Diamant schmilzt bei 7.300 Kelvin – und das verändert alles für die Fusion

2. Unter einem einzigen Schock überspringt Diamant Zwischenphasen und schmilzt direkt

Die Röntgendaten zeigten, dass die Diamantkristallstruktur erhalten bleibt, ohne in die vorhergesagte BC8-Phase (eine Hochdruck-Kohlenstoffstruktur) überzugehen, bevor sie schmilzt. Das Diamantgitter bleibt intakt, bis die Kohlenstoffatome abrupt in eine ungeordnete Flüssigkeit übergehen . Das Team führt dies auf kinetisches Einfrieren zurück: Bei einem einzigen, schnellen Schock bleibt nicht genug Zeit, damit die starken Kohlenstoffbindungen aufbrechen und sich zu BC8 umordnen können, sodass das System direkt aus der festen Diamantstruktur schmilzt .

3. Langsamere Anfangsschocks könnten den Fusionsenergie-Gewinn am NIF verdreifachen

In Experimenten zur Trägheitsfusion (Inertial Confinement Fusion, ICF) am National Ignition Facility dienen Diamantkapseln als Behälter für den Deuterium-Tritium-Brennstoff. Das aus dieser Studie verfeinerte Kohlenstoffmodell zeigt, dass die Verwendung leicht langsamerer Anfangsschockwellen – die den Diamanten dennoch vollständig schmelzen – den Brennstoff kompressibler machen würde, was bei gleichem Laserantrieb höhere Energieausbeuten ermöglicht. Simulationen deuten darauf hin, dass dies den Fusionsenergie-Gewinn um bis zu das Dreifache steigern könnte, sofern andere Degradationsmechanismen kontrolliert werden .

4. Diamant schwimmt in seiner eigenen Schmelze (wie Eis im Wasser)

Bei hohem Druck ist fester Diamant weniger dicht als der metallische flüssige Kohlenstoff, in den er schmilzt – das bedeutet, dass fester Diamant auf flüssigem Kohlenstoff schwimmt, analog zu Eiswürfeln, die im Wasser schwimmen . Dies erzeugt zudem eine negative Clapeyron-Steigung über einen Teil des Schmelzbereichs, bei der steigender Druck die Schmelztemperatur tatsächlich senkt .

Auswirkungen auf die Fusionsenergieforschung

Die Studie verbessert direkt die Konstruktionsmodelle für ICF. Die aktuellen Implosionssimulationen des NIF können nun experimentell validierte Kohlenstoff-Zustandsgleichungen einbeziehen, wodurch eine zentrale Unsicherheitsquelle in der Kapselleistung beseitigt wird . Der prognostizierte Anstieg des Energiegewinns um bis zu das Dreifache ist ein bedeutender potenzieller Schub, um höhere Fusionsausbeuten am NIF zu erreichen – allerdings weisen die Forscher darauf hin, dass dies von der Kontrolle anderer Kapsel-Degradationsmechanismen abhängt . Diamantkapseln stehen bereits im Zentrum der Rekord-Schüsse des NIF: Eine hochwertige Diamantkapsel ermöglichte am 7. April 2025 NIFs Meilenstein von 8,6 MJ Fusionsenergie . Ein besseres Verständnis des Phasenverhaltens von Diamant fließt direkt in die nächste Generation dieser Targets ein.

Auswirkungen auf die Planetenforschung

Die in den Experimenten erreichten Druck- und Temperaturbedingungen sind direkt relevant für die Inneren von Eisriesen wie Uranus und Neptun (Drücke bis zu etwa 1,8 TPa, vergleichbar mit denen tief im Inneren dieser Planeten) . Die Erkenntnis, dass Diamant mit flüssigem metallischem Kohlenstoff koexistieren und darin schwimmen kann, hilft bei der Modellierung des „Diamantregens“ – des lange hypothetischen Ausfällens von Diamant aus flüssigen Kohlenstoffschichten in den Inneren von Eisriesen. Die Beobachtung, dass Diamant unter schneller Kompression metastabil bleibt, gibt auch Aufschluss darüber, wie sich Kohlenstoff während der Planetenentstehung und bei dynamischen Ereignissen verhält .