Der Erdkern als verstecktes Wasserstoffreservoir?

Laut einer von ETH-Forschern veröffentlichten Studie steckt viel mehr Wasserstoff im Erdkern, als bisher vermutet. Das Element ist schon sehr früh während der Erdentstehung und in grosser Menge in den Kern gelangt und könnte im Verlauf von Milliarden Jahren langsam zur Oberfläche zurückkehren.

Wie viel Wasserstoff im Erdkern steckt, lässt sich nicht direkt messen. Mit der Frage nach der Menge des Wasserstoffs hat sich ein ETH-Forschungsteam um Motohiko Murakami anhand eines Experimentes befasst und konnte laut eigener Mitteilung zeigen, in welcher Form Wasserstoff im Erdkern wahrscheinlich vorliegt. Diese Erkenntnis half den Forscherinnen und Forschern auch, die Wasserstoffmenge im Kern zu berechnen. Diese sei, so die in Nature Communications erschienene Studie, wesentlich grösser, als bisher vermutet.

Wasserstoffgehalt grösser als erwartet

Im Experiment bildeten die Forscherinnen und Forscher die Bedingungen nach, wie sie bei der Erdentstehung herrschten. Laut eigenen Angaben konnten sie so zeigen, dass Wasserstoff im Erdkern nicht als Gas oder als Wassermolekül vorliegt, sondern als sogenanntes Eisenhydrid direkt im geschmolzenen Metall.

Um den gesamten Wasserstoffgehalt des Kerns zu bestimmen, nutzten die Forschenden zwei Werte: einerseits das Verhältnis von Wasserstoff zu Silizium, das sie im Experiment ermittelten, und andererseits den aus anderen Studien bekannten Siliziumanteil des Erdkerns.

Aus diesen Berechnungen ergab sich laut Studie, dass 0,07 bis 0,36 Prozent der Kernmasse aus Wasserstoff bestehen. Wenn man daraus Wasser bilden würde, entspräche das etwa 9- bis 50-mal der Wassermenge aller heutigen Ozeane. Der Erdkern dürfte also deutlich mehr Wasserstoff enthalten als ältere Modelle annehmen.

Versuchsanlage mit lasererhitzten Diamantstempelzelle

Für ihren Versuch nutzte die Forschungsgruppe eine lasererhitzte Diamantstempelzelle. In diesem Gerät lassen sich ein Druck erzeugen, der mehr als eine Million Mal höher ist als der Atmosphärendruck, und Temperaturen, die heisser sind als die auf der Sonnenoberfläche.

Um den Erdkern zu simulieren, verwendeten die Forschenden eine wasserhaltige Kristallkapsel, in der ein winziges Stück metallisches Eisen eingebettet war. Mit Laser erhitzten sie dann diese Kapsel, bis das Eisen flüssig wurde und sich die Elemente Silizium, Sauerstoff und Wasserstoff aus der Kapsel in das geschmolzene Eisen hinein bewegten. Anschliessend kühlten die Forscher die Kapsel ab und machten die einzelnen Atome mittels Tomografie dreidimensional sichtbar.

Wasserstoff kam früh hinzu

Laut eigenen Angaben verändern die Resultate auch das Bild davon, wie die Erde entstanden ist. Wenn so viel Wasserstoff schon während des Wachstums der Erde in den Kern gelangte, dann muss der Grossteil davon sehr früh vorhanden gewesen sein.

Wasserstoff im Kern beeinflusst vielleicht auch das Magnetfeld

Gemäss der Forschungsgruppe könnte der verborgene Wasserstoff im Kern viele Prozesse im Erdinnern beeinflussen: vom Entstehen des Magnetfeldes bis zum langfristigen Austausch von Wasserstoff zwischen Kern und Mantel. Über Milliarden von Jahren könnte ein Teil dieses tief gespeicherten Wasserstoffs langsam zur Oberfläche zurückkehren und Vulkanismus und die Dynamik des Erdmantels beeinflussen.

Zudem helfen die Ergebnisse, so die Forschungsgruppe, Exoplaneten zu modellieren, da die Verteilung von Wasserstoff und anderen Elementen entscheidend dafür ist, ob ein Planet einen Metallkern besitzt oder kernlos bleibt. Und nicht zuletzt soll die Studie neue Grundlagen für geochemische Modelle des Erdmantels und des globalen Wasserkreislaufs liefern.