Es ist einer der verkehrten Tricks der Natur, dass das tiefe Innere der Erde so heiß ist wie die Oberfläche der Sonne. Auch die dort befindliche Eisenkugel steht unter extremem Druck: etwa 360 Millionen Mal mehr Druck, als wir auf der Erdoberfläche erfahren. Aber wie können Wissenschaftler untersuchen, was mit dem Eisen im Zentrum der Erde passiert, wenn es weitgehend unbeobachtbar ist?
Mit einem Paar Laser.
Die Erde ist nicht der einzige Körper mit einem Eisenkern. Merkur, Venus und Mars haben sie auch. Tatsächlich hat jede Welt, die jemals geschmolzen wurde, wahrscheinlich einen Eisenkern, da die Dichte von Eisen es in Richtung des Schwerkraftzentrums einer Welt fallen lässt. Astronomen glauben, dass einige Eisen-Asteroiden eigentlich Kerne von Planetesimalen sind, die durch Kollisionen den Rest ihrer Masse verloren haben.
Was passiert mit dem Eisen, wenn zwei Planeten kollidieren? Was passiert mit dem Eisen im Erdkern? In beiden Szenarien wird das Bügeleisen extremer Hitze und Druck ausgesetzt. Das meiste, was Wissenschaftler über Eisen unter diesen extremen Bedingungen wissen, stammt aus Laborexperimenten mit geringeren Temperaturen und Drücken. Aber die Forscher am SLAC (Stanford Linear Accelerator Center) des DOE wollten die Extreme im Erdmittelpunkt so gut wie möglich nachbilden, um das Verhalten von Eisen zu testen.
Die Forscher unter der Leitung von Sébastien Merkel von der Université de Lille veröffentlichten ein Papier mit ihren Ergebnissen. Der Titel der Zeitung lautet „ Femtosekunden-Visualisierung der hcp-Eisenfestigkeit und -plastizität unter Schockkompression “ und wurde in der Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht.
Unter normalen Bedingungen auf der Erdoberfläche ist Eisen auf natürliche Weise auf eine bestimmte Weise angeordnet. Die Atome sind in nanoskopischen Würfeln angeordnet, mit einem Eisenatom in der Mitte und einem an jeder Ecke. Bei ausreichend hohem Druck ordnen sich die Eisen zu sechseckigen Prismen um. Diese Konfiguration ermöglicht es, mehr Eisen in den gleichen Raum zu komprimieren.
Eisen bildet bei ausreichendem Druck sechseckige Prismen. Bildquelle: S. Merkel/Universität Lille, Frankreich
So viel ist bereits bekannt.
Aber was passiert, wenn der Druck noch weiter erhöht wird, auf das gleiche Niveau wie im äußeren Erdkern? Um das herauszufinden, nutzte das Forscherteam zwei Laser.
Der erste Laser war ein optischer Laser, mit dem eine Stoßwelle erzeugt wurde, die das Eisen im Labor extremen Temperaturen und Drücken aussetzte. Der zweite Laser war der von SLAC Kohärente Lichtquelle von Linac (LCLS) Freie-Elektronen-Röntgenlaser. Mit dem LCLS konnte das Team das Eisen auf atomarer Ebene beobachten, wie es extremen Bedingungen ausgesetzt war.
„Wir haben die inneren Kernbedingungen nicht ganz gemacht“, sagt Co-Autorin Arianna Gleason, Wissenschaftlerin in der High-Energy Density Science (HEDS) Division am SLAC. 'Aber wir haben die Bedingungen des äußeren Kerns des Planeten erreicht, was wirklich bemerkenswert ist.'
Andere Materialien wie Quarz, Titan, Zirkon und Calcit wurden auf ähnliche Weise getestet. Aber niemand hatte jemals Eisen unter solch extremen Temperaturen und Drücken beobachtet.
„Während wir es weiter forcieren, weiß das Bügeleisen nicht, was es mit dieser zusätzlichen Belastung anfangen soll“, sagt Gleason. „Und es muss diesen Stress abbauen, also versucht es, den effizientesten Mechanismus dafür zu finden.“
Als Reaktion auf all diesen Stress macht das Eisen etwas namens „ Städtepartnerschaft . '
„Wir konnten eine Messung in einer Milliardstel Sekunde durchführen. Die Atome in dieser Nanosekunde dort einzufrieren, wo sie sich befinden, ist wirklich aufregend.“
Arianna Gleason, Co-Autorin, SLAC.
Zwillinge sind, wenn sich Atome neu anordnen, sodass sie Kristallgitterpunkte symmetrisch teilen. Unterschiedliche Materialien weisen unterschiedliche Arten von Zwillingen auf, die alle durch wohlverstandene Gesetze geregelt werden. Bei Eisen drehen sich die sechseckigen Prismen um fast 90 Grad zur Seite. Der Befestigungspunkt wird Zwillingsebene oder Kompositionsfläche genannt.
Wenn eiserne Zwillinge so werden, wird es außerordentlich stark. Anfangs. Aber mit der Zeit verschwindet diese Stärke.
„Twinning ermöglicht es Eisen, unglaublich stark zu sein – stärker als wir zunächst dachten – bevor es auf viel längeren Zeitskalen plastisch zu fließen beginnt“, sagte Gleason.
Diese Entdeckung drehte sich um eine Eisenprobe von der Größe einer menschlichen Haarsträhne. Das Bügeleisen wurde durch den optischen Laser in extreme Hitze und Druck geschockt. In einem Pressemitteilung , beschrieb Hauptautor Sébastien Merkel, wie es bei den Experimenten war. „Der Kontrollraum befindet sich direkt über dem Experimentalraum“, sagte er. 'Wenn Sie die Entladung auslösen, hören Sie ein lautes Knallen.'
Dann beobachtete das LCLS die Reaktion des Eisens im Nanosekundenbereich, um zu sehen, wie sich die Atome neu anordneten. Vor dem Experiment wusste das Team nicht, wie schnell das Eisen reagieren würde und ob es die Veränderungen messen könnte. „Wir konnten in einer Milliardstel Sekunde eine Messung durchführen“, sagte Co-Autor Gleason. „Die Atome in dieser Nanosekunde dort einzufrieren, wo sie sich befinden, ist wirklich aufregend.“
Die Ergebnisse des Teams wurden von einem Redakteur bei Physical Review Letters hervorgehoben. In einem Kommentar sagte der korrespondierende Redakteur Merric Stephens: „Anfangs veränderte die Stoßwelle die Struktur des Eisens von kubisch-körperzentriert zu hexagonal-dicht gepackt, was das Team erwartete. Die hexagonale Struktur verformte sich dann mehrere Nanosekunden lang elastisch, bevor sie nachgab. Danach nahm sie die Spannung auf, indem sie sich in Paare von Zwillingskristallen umordnete – ein Prozess, der selbst dann noch andauerte, nachdem die Spannung unter die Fließgrenze gefallen war.“
Allein schon die Messung von Veränderungen, die so schnell passieren, ist nach Ansicht der Forscher ein erfolgreiches Ergebnis. „Dass die Städtepartnerschaft auf der Zeitskala stattfindet, an der wir sie messen können, ist ein wichtiges Ergebnis an sich“, sagte Merkel.
Vor diesem Experiment stammt ein Großteil unseres Verständnisses von Eisen aus der Beobachtung des Elements unter weniger extremen Bedingungen und der anschließenden Modellierung zu höheren Extremen. Aber diese Ergebnisse sind ein wichtiger Schritt nach vorn.
„Jetzt können wir einigen Physikmodellen für wirklich grundlegende Deformationsmechanismen ein Daumen hoch und ein Daumen runter geben“, sagt Gleason. „Das hilft, einen Teil der Vorhersagefähigkeit aufzubauen, die uns für die Modellierung der Reaktion von Materialien unter extremen Bedingungen fehlt.“
Gleason sagt, dass das neu aktualisierte LCLS dieses Experiment zum Tragen brachte und zu mehr führen wird. „Die Zukunft sieht rosig aus, jetzt, da wir einen Weg entwickelt haben, diese Messungen durchzuführen“, sagt Gleason. „Das jüngste Upgrade des Röntgen-Undulators im Rahmen des LCLS-II-Projekts ermöglicht höhere Röntgenenergien – was Studien an dickeren Legierungen und Materialien mit geringerer Symmetrie und komplexeren Röntgen-Fingerabdrücken ermöglicht.“
Dieses Experiment brachte Ergebnisse hervor, die noch nie zuvor jemand beobachtet hatte. Aber selbst mit dem Erfolg war das Team nicht in der Lage, die extremen Bedingungen im Inneren der Erde zu reproduzieren. Sie konnten nur den äußeren Kern duplizieren. Aber in Zukunft wird sich das ändern.
„… wir werden leistungsstärkere optische Laser mit der Genehmigung für den Bau einer neuen Flaggschiff-Petawatt-Laseranlage, bekannt als MEC-U, erhalten“, sagt Gleason. „Das macht die zukünftige Arbeit noch spannender, weil wir problemlos an die inneren Kernbedingungen der Erde gelangen.“
Der neue Laser wird in einer unterirdischen Einrichtung untergebracht, die mit dem bestehenden LCLS von SLAC verbunden ist. Der Petawatt-Laser wird eine Million Milliarden Watt produzieren und in der Lage sein, Materialien in den denkbar extremsten Umgebungen zu untersuchen. Das Matter in Extreme Conditions Upgrade (MEC-U) „… verspricht, unser Verständnis der Bedingungen, die zur Erzeugung von Fusionsenergie erforderlich sind, und zur Nachbildung einer breiten Palette astrophysikalischer Phänomene hier auf der Erde dramatisch zu verbessern“, so das Department of Energy.
In einer neuen unterirdischen Versuchsanlage, die mit der Linac Coherent Light Source (LCLS) von SLAC gekoppelt ist, werden zwei hochmoderne Lasersysteme – ein Hochleistungs-Petawatt-Laser und ein Hochenergie-Kilojoule-Laser – in zwei neue, speziell dafür vorgesehene Experimentierbereiche einspeisen zum Studium heißer dichter Plasmen, Astrophysik und Planetenwissenschaft. (Gilliss Dyer/SLAC National Accelerator Laboratory)
Über den Zustand von Eisen unter den extremen Bedingungen im Erdkern wurde viel nachgedacht und theoretisiert. Wissenschaftler vermuteten, dass es wie bei anderen Materialien zu einer Zwillingsbildung kommen würde, waren sich aber nicht sicher. Jetzt gibt es experimentelle Daten, die einige dieser Überlegungen unterstützen und andere Schlussfolgerungen widerlegen.
Mehr:
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- Forschungsbericht: Femtosekunden-Visualisierung der hcp-Eisenfestigkeit und -plastizität unter Schockkompression
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