Verstecktes Reservoir: Der metallische Kern unseres Planeten könnte weit mehr Wasserstoff enthalten als bislang gedacht – bis zu 70-mal so viel wie in allen Weltmeeren zusammen. Indizien dafür liefern Hochdruck-Experimente, in denen Forscher die Schichtenbildung der jungen Erde nachvollzogen haben. Dabei zeigte sich: Anders als an der Erdoberfläche bindet Wasserstoff bei Hitze und mehr als 30 Gigapascal Druck bevorzugt an Eisen – und könnte mit ihm in den Erdkern gezogen worden sein.
Als unser Planet entstand, war er zunächst ein weitgehend undifferenziertes Gebilde. Doch nachdem ständige Einschläge und eine wachsende Masse die Erde aufheizten, begannen sich ihre inneren Schichten auszudifferenzieren: Schwerere Elemente, darunter vor allem Eisen und Nickel, sanken in den Erdkern hinab, während Silikate und andere gesteinsbildenden Minerale den Erdmantel und die Kruste bildeten – so die Theorie.
Doch gerade der Erdkern gibt noch immer Rätsel auf. So deuten seismische Messungen daraufhin, dass vor allem der äußere, flüssige Erdkern noch andere Elemente außer Eisen und Nickel enthalten muss. Seine Dichte ist für eine reine Metalllegierung nicht hoch genug. Welche leichteren Elemente aber bei der Differenzierung mit in den Kern sanken, ist ebenso spekulativ wie umstritten.
Ist Wasserstoff die gesuchte Beimischung?
Jetzt könnte das Experiment eines Teams um Shoh Tagawa von der Universität Tokio darüber mehr Aufschluss geben. Sie haben untersucht, ob vielleicht Wasserstoff das gesuchte Leichtgewicht im Erdkern sein könnte. „Wasserstoff ist eine der prinzipiell plausiblen Beimischungen des eisenreichen Erdkerns“, so die Forscher. Unter normalem und moderat hohem Druck neigt dieses Element aber dazu, sich eher mit Silikaten als mit Eisen zu verbinden.
„Unter den Temperaturen und dem Druck, die wir von der Erdoberfläche kennen, bindet Wasserstoff nicht an Eisen“, sagt Tagawa. „Aber wir haben uns gefragt, ob dies unter extremeren Bedingungen vielleicht anders sein könnte.“ Dafür setzten sie Eisen und wasserreiches Silikat in einer Diamant-Stempelzelle einem Druck von 30 bis 60 Gigapascal aus und erhitzen die Mischung auf 2.800 bis 4.300 Grad. „Das entspricht in etwa den Bedingungen bei der Kernbildung der Erde“, so Tagawa.
Unter Druck wird Wasserstoff metallliebend
Das überraschende Ergebnis: Unter diesen Extrembedingungen löste sich der aus dem Wasser freigesetzte Wasserstoff vornehmlich im geschmolzenen Eisen, statt in den Silikaten zu bleiben. Mit einem Gewichtsanteil von 5.300 bis 26.000 parts per million (ppm) war die Beimischung des leichten Elementes weit höher als erwartet. In den Silikatschmelzen wiesen die Forscher dagegen nur 90 bis 470 ppm Wasserstoff in Form von Wasser nach.
„Diese Ergebnisse demonstrieren die stark siderophile (metallliebende) Natur des Wasserstoffs unter den Bedingungen, unter denen sich die Metalle bei der Erdkernbildung von den Silikaten trennten“, sagen die Wissenschaftler. „Das deutet darauf hin, dass Wasserstoff ein wichtiges leichtes Element im Erdkern sein könnte.“
Bis zu 0,6 Gewichtsprozent Wasserstoff im Kern
Ausgehend von diesen experimentellen Daten rekonstruierten die Forschenden anschließend mithilfe eines Modells, wie viel Wasserstoff in der Frühphase unseres Planeten insgesamt in sein Inneres gelangt sein könnte. Dafür ermittelten sie zunächst, wie viel Wasser die heranwachsende junge Erde durch die Einschläge von Planetenbausteinen angesammelt haben könnte. „Trotz der vielen mit einer solchen Schätzung verknüpften Unsicherheiten gehen wir von einem Wassergehalt der Proto-Erde von rund 487 ppm aus“, so das Team. Auf Basis ihres Experiments rechneten sie dann die im Kern gelandete Wasserstoffmenge aus.
Das Ergebnis: Je nachdem, welches Schichtbildungsszenario man zugrunde legt, müsste der Erdkern zwischen 0,3 und 0,6 Gewichtsprozent Wasserstoff enthalten. Das klingt zwar wenig, würde aber gut zu den seismologischen Beobachtungen passen. Denn ein solcher Wasserstoffanteil könnte 30 bis 60 Prozent des gemessenen Dichtedefizits im äußeren Erdkern erklären, wie die Forscher schreiben. Gestützt werden ihre Schlussfolgerungen zudem von einer früheren Studie, in der Forscher auf Basis von Isotopenvergleichen ebenfalls ein Absinken von Wasserstoff in den Erdkern postulierten.
Genug Wasserstoff für 70 Weltmeere
Gleichzeitig bedeutet dies aber auch: Im Erdkern ist rund 70-mal so viel Wasserstoff gespeichert wie im Wasser aller Weltmeere zusammen. „Wenn dieser Wasserstoff damals als Wasser an der Oberfläche geblieben wäre, hätte die Erde niemals Landflächen besessen und das Leben, wie wir es kenne, wäre nie entstanden“, sagt Tagawas Kollege Kei Hirose. Unser Planet wäre dann womöglich zu einem reinen Wasserplaneten geworden.
Nach Ansicht der Forscher könnte ihre Ergebnisse auch Bedeutung für andere Planeten und Monde im Weltall haben. Denn wenn sich diese Himmelskörper unter ähnlichen Bedingungen wie die Erde bildeten und wenn sie groß genug für eine Kernbildung waren, dann könnten auch sie in ihrem Metallkern mehr als 0,15 Gewichtsprozent Wasserstoff enthalten. (Nature Communications, 2021; doi: 10.1038/s41467-021-22035-0)
Quelle: University of Tokyo
