LIVERMORE / LONDON (IT BOLTWISE) – Neue Stoßexperimente an der Omega Laser Facility zeigen, dass Diamant unter extremem Druck bis in den Terapascalbereich kristallin bleibt. Erst bei etwa 7.300 Kelvin setzt der Schmelzübergang zu flüssigem Kohlenstoff ein. Die Messungen kombinieren Geschwindigkeitsdaten, Pyrometrie und Röntgenbeugung in derselben Versuchsserie. Damit schließen die Forschenden eine über rund 20 Jahre entstandene Lücke zwischen Experiment und quantenmechanischer Theorie.
Wie sich Kohlenstoff unter extremen Drücken verhält, war lange ein Streitpunkt zwischen Labormessungen und quantenbasierten Modellen. Der Kern der Frage lautet dabei nicht, ob Diamant überhaupt schmilzt, sondern wann genau der Übergang von der kristallinen Ordnung zu flüssigem Kohlenstoff einsetzt. In der Praxis ist dieses Timing relevant, weil Diamant bei stark verdichteten Brennstoffkapseln für die Trägheitsfusion eine Rolle als Einfassung spielt und weil Kohlenstoffmodelle in den Eisriesen Uranus und Neptun ebenfalls vom Stoffverhalten im Inneren abhängen. Neue Stoßexperimente liefern nun eine deutlich schärfere Schmelzkurve und rücken den Schmelzpunkt in den Bereich, den die Theorie schon länger nahelegte.
Die Experimente stammen aus dem Umfeld des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) um Marius Millot und wurden an der Omega Laser Facility durchgeführt. Dafür komprimierte das Team winzige Diamantproben mit Stoßwellen, die nur etwa eine Nanosekunde lang extreme Zustände erzeugen. Maßgeblich ist dabei der Druckbereich bis nahe an einen Terapascal, wobei ein Terapascal einer Billion Pascal entspricht. In der Versuchslogik ist diese Größenordnung entscheidend, weil frühere Messungen in genau diesem Regime teils widersprüchliche Aussagen geliefert hatten: Bereits vor rund 20 Jahren war beobachtet worden, dass flüssiger Kohlenstoff unter solchen Bedingungen dichter sein könne als fester Diamant. Gleichzeitig klafften gemessene und theoretisch vorhergesagte Schmelztemperaturen um etwa 20 Prozent auseinander.
Um den Schmelzübergang diesmal direkt zu verfolgen, kombinierten die Forschenden mehrere Diagnoseverfahren, die während derselben kurzen Kompressionsphase zusammenlaufen. Sie verwendeten Geschwindigkeitsmessungen, um die Dynamik des Materials zu erfassen, Pyrometrie, um die Temperatur abzuleiten, und Röntgenbeugung, um die atomare Ordnung anhand der auftretenden Beugungslinien zu beurteilen. Der Ansatz ist dabei technisch anspruchsvoll, weil Kohlenstoff ein kleines und leichtes Atom besitzt und deshalb deutlich weniger Röntgenstrahlung streut als schwere Elemente. Entsprechend fällt das Signal in der Beugung schwach aus, was die Auswertung an der Grenze des Messbaren platziert.
Das Team berichtet, dass die geschockte Probe zunächst noch ein Beugungsbild liefert, das zur kubischen Diamantstruktur passt. Doch bei einem Druck von 1.210 Gigapascal seien keine Beugungslinien der geschockten Probe mehr erkennbar gewesen. Zusammen mit Veränderungen bei Temperatur und Reflexionsvermögen wertet die Arbeitsgruppe dies als starken Hinweis auf das Schmelzen. Zugleich blieb eine mögliche Zwischenphase namens BC8 aus, die in früheren Arbeiten als Kandidat diskutiert worden war, deren atomare Struktur aber bei einfacher Stoßkompression nicht direkt beobachtet wurde. Die Interpretation knüpft an die zeitliche Auflösung des Prozesses an: Bei einem einzelnen Stoß könnte die Zeit für eine Umordnung des Kristallgitters zu kurz sein, bevor der Diamant tatsächlich in den flüssigen Zustand übergeht. Damit rückt nicht nur der Endzustand, sondern auch der zeitliche Verlauf der Kompression als variable Stellgröße in den Fokus.
Der so eingegrenzte Schmelzpunkt liegt nach den neuen Daten nahe 7.300 Kelvin. In diesem Druckbereich nimmt die Schmelztemperatur laut Studie mit steigendem Druck leicht ab. Entscheidender als die genaue Zahl ist aber der Abgleich mit Simulationen: Die Messung soll deutlich besser mit quantenmechanischen Modellen übereinstimmen und damit die bisherige Abweichung zwischen Experiment und Theorie reduzieren. Nebenbei wird auch der Effekt verbesserter Diagnoseverfahren sichtbar: Laut den Angaben in der Studie lagen frühere Temperaturmessungen um mehr als 1.000 Grad daneben, bevor die neue Kombination aus Pyrometrie und Beugung den Schmelzübergang konsistenter einordnen konnte. Das ist besonders deshalb bedeutsam, weil die Temperatur selbst bei kleineren relativen Fehlern sofort große Konsequenzen für Phasengrenzen und Modellparameter hat.
Die Konsequenzen reichen über die Werkstoffphysik hinaus. Für die Trägheitsfusion spielt der Schmelzpunkt des Diamanten praktisch eine Rolle, weil die Brennstoffkapsel beim ersten Stoß möglichst gleichmäßig flüssig werden soll. Der Anfangsstoß am National Ignition Facility (NIF) wird dafür bislang bewusst stark gewählt, um die weitere Dynamik zu treiben. Die neue Schmelzkurve deutet jedoch darauf hin, dass auch etwas langsamere Anfangsstöße den Diamanten vollständig schmelzen könnten, ohne dessen Aufgabe als Einfassung zu verlieren. Wenn sich die Schmelzung in diesem Sinne kontrollierbarer timing-basiert steuern lässt, könnte das die Kompression des Fusionsbrennstoffs erhöhen und damit den maximalen Energieertrag verbessern.
Gleichzeitig betonen die Forschenden, dass die erwarteten Gewinne zunächst aus Modellrechnungen folgen. Unter der genannten Annahme nennt das LLNL Berechnungen, nach denen ein bis zu dreifacher Fusionsgewinn möglich sein könnte, sofern andere Verlustmechanismen kontrollierbar bleiben. Das ist ausdrücklich noch keine experimentell erzielte Leistungssteigerung, sondern eine konsistente Ableitung aus der aktualisierten Schmelzkurve. Für Planetenforscher liefert die Arbeit außerdem neue Randbedingungen für Modelle von Uranus und Neptun: Wenn im Inneren kohlenstoffbasierte Phasen kristallisieren und als „Diamantregen“ absinken könnten, wird die thermodynamische Schwelle dafür noch genauer bestimmbar. Selbst wenn man dabei keine KI-Methoden direkt im Experiment sieht, profitieren Modellierer in der Regel von präziseren Eingangsparametern, weil sich damit Unsicherheiten in ihren Phasengleichgewichten reduzieren lassen.
Offen bleibt damit weniger die Existenz des Schmelzübergangs als seine zeitliche und druckabhängige Ausgestaltung unter realistisch kurzen Belastungen. Die Tatsache, dass die BC8-Zwischenphase bei Stoßkompression nicht beobachtet wurde, muss nicht zwingend gegen ihre Stabilität bei hohen Drücken sprechen, sondern kann auf die Dynamik des Prozesses verweisen. Genau hier liegt der nächste technische Schritt: Weitere Messungen mit Variation der Stoßdauer und der Kompressionsrate könnten klären, ob es ein Fenster gibt, in dem Zwischenphasen messbar werden, oder ob der Übergang im betrachteten Regime stets direkt in den flüssigen Kohlenstoff führt. Für die Fusions- und Planetenmodellierung bedeutet das schon jetzt: Die neue Schmelztemperatur um etwa 7.300 Kelvin und die bessere Passung zu quantenmechanischen Simulationen liefern eine solidere Basis, um Experimente und Modelle enger zu verzahnen.
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