Uranus und Neptun sind weit weg: Die beiden nach aktuellem Wissen äußersten Planeten unseres Sonnensystems umkreisen die Sonne im Schnitt im etwa 20‑, beziehungsweise 30‑fachen Abstand, den Erde und Sonne haben. Weil sie so weit von uns entfernt sind, haben Wissenschaftler sie bislang kaum genauer studiert, und so bergen die beiden Eisriesen weiterhin zahlreiche Geheimnisse.

Die Planeten des Sonnensystems.Bildrechte: picture alliance / dpa | IAU Martin Kornmesser

Zwar wissen Astronomen, dass beide Planeten viel Wasser enthalten und aufgrund ihrer äußeren Bahnen durch eine sehr kalte Umgebung ziehen. Doch im Inneren der Riesenplaneten ist es sehr wahrscheinlich alles andere als kalt, einfach, weil ihre hohe Schwerkraft großen Druck erzeugt und großer Druck mit hohen Temperaturen verbunden ist. Trotzdem vermuten Forscher, dass das Wasser dort in einer sehr speziellen Form von Eis vorliegt. Und dieses Eis leitet elektrischen Strom besonders gut und könnte daher die merkwürdigen Magnetfelder der beiden Planeten erklären. Nun hat ein internationales Team von Physikern unter Beteiligung der Universität Rostock, der französischen CNRS-École Polytechnique und des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) diese Eisform mit Experimenten näher untersucht.

Superionisches Wasser: Wie extremer Druck und Hitze das Innere von Uranus und Neptun prägen

Konkret wollten die Forscher das sogenannte superionische Wasser untersuchen. Das kommt zustande, wenn Wasser einem Druck von mehr als 1,5 Millionen Bar und Temperaturen von mehreren tausend Grad Celsius ausgesetzt wird. Dann gehen die beiden Bestandteile des Wassers, also das Sauerstoffatom und die beiden Wasserstoffionen, eigene Wege. Während die Sauerstoffatome sich in einer Art Gitter anordnen, fließen die Wasserstoffionen frei wie in einem Plasma.

Doch wie genau sieht das Gitter der Sauerstoffatome aus? Bisherige Forschungen legten nahe, dass sich jeweils vier Atome zu Würfeln anordnen, mit einem fünften Atom in der Mitte. Oder es könnten auch Würfel entstehen, bei denen sich weitere Atome in der Mitte der Seitenflächen anordnen. Die neue Studie legt nun aber nahe, dass die Struktur im superionischen Wasser komplexer ist.

Neue Erkenntnisse zur Atomstruktur: Warum das Sauerstoffgitter komplexer ist als gedacht

Die Forscher stellten das Eis experimentell mit Hilfe zweier Großforschungseinrichtungen nach. Zum einen nutzten sie die europäische Röntgenlaseranlage "European XFEL" bei Hamburg, zum anderen das Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) in den USA. Beide Einrichtungen erzeugen Strahlung durch Teilchenbeschleuniger. Das SLAC verfügt dabei mit einer Beschleunigungsstrecke von drei Kilometern über einen der stärksten linearen Elektronenbeschleuniger der Welt.

So konnten die Forscher einerseits das Wasser unter hohen Druck setzen und andererseits die sich ergebende Atomstruktur mit der Strahlung aus den Teilchenbeschleunigern in einer Auflösung von Billionstelsekunden untersuchen. Dabei zeigte sich, dass einerseits tatsächlich Sauerstoffatome in Würfeln mit Atomen in der Mitte der Seitenquadrate vorlagen. Andererseits aber ordnete sich der Sauerstoff zu gestapelten Sechsecken. Beide Strukturen passten aber nicht sauber zueinander. Deshalb entstanden Fehler in der Gitterstruktur.

Experimente mit Röntgenlasern: Wie Forscher die geheimnisvolle Eisform im Labor nachbildeten

Weil sich die Sauerstoffatome aus Sicht der Physik in "fehlstrukturierter" Abfolge befinden, könnte das die Eigenschaften der Magnetfelder der beiden Eisriesen erklären, so die Studienautoren.

Links/Studien

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

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