KALIFORNIEN / LONDON (IT BOLTWISE) – Ein Forschungsteam am Lawrence Livermore National Laboratory hat den Schmelzpunkt von Diamant unter zuvor unerreichten Hochdruck- und Temperaturbedingungen experimentell bestimmt. Mit der Omega Laser Facility wurde eine winzige Diamantprobe schockkomprimiert und innerhalb eines Zeitfensters von nur einem Bruchteil einer Nanosekunde vermessen. Die Messwerte stimmen nun exakt mit den Vorhersagen moderner quantenmechanischer Computermodelle überein. Damit fällt eine seit rund zwei Jahrzehnten bestehende Lücke in der Hochdruckphysik weg, die zuvor teils um etwa 20 Prozent abwich.
Unter Hochdruckbedingungen verschiebt sich das Verhalten von Materialien häufig so stark, dass selbst gut begründete theoretische Modelle erst durch harte Messpunkte „geerdet“ werden. Genau an dieser Stelle setzt das neue Experiment an: Forschende um Marius Millot am Lawrence Livermore National Laboratory haben das Schmelzverhalten von Kohlenstoff in einem Bereich untersucht, der deutlich über klassischen Laborgrenzen liegt. Ergebnis: Der experimentell bestimmte Schmelzpunkt von Diamant entspricht nun den Erwartungen moderner quantenmechanischer Modelle. Die Arbeit ist im Wissenschaftsmagazin Nature Physics veröffentlicht worden und adressiert damit nicht nur ein Nischenthema der Hochdruckphysik, sondern auch eine zentrale Randbedingung für Modellrechnungen in Planeten- und Fusionsszenarien.
Technisch betrachtet basiert das Vorgehen auf intensiver Laserarbeit und schneller Diagnostik. Als Plattform diente die Omega Laser Facility an der University of Rochester: Die Wissenschaftler: innen verdampften zunächst mit energiereichem Laserbeschuss die äußere Schicht einer winzigen Diamantprobe. Aus diesem Abtrag entsteht eine Schockwelle, die den verbleibenden Diamanten auf einen Druck von einem Terapascal komprimiert. Gleichzeitig steigt die Temperatur im Material extrem schnell an – für den Bruchteil einer Nanosekunde auf rund 7.000 Grad Celsius. Dass dabei die Messung nicht „zu spät“ kommt, ist entscheidend: Die verwendete Röntgenbeugung erfasste in diesem engen Zeitfenster die relevanten Zustandsgrößen und lieferte damit die Grundlage für den Abgleich mit den quantenmechanischen Vorhersagen.
Der Datensatz hat damit gleich zwei Effekte. Erstens verschwindet die zuvor beobachtete Diskrepanz: Bisherige Labormessungen unter Leitung von Jon Eggert lagen dem Bericht zufolge etwa 20 Prozent beziehungsweise rund 1.000 Grad Celsius neben den theoretischen Werten. Zweitens liefern die neuen präzisen Messdaten eine zusätzliche physikalische Aussage zur Zustandsumwandlung: Fester Diamant soll eine geringere Dichte aufweisen als der flüssige, metallische Kohlenstoff. In der Konsequenz „schwimmt“ der Diamant in der flüssigen Kohlenstoffphase – ein Verhalten, das die Studie analog zum Prinzip von Eiswürfeln im Glas Wasser beschreibt, nur eben unter stark veränderten Materialeigenschaften und Skalen. Für die Hochdruckphysik ist das mehr als eine nette Analogie: Dichtedifferenzen beeinflussen, wie sich Phasenübergänge unter planetaren oder schockgetriebenen Bedingungen auswirken.
Besonders spannend wird die Einordnung im planetologischen Kontext. Die Studie stützt die Annahme, dass es im heißen Inneren von Eisriesen wie Neptun oder Uranus tatsächlich zu „Diamantenregen“ kommen kann: Kohlenstoff kristallisiert demnach tief in den atmosphärischen Schichten zu Diamanten und sinkt anschließend Richtung Planetenkern ab. Aus der Persistenz dieses Prozesses leitet die Arbeit eine plausiblere Erklärung für Reibungswärme ab, die der Planet kontinuierlich in den Weltraum abstrahlt. Gleichzeitig grenzt die Untersuchung Alternativen ein: Sie schließt aus, dass der Kohlenstoff vor dem eigentlichen Schmelzen in eine sogenannte BC8-Kristallstruktur übergeht. Damit wird eine zuvor diskutierte Zwischenphase weniger wahrscheinlich – auch weil theoretische Experimente an der Z-Maschine der Sandia National Laboratories Hinweise darauf geliefert hatten. Die nun beobachtete Schockkompression soll dem Material schlicht keine Zeit für eine strukturelle Umwandlung lassen, bevor der flüssige Aggregatzustand erreicht ist.
Von der Astrophysik führt die Linie zudem direkt in die Technik der Trägheitseinschlussfusion. Am Standort des Lawrence Livermore National Laboratory kommt bei der National Ignition Facility ein Ansatz mit winzigen Kapseln aus Diamant zum Einsatz, um den Fusionsbrennstoff zu umschließen und zu komprimieren. Damit das funktioniert, muss die Kapsel durch Laserbeschuss so geschmolzen und nach innen verdichtet werden, dass der Brennstoff für die Reaktion zündet. Die neuen Testergebnisse deuten laut Quelle darauf hin, dass bereits ein deutlich schwächerer initialer Laserschock ausreicht, um die Diamantkapsel gleichmäßig und effizient in eine Flüssigkeit zu verwandeln. Für das Design heißt das: Wenn der Schmelzpfad bei geringerer „Startintensität“ stabiler erreichbar ist, wird die Prozesskette potenziell robuster gegenüber Schwankungen – und damit auch gegenüber typischen experimentellen Streuungen.
Gleichzeitig bleibt die Aufgabe für die nächsten Ausbaustufen anspruchsvoll, weil die Kapselphysik nur ein Teil des Gesamtsystems ist. Die Quelle nennt, dass ein solcher angepasster Schock den Brennstoff komprimierbarer machen könnte und damit – nach ersten Berechnungen – den Energieertrag der Fusionsreaktion theoretisch verdreifachen würde. Damit das nicht nur auf dem Papier gelingt, müssen aber alle anderen dynamischen Parameter des Fusionsprozesses absolut stabil gehalten werden: Schon kleine Abweichungen in Timing, Impulsübertragung oder Materialverhalten können die Symmetrie der Implosion beschädigen. Genau deshalb plant das Team, das physikalische Verhalten der Diamantkapseln in späteren Phasen der Fusionsimplosion detaillierter zu analysieren – insbesondere, wie stabil die Kristallstruktur bleibt, wenn mehrere aufeinanderfolgende Schockwellen auf das Material einwirken.
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