form von Wassermolekülen liegt er demnach chemisch gebunden im geschmolzenen Eisen vor – als sogenanntes Eisenhydrid.

Dabei entstehen Nanostrukturen, in denen Wasserstoff gemeinsam mit Silizium und Sauerstoff im Metallgitter eingebettet ist. Nach rascher Abkühlung konnten die atomaren Strukturen dann dreidimensional sichtbar gemacht werden.

Die größte Herausforderung bestand darin, Wasserstoff unter solch extremen Bedingungen im Nanobereich nachzuweisen.

„Mithilfe modernster Tomografie konnten wir schließlich visualisieren, wie sich diese Atome innerhalb des metallischen Eisens verhalten“, erklärt Dongyang Huang, ehemaliger Postdoktorand in Murakamis Forschungsgruppe und Erstautor der Stude.

Mehr Wasserstoff als erwartet

Um die Gesamtmenge des Wasserstoffs im Erdkern abzuschätzen, kombinierten die Forschenden die experimentellen Werte zum Wasserstoff-Silizium-Verhältnis mit bekannten Daten zum Siliziumanteil im Kern. Demnach könnten zwischen 0,07 und 0,36 Prozent der Kernmasse aus Wasserstoff bestehen, so das Ergebnis der Studie.

Würde man diese Menge in Wasser umwandeln, entspräche sie etwa dem Neun- bis Fünfzigfachen der Wassermenge aller heutigen Ozeane.

Damit dürfte der Erdkern ein deutlich größeres Wasserstoffreservoir darstellen als bisher angenommen. Möglicherweise übertrifft es sogar die Mengen in Ozeanen, Atmosphäre und Mantel zusammen.

Folgen für Erdgeschichte und Magnetfeld

Die neuen Daten stellen auch die jetzigen Theorien zur Entwicklung der Erde infrage. Wenn bereits bei der Entstehung große Mengen Wasserstoff in den Kern gelangten, spricht das gegen die Annahme, dass Wasserstoff durch Kometen auf die Erde gelangt ist.

„Das spricht eher dagegen, dass der Wasserstoff von Kometen stammt, die erst nach der Entstehung in die junge Erde einschlugen.“

– Motohiko Murakami, Departement Erd- und Planetenwissenschaften, ETH Zürich

Zugleich lässt sich genauer in die Bewegungen des Erdinneren blicken. Tief gespeicherter Wasserstoff könnte langfristig die Entstehung des Magnetfeldes, die Konvektion im äußeren Kern oder den Austausch zwischen Kern und Mantel beeinflussen.

Über Milliarden Jahre hinweg könnte Wasserstoff langsam wieder in Richtung Oberfläche gelangen, was sich wiederum auf Vulkanismus, Manteldynamik und möglicherweise sogar auf den globalen Wasserkreislauf auswirken könnte.

Bedeutung über die Erde hinaus

Die Erkenntnisse reichen zudem weit über unseren Planeten hinaus. Für die Modellierung von Exoplaneten ist die Verteilung leichter Elemente im Inneren entscheidend – sie bestimmt, ob ein Planet einen metallischen Kern besitzt oder kernlos bleibt.

Auch geochemische Modelle des Erdmantels lassen sich durch die neuen Daten verbessern. Damit soll erklärt werden, wie flüchtige Stoffe im frühen Sonnensystem verteilt wurden.

„Die Ergebnisse verbessern unser Verständnis der tiefen Erde“, erklärt Murakami. Sie lieferten Hinweise darauf, wie Wasser und andere flüchtige Stoffe im frühen Sonnensystem verteilt wurden und wie die Erde zu ihrem Wasserstoff kam. Und Murakami fügt hinzu: „Das Wasser, das wir heute an der Erdoberfläche sehen, ist vielleicht nur die sichtbare Spitze eines gigantischen Eisbergs, tief im Inneren der Erde“.

Quellenhinweis:

Huang, D., Murakami, M., Gerstl, S., Liebske, C. (2026): Experimental quantification of hydrogen content in the Earth’s core. Nature Communications, 17, 1211.