Wissenschaftler haben lange spekuliert, dass sich im Herzen eines Gasriesen die Gesetze der Materialphysik radikal ändern. In solchen Umgebungen mit extremem Druck wird Wasserstoffgas so weit komprimiert, dass es tatsächlich zu einem Metall wird. Seit Jahren suchen Wissenschaftler nach einer Möglichkeit, metallischen Wasserstoff synthetisch herzustellen, da er endlose Anwendungsmöglichkeiten bietet.
Derzeit ist dies nur bekannt, Wasserstoffatome mit einem Diamantamboss so lange zu komprimieren, bis sie ihren Zustand ändern. Und nach jahrzehntelangen Versuchen (und 80 Jahren seit der ersten Theorie) könnte es endlich ein Team französischer Wissenschaftler geschafft haben erzeugt metallischen Wasserstoff in einer Laborumgebung. Obwohl es viel Skepsis gibt, gibt es viele in der wissenschaftlichen Gemeinschaft, die glauben, dass diese neueste Behauptung wahr sein könnte.
Die Studie, die ihr Experiment beschrieb, mit dem Titel „ Beobachtung eines Phasenübergangs erster Ordnung zu metallischem Wasserstoff nahe 425 GPa “, erschien kürzlich auf dem arXiv Preprint-Server. Das Team bestand aus Paul Dumas, Paul Loubeyre und Florent Occelli, drei Forschern der Abteilung für militärische Anwendungen (DAM) bei der Französische Kommission für alternative Energien und Atomenergie und der Synchrotron SOLEIL Forschungseinrichtung.
Dieser Ausschnitt zeigt ein Modell des Inneren des Jupiter mit einem felsigen Kern, der von einer tiefen Schicht flüssigen metallischen Wasserstoffs überlagert wird. Bildnachweis: Kelvinsong/Wikimedia Commons
Wie sie in ihrer Studie zeigen, ist es unbestreitbar, dass dank der Regeln des Quanteneinschlusses „metallischer Wasserstoff existieren sollte“. Konkret weisen sie darauf hin, dass, wenn die Elektronen eines beliebigen Materials in ihrer Bewegung genug eingeschränkt werden, schließlich der sogenannte „Bandlückenschluss“ stattfinden wird. Kurz gesagt, jedes Isolatormaterial (wie Sauerstoff) sollte in der Lage sein, ein leitfähiges Metall zu werden, wenn es ausreichend unter Druck steht.
Sie erklären auch, wie ihr Experiment durch zwei Fortschritte möglich wurde. Die erste hat mit dem verwendeten Diamantamboss-Setup zu tun, bei dem die Diamantspitzen toroidförmig waren – ein Torus mit einem Loch in der Mitte (wie ein Donut) – anstatt flach. Dies ermöglichte es dem Team, die frühere Druckgrenze anderer Diamantambosse (400 GPa) zu überschreiten und bis zu 600 Gpa zu erreichen.
Bei der zweiten handelte es sich um ein neuartiges Infrarotspektrometer, das das Forschungsteam in der Synchrotron-SOLEIL-Anlage selbst entwickelt hat und mit dem die Probe vermessen werden konnte. Nachdem ihre Wasserstoffprobe Drücke von 425 GPa und Temperaturen von 80 K (-193 °C; -316 °F) erreicht hatte, berichteten sie, dass sie begann, die gesamte Infrarotstrahlung zu absorbieren, und zeigten damit an, dass sie „die Bandlücke geschlossen“ hatten.
Diese Ergebnisse haben eine ganze Menge Kritik und Skepsis auf sich gezogen, hauptsächlich weil frühere Behauptungen, wonach metallischer Wasserstoff erzeugt worden sein soll, sich entweder als falsch oder nicht schlüssig erwiesen haben. Darüber hinaus muss diese neueste Studie noch von Experten begutachtet und ihr Experiment von anderen Physikern validiert werden.
Luftaufnahme der Synchrotron-SOLEIL-Anlage. Bildnachweis: C. Kermarrec/Synchrotron SOLEIL
Das französische Team und seine experimentellen Ergebnisse haben jedoch einige mächtige Verbündete. Eine Person ist Maddury Somayazulu , ein außerordentlicher Forschungsprofessor am Argonne National Laboratory, der nicht an dieser Studie beteiligt war. Wie er in einem Interview mit sagte Gizmodo :
„Ich denke, das ist wirklich eine Nobelpreis-würdige Entdeckung. Das war es schon immer, aber dies ist wahrscheinlich eine der saubersten und umfassendsten Arbeiten zu reinem Wasserstoff.“
Somayazulu äußerte auch, dass er den Hauptautor der Studie, Paul Dumas, „sehr gut“ kenne und dass Dumas ein „unglaublich sorgfältiger und systematischer Wissenschaftler“ sei. Ein anderer Physiker, der sich positiv über dieses neueste Experiment äußerte, ist Alexander Goncharov , ein wissenschaftlicher Mitarbeiter der Geophysikalisches Labor des Carnegie Institute for Science .
In 2017 , äußerte er Zweifel, als ein Forschungsteam von Lyman Laboratory of Physics der Harvard University behauptete, mit einem ähnlichen Verfahren metallischen Wasserstoff erzeugt zu haben. Aber wie Goncharov Gizmodo von diesem neuesten Experiment erzählte:
„Ich denke, dass das Papier einige gute Beweise für die Schließung der Bandlücke in Wasserstoff enthält. Einige der Interpretationen sind falsch und einige Daten könnten besser sein, aber ich vertraue im Allgemeinen darauf, dass dies gültig ist.“
Oben: Mikroskopische Aufnahmen der Stufen aus dem Experiment 2017 von Dias und Silvera. Bildnachweis: Isaac Silvera; Unten: Die Bühnenbilder von Dumas (et al.), das mittlere Bild zeigt die Bildung von metallischem Wasserstoff. Bildnachweis: Loubeyre et al. (arXiv 2019)
Auch als Kunststoff hätte metallischer Wasserstoff endlose Anwendungsmöglichkeiten. Zunächst wird angenommen, dass es bei Raumtemperatur supraleitende Eigenschaften besitzt und metastabil ist (was bedeutet, dass es seine Festigkeit behält, wenn es wieder auf Normaldruck gebracht wurde). Diese Eigenschaften würden es unglaublich nützlich machen, wenn es um die Revolution in der Elektronik geht, die bereits im Gange ist.
Es wäre auch ein Segen für Wissenschaftler, die sich mit Hochenergieforschung und -physik beschäftigen, wie sie derzeit am CERN durchgeführt wird. Darüber hinaus könnten Astrophysiker erstmals die Bedingungen im Inneren von Riesenplaneten untersuchen, ohne dass sie tatsächlich Sonden entsenden müssen, um sie zu erforschen.
In dieser Hinsicht ist metallischer Wasserstoff der kalten Fusion sehr ähnlich. Angesichts der immensen Auszahlungen wird jeder, der behauptet, es geschafft zu haben, natürlich vor einigen schwierigen Fragen stehen. Wir können nur hoffen, dass die jüngsten Experimente erfolgreich waren, und entweder feiern oder auf den nächsten Versuch warten.
