„So etwas hat es bisher noch nie auf der Erde gegeben“. Als wissenschaftliche Sensation, wurde das jüngst geglückte Experiment der Forscher aus Cambridge bezeichnet. Unter extremen Bedingungen konnte zum ersten Mal in der Geschichte der Wissenschaft metallischer Wasserstoff hergestellt werden. Kritiker hielten das bislang als unmöglich und zweifeln den Erfolg der Forscherkollegen an. Sollte der Versuch jedoch noch einmal reproduziert werden können, dürfte diese Entdeckung sogar einen großen Einfluss auf unsere Zukunft haben.


Wasserstoffproduktion preiswert und einfach

Forscher wandeln gasförmigen Wasserstoff in ein atomares Metall um

Den Forschern aus den USA ist Erstaunliches gelungen. Sie haben gasförmigem Wasserstoff metallische Eigenschaften verliehen. Das Experiment wurde im Fachblatt Science veröffentlicht. Haben die Forscher aus Cambridge tatsächlich den Gral der Hochdruckphysik entdeckt? Bisher ist es keinem anderen Team gelungen, Wasserstoff unter Hochdruck in ein atomares Metall umzuwandeln. Knapp 80 Jahre konnte dieses Experiment nur in der Theorie gestaltet werden. So wurde angenommen, dass Wasserstoff unter mehr als 450 Gigapascal Druck und in einer ultrakalten Temperaturumgebung den exotischen metallischen Zustand einnimmt. Nun soll der experimentelle Nachweis endlich gelungen sein. Der Versuchsaufbau ist hochkompliziert.


Eigentlich passen Gas und Metall gar nicht zusammen. Unter einem hohen Druck, wie dieser beispielsweise tief im Inneren von Gasplaneten (Jupiter oder Saturn) herrscht, verändert das Gas allerdings seine Eigenschaften. Mit einem gewöhnlichen Gas, wie wir es kennen, hat das dann nicht mehr viel gemein. Die im Gas befindlichen Moleküle werden unter dem immensen Druck zusammengestaucht und brechen in der Folge auseinander. Wenn das passiert, bleiben nur noch einzelne Atome übrig, die sich wiederum wie ein Metall verhalten. Das veränderte Gas verfügt dann über eine so hohe Dichte, dass es fest ist und Strom leitet. Und das ist die wichtige Metalleigenschaft, die entsprechend publiziert wurde. Dieser Zustand wurde bisher noch nicht beobachtet. Niemand zuvor konnte den experimentellen Nachweis erbringen.

Diamanten
Foto: Diamanten, Mario Sarto CC BY-SA 3.0 (VIA WIKIMEDIA COMMONS)

Warum ist der Nachweis so schwierig?

Der enorm hohe Druck, der im Labor erzeugt werden muss, stellt die größte Herausforderung dar. Tiefere Temperaturen sind eher weniger das Problem, das gelingt schon ganz gut. Der benötigte Druck ist etwa fünf Millionen Mal größer, als der normale Luftdruck und entspricht dem Druck, der im Inneren unserer Erde vorherrscht. Um diesen gigantischen Druck erzeugen zu können, nutzten die Forscher Diamanten. Diese mussten besonders hart und bruchsicher sein. So geschieht es recht schnell, dass weniger harte Diamanten unter dem enormen Druck einfach zerbröseln. Den Druck zu erzeugen ist folglich ein ganz schwieriges Experiment, das viele Forscher schon in die Verzweiflung trieb.

Welchen Mehrwert würde uns dieser neue Zustand in Zukunft bringen?

Gelingt es Forschern in Zukunft diesen exotischen Materiezustand in irgendeiner Form stabil zu bekommen (einige Theorien gehen davon aus, dass der Zustand unverändert bleibt, sobald er aus der Presse herauskommt), könnte das metallische Gas als Supraleiter eingesetzt werden. Supraleiter sind in der Lage Strom sehr gut leiten zu können. Technologisch könnte das bedeuten, dass in Zukunft Akkus gebaut werden könnten, die nur noch einmal im Monat geladen werden müssen. Und allgemein könnte Strom dann auf eine sehr kostengünstigen Art und Weise transportiert werden. Ein großer Schritt also für den Energietransport aber auch für Energiespeicher-Technologien.

Die Nutzbarkeit von metallischen Wasserstoff als Supraleiter bei Raumtemperatur könnte auch Antriebe revolutionieren. Schließlich wird bei der Rückführung des Wasserstoffmetalls in den molekularen Zustand eine Menge Energie frei. Neuartige Raketenantriebe könnten gebaut werden. Der spezifische Impuls währe dann mehr als das Dreifache höher als bei herkömmlichen Treibstoffen. So könnten Raketen beispielsweise mit nur einer Brennstufe in den Orbit geschossen werden. Auch der Transport von mehr Nutzlast wäre so möglich. Zudem wäre die Erkundung äußerer Planeten deutlich einfacher.

Die Fachwelt ist skeptisch

Das klingt alles spannend und im ersten Moment durchaus sensationell. Tobender Jubel aus der Fachwelt blieb jedoch bislang aus. Im Gegenteil, es hagelte große Kritik. So meldeten sich auch recht schnell Wissenschaftler-Kollegen, die seit Jahren versuchen metallischen Wasserstoff herzustellen. Das Experiment wird angezweifelt und der Vorwurf laut, dass die Studie zu schnell veröffentlicht wurde. Es wird angezweifelt, dass der geforderte Druck überhaupt erreicht wurde. Die in der Publikation aufgeführten Belege werden für nicht überzeugend gehalten. Zudem wird angeprangert, dass nicht ganz klar sei, dass das was in der Diamanten-Presse zu sehen ist, auch tatsächlich Wasserstoff ist. Die Studie liefere lediglich ein Indiz, heißt es weiter. Es müssen nun in der Folge noch Untersuchungen angestrebt werden, um den tatsächlichen Beweis auch manifestieren zu können. Ein weiterer Kritikpunkt ist, das es sich bisher um einen einmaligen Versuch handelt. In der Physik herrscht das ungeschriebene Gesetz, dass Sensationen auch reproduziert werden können müssen. Allerdings ist das bei so komplizierten Versuchen, wie die Herstellung des metallischen Wasserstoffs darstellt, gar nicht so einfach. Die Veröffentlichung erfolgte somit zu früh.

Um aus den im Paper festgehaltenen Indizien handfeste Belege zu machen, müssen die Forscher noch nachlegen. Es ist denkbar, dass das in Kürze noch passiert. Im Optimalfall gelingt es aber auch anderen Forschern das Ergebnis zu reproduzieren.

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