Neue Messung des Diamant-Schmelzpunkts könnte Fusionsenergie verdreifachen und Geheimnisse von Uranus und Neptun lüften

20 Jahre lang standen Physiker vor einem Rätsel: Die Theorie sagte einen bestimmten Schmelzpunkt für Diamant unter extremem Druck voraus, doch Experimente lieferten immer wieder einen anderen Wert – eine Abweichung von mehr als 1.000 °C, die sowohl die Fusionsforschung als auch die Planetenwissenschaft behinderte. Ein Team des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) hat diese Lücke nun geschlossen – mit Folgen, die von der National Ignition Facility bis ins Innere von Uranus und Neptun reichen .

Was die neue Studie gezeigt hat

In der im Fachjournal Nature Physics veröffentlichten Studie nutzten die LLNL-Forscher lasergesteuerte Schockkompression an der Omega Laser Facility, um winzige Diamantproben auf Drücke zu erhitzen, die höher sind als im Zentrum von Uranus und Neptun . Das Team nutzte Röntgenbeugung, um die atomare Struktur während des Schmelzens direkt zu messen – etwas, das früheren Experimenten an Auflösung fehlte .

LLNL-Wissenschaftler Marius Millot erklärte: „Wir waren in der Lage, winzige Diamantproben zu nehmen, sie durch Schockkompression auf Temperaturen heißer als die Sonnenoberfläche und auf Drücke höher als im Zentrum von Neptun und Uranus zu bringen – und dabei noch die atomare Struktur, Temperatur, Dichte und optische Reflektivität zu messen“ .

Das zentrale Ergebnis: Die neue Messung der Schmelztemperatur von Diamant stimmte nahezu perfekt mit quantenbasierten Simulationen überein – und schloss damit eine etwa 20-prozentige Abweichung, die das Feld zwei Jahrzehnte lang beschäftigt hatte . Die Experimente zeigten zudem, dass Kohlenstoff bis zum Schmelzen in der Diamantstruktur blieb, ohne eine zwischenzeitliche kristalline Phase zu durchlaufen, wie frühere Experimente vermutet hatten .

Warum Präzision für die Trägheitsfusion entscheidend ist

An der National Ignition Facility (NIF) dient Diamant als sogenannte Ablator-Hülle der Brennstoffkapsel bei Fusionsexperimenten . Das Schmelzverhalten und die Zustandsgleichung, die beschreiben, wie die Kapsel auf extreme Hitze und Drücke reagiert, sind entscheidend für eine effiziente Kompression.

Mit den korrigierten Schmelzdaten glauben die Forscher, die Energieausbeute der Fusionsexperimente am NIF durch eine effizientere Kompression und ein besseres Kapseldesign „verdreifachen“ zu können . Das wäre ein bedeutender Schritt hin zur Nutzung der Trägheitsfusion als praktikabler Energiequelle.

Was die Ergebnisse für Uranus und Neptun bedeuten

Die Experimente erreichten Drücke und Temperaturen, die jene im Inneren von Eisriesenplaneten übertreffen, und lieferten den ersten direkten Nachweis, dass kristalliner Diamant tief im Inneren von Uranus und Neptun stabil bleiben kann . Die Daten zeigen, dass Diamant unter diesen Bedingungen zu einer dichteren, metallischen Flüssigkeit schmilzt – was direkte Rückschlüsse auf Modelle zum Planetenaufbau, zur thermischen Entwicklung und sogar zur Entstehung von Diamant-Regen in diesen Welten zulässt .

Die Studie baut auf früheren Schockkompressionsstudien auf, die bereits nahelegten, dass Diamant tief im Inneren von Riesenplaneten stabil sein könnte. Sie zeigt, dass die Schmelzkurve bei ultrahohen Drücken einen negativen Clapeyron-Slope aufweist – Diamant wird beim Schmelzen dichter, das Gegenteil von dem, was mit Eis an der Erdoberfläche passiert .

Eine seltene Übereinstimmung von Theorie und Experiment

Diskrepanzen zwischen experimentellen und theoretischen Ergebnissen sind in der Hochdruckphysik üblich, werden aber selten so sauber aufgelöst wie hier. Die Kombination aus verbesserter Diagnostik und Röntgenbeugung erlaubte dem LLNL-Team Messungen, die früheren Experimenten verwehrt blieben – und das Ergebnis stimmte innerhalb der Fehlertoleranz mit der Theorie überein .

Die Erkenntnisse könnten auch für das allgemeine Phasenverhalten von Kohlenstoff von Bedeutung sein: Diamant ist bis zu Drücken von einem Terapascal die stabile Kohlenstoff-Modifikation . Jenseits dieser Schwelle sagen Berechnungen die Bildung einer kubisch-raumzentrierten Struktur (BC8) voraus und bei Drücken über 3 TPa eine einfach kubische Struktur . Dieses neue Verständnis der Schmelzkurve von Diamant wird das Kohlenstoff-Phasendiagramm unter den extremen Bedingungen verfeinern, unter denen diese anderen Phasen auftreten könnten.