Physiker machen Wasserstoff zum Metall

Gral der Hochdruckphysik geknackt? Erstmals könnte es Forschern gelungen sein, Wasserstoff in ein atomares Metall umzuwandeln. Mehr als 450 Gigapascal Druck und ultrakalte Temperaturen versetzten das normalerweise molekular vorkommende Element in diesen exotischen Materiezustand. Sollte sich dies bestätigen, wäre gut 80 Jahre nach der theoretischen Vorhersage der experimentelle Nachweis des metallisch-atomaren Wasserstoffs endlich gelungen.

Auch wenn Wasserstoff im Periodensystem an der Spitze der Alkalimetalle steht, ist er unter normalen Bedingungen nicht metallisch. Stattdessen liegt er als zweiatomiges Molekül vor – selbst als Flüssigkeit oder wenn er bei minus 259 Grad gefriert. 1935 jedoch postulierten die beiden Physiker Eugene Wigner und Hilard Huntington, dass dieses Element bei extremem Druck zum atomaren metallischen Feststoff werden kann – beispielsweise im Inneren des Gasriesen Jupiter.

Metastabil, supraleitend und enorm energiereich

In diesem exotischen Metallzustand, so die Prognose, könnte Wasserstoff supraleitend sein und damit Strom nahezu ohne Widerstand leiten. Noch spannender aber: „Der Vorhersage nach könnte metallischer Wasserstoff metastabil sein“, erklärt Isaac Silvera von der Harvard University in Cambridge. „Das bedeutet, dass er auch nach Aufhebung des extremen Drucks weiterhin metallisch bleiben könnte – ähnlich wie ein Diamant seine Struktur behält.“

Bestätigt sich dies, dann könnte man metallischen Wasserstoff als Supraleiter bei Raumtemperatur nutzen – das wäre eine Revolution für Antriebe oder die Leitung von Strom und Daten. Weil bei der Rückführung des Wasserstoffmetalls in den molekularen Zustand enorme Mengen an Energie freiwerden, ließe er sich auch für neuartige Raketenantriebe nutzen.

Silvera zufolge hätte ein solcher Wasserstoffantrieb einen mehr als dreifach höheren spezifischen Impuls als herkömmliche Treibstoffe. „Damit könnten wir Raketen mit nur einer Brennstufe in den Orbit befördern und mehr Nutzlast transportieren“, sagt Silvera. „Auch die Erkundung der äußeren Planeten wäre sehr viel einfacher.“

Vorstufe erreicht: Die Bindung zwischen den Wasserstoffatomen ist durch den Druck geschwächt. © Dalladay-Simpson und Gregoryanz

„Der heilige Gral der Hochdruck-Physik“

Der große Haken: Bis jetzt war es keinem Labor der Welt gelungen, metallischen Wasserstoff herzustellen. „Das ist der heilige Gral der Hochdruck-Physik“, betont Silvera. Trotz zahlreicher Fortschritte blieb sogar unklar, bei welchem Druck der Übergang vom molekularen zum atomaren Zustand stattfindet. Den Theorien nach könnte dies bei 400 bis 500 Gigapascal der Fall sein. Zum Vergleich: Im unteren Erdmantel werden Drücke von rund 25 Gigapascal erreicht.

Anfang 2016 jedoch gab es einen ersten Erfolg: Forscher gelang es erstmals, eine Vorstufe des metallischen Wasserstoffs im Labor zu erzeugen. Ab etwa 320 Gigapascal Druck begannen sich die Bindungen innerhalb der Wasserstoffmoleküle zu lockern und zu lösen, wie Messungen mittels Raman-Spektroskopie ergaben.

Ultrakalter Wasserstoff unter Druck

Der endgültige Durchbruch könnte nun Silvera und seinem Kollegen Ranga Dias gelungen sein. Für ihr Hochdruck-Experiment nutzten sie speziell modifizierte Diamanten als Presse. Weil selbst dieser Edelstein unter Drücken von bis zu 500 Gigapascal spröde und porös wird, überzogen sie die Diamantoberfläche mit einer dünnen Schicht Aluminium und vermieden es, während des Pressvorgangs energiereiche Laserstrahlen einzusetzen.

Im Experiment wurde die Wasserstoffprobe auf minus 258 Grad heruntergekühlt und zwischen den Diamantstempeln immer größerem Druck ausgesetzt. Bei rund 335 Gigapascal war die Probe noch immer transparent, wie die Forscher berichten. Als der Druck jedoch weiter stieg, verfärbte sich der Wasserstoff schwarz – ein Indiz dafür, dass die Vorstufe zum metallischen Zustand erreicht war.

Erst transparent und nichtleitend, dann schwarz und halbleitend und schließlich metallisch glänzend und ein Supraleiter: Phasenübergänge des Wasserstoffs. © R. Dias und I.F. Silvera

Glänzendes Metall

Bei etwa 495 Gigapascal dann gab es eine weitere Veränderung: Die Probe änderte ihre Farbe von schwarz zu einer hohen Reflektivität – wie sie für ein Metall charakteristisch ist. „Das war wirklich aufregend“, sagt Silvera. „Als mich Dias rief und sagte: ‚Die Probe glänzt‘, rannte ich hinunter und sah, dass es tatsächlich metallischer Wasserstoff war.“

Messungen unter anderem mittels Raman-Spektroskopie sprechen dafür, dass der Wasserstoff in der Probe atomar vorlag. Wie die Forscher berichten, ist das Element im metallischen Zustand rund 15-fach dichter als die kristalline molekulare Variante. Auch die Elektronenverteilung entsprach der eines atomaren Metalls. Ob der Wasserstoff in diesem Zustand fest oder flüssig ist, ließ sich allerdings nicht eindeutig feststellen.

„Eine fundamentale Errungenschaft“

Die Forscher räumen ein, dass weitere Messungen noch folgen müssen – auch um den genaue Druck zu ermitteln, bei dem der Übergang stattfand. Doch sollte sich ihr Ergebnis bestätigen, dann könnte es zum ersten Mal gelungen sein, den vor gut 80 Jahren von Wigner und Huntington prognostizierten Übergang zum atomaren metallischen Wasserstoff im Labor nachzuvollziehen.

„Das ist eine fundamentale und transformative Errungenschaft“, sagt Silvera. „Dies ist die allererste Probe metallischen Wasserstoffs auf unserer Erde. Wir sehen damit etwas, das es hier noch nie gegeben hat.“ Dieser Erfolg könnte nun die Voraussetzung schaffen, um den metallischen Wasserstoff und seine Eigenschaften näher zu untersuchen. (Science, 2017; doi: 10.1126/science.aal1579)

(Harvard University, 30.01.2017 – NPO)