Diamanten sind mehr als nur Schmuck

Ich muss gestehen: Als ich zum ersten Mal von dieser Studie las, musste ich meinen Unterkiefer erst mal wieder hochklappen. Wissenschaftler am Lawrence Livermore National Laboratory haben winzige Diamantsplitter genommen, sie stärker zusammengepresst als das Innere von Neptun und Uranus, heißer aufgeheizt als die Sonnenoberfläche — und dann herausgefunden, was da drin mit den Atomen passiert. Wie krass ist das denn?

Diamanten sind nicht nur für Ringe da

Klar, wir kennen Diamanten vor allem als funkelnden Schmuck. Aber dieses härteste Material der Welt hat erstaunlich praktische Anwendungen. Zum Beispiel stellt man daraus die winzigen Kapseln her, die den Brennstoff für Fusionsversuche halten. Also die Art von Technik, die uns eines Tages vielleicht unbegrenzte saubere Energie liefern könnte.

Außerdem vermuten Forscher, dass in Planeten wie Neptun und Uranus Diamanten entstehen könnten — und regelrecht dort herabregnen. Ja, du hast richtig gelesen: Diamantregen im Weltall.

Zwei Jahrzehnte Verwirrung

Seit etwa zwanzig Jahren allerdings zerbrachen sich Wissenschaftler den Kopf über widersprüchliche Ergebnisse. Auf der einen Seite standen Experimente, bei denen Forscher Diamant zusammenpressten und die Schmelztemperatur maßen. Auf der anderen Seite lieferten Supercomputer Simulationen, die basierend auf den Gesetzen der Quantenmechanik berechneten, was eigentlich passieren sollte.

Das Problem: Die beiden stimmten nicht überein. Nicht einmal annähernd. Experimentelle und theoretische Werte wichen um etwa 20 Prozent voneinander ab. Das wäre, als würde dein Navi dir sagen, dein Ziel sei 120 Kilometer entfernt, obwohl es nur 100 sind. Ziemlich frustrierend.

Ein verblüffendes Detail

Um das Jahr 2004 herum entdeckte Forscher Jon Eggert etwas ziemlich widersprüchliches: Wenn Diamant unter extremem Druck schmilzt, wird er tatsächlich dichter. Die meisten Stoffe dehnen sich beim Schmelzen aus — denk an Eis, das zu Wasser wird. Aber Kohlenstoff ist eben besonders. Das bedeutete: Wenn man einen Diamanten in flüssigem Kohlenstoff bei genug Druck schwimmen lassen könnte, würde er... untergehen. Verrückt, oder?

Es gab noch ein weiteres Rätsel. Frühere Experimente an den Sandia National Laboratories deuteten darauf hin, dass Diamant vor dem vollständigen Schmelzen vielleicht durch eine intermediäre Kristallstruktur gehen könnte. Computermodelle unterstützten diese Idee. Aber niemand konnte die atomare Anordnung tatsächlich sehen. Es war wie das Gerücht von einem geheimen Raum in einem Haus, ohne je die Tür zu finden.

Also: Wie findet man heraus, was mit Atomen unter solchen Bedingungen passiert?

Lasern, natürlich. (Ich sage das nur halb im Scherz.)

Das Team machte sich auf den Weg zur Omega Laser Facility an der University of Rochester. Dort nutzten sie intensive Laserenergie, um die äußere Schicht ihrer winzigen Diamantproben zu verdampfen. Diese Verdampfung erzeugte eine gewaltige Schockwelle, die den Diamanten in weniger als einer Milliardstel Sekunde durchquerte. Stell dir vor: Etwas wird so schnell zusammengepresst, dass alles vorbei ist, bevor dein Gehirn überhaupt mitbekommt, dass etwas passiert ist.

Die eigentliche Herausforderung

Das Schwierige daran? Sie mussten während dieses instantaneous Events Röntgenbeugung messen, um zu sehen, wie die Atome angeordnet waren. Das Problem: Kohlenstoffatome sind klein und leicht. Das bedeutet, sie streuen Röntgenstrahlen nicht besonders gut. Es war, als würde man versuchen, bei extrem schwachem Licht ein Foto zu machen.

„Es ist extrem schwierig, weil Kohlenstoff ein kleines und leichtes Atom ist", erklärte Forscher Marius Millot. „Es streut sehr wenige Röntgenstrahlen. Das Signal, das wir messen mussten, war ziemlich schwach."

Aber die verbesserten Diagnosegeräte, die das Team entwickelt hatte, funktionierten tatsächlich. Und als sie sich die Ergebnisse anschauten? Alles passte zusammen. Die neue Schmelztemperatur stimmte nahezu perfekt mit den Quantenmechanik-Simulationen überein. Zwanzig Jahre Kopfzerbrechen, gelöst.

Was sie nicht fanden

Noch interessanter war, was sie NICHT fanden. Diese vermutete intermediäre Kristallstruktur? Die existiert wahrscheinlich gar nicht. Diamant bleibt Diamant, bis er den Schmelzpunkt erreicht. Kein geheimnisvolles Zwischenstadium, keine versteckte Tür — einfach direkte Transformation von fest zu flüssig.

Jon Eggert, der diese Untersuchung vor zwei Jahrzehnten begann, brachte es schön auf den Punkt: „Auch wenn es frustrierend war herauszufinden, dass unsere ursprünglichen Temperaturmessungen um mehr als 1000 Grad falsch waren, ist es aufregend, eine so dramatische Verbesserung der Datenqualität durch unsere neuen Diagnosemethoden zu sehen."

Diese Ehrlichkeit gefällt mir. Wissenschaft geht nicht darum, beim ersten Mal recht zu haben — sondern darum, bessere Werkzeuge und bessere Ideen zu entwickeln. Manchmal lehren uns die „falschen" Ergebnisse mehr als die „richtigen", weil sie uns dazu bringen, bessere Experimente zu bauen.

Warum sollte dich das interessieren?

Erstens könnten diese Erkenntnisse die Energieausbeute bei Trägheitsfusionsversuchen verdreifachen. Das ist eine große Sache, wenn wir über die Zukunft sauberer Energie sprechen.

Und auf der Seite der Planetenforschung: Verstehen, wie sich Diamant unter extremen Drücken verhält, hilft uns, bessere Modelle davon zu entwickeln, was in Eisriesenplaneten passiert. Vielleicht, nur vielleicht, fällt irgendwo in den Tiefen des Neptun gerade Diamantregen herab — und jetzt verstehen wir genau, was das bedeutet.

Manchmal versteckt sich die exotischste Physik direkt vor unserer Nase, eingeschlossen im härtesten Material, das wir kennen.