Wasserstoff unter extremem Druck

Wasserstoff ist das leichteste aller Elemente und unter normalem Luftdruck gasförmig. Doch wird das Gas extrem stark zusammengepresst, verflüssigt es sich und kann sich sogar zu einem festen Metall wandeln. Diesem Phasenwechsel sind nun Physiker einen Schritt näher gekommen. Wie sie in der Fachzeitschrift „Nature“ berichten, konnten sie in einer Diamantpresszelle fast das Viermillionenfache des Atmosphärendrucks aufbauen. Spektralanalysen zeigten deutliche Hinweise, dass dabei die festen Bindungen in den Wasserstoffmolekülen aufbrachen und wahrscheinlich der Übergang zum metallischen Wasserstoff einsetzte.

Wasserstoff in Diamantpresszelle

„Mit dieser Arbeit schlagen wir ein neues Kapitel in der Wasserstoffforschung auf“, sagt Philip Dalladay-Simpson vom Centre for Science at Extreme Conditions an der University of Edinburgh in Großbritannien. Bei Raumtemperatur setzte der Physiker zusammen mit Kollegen eine kleine Probe Wasserstoff mit bis zu 388 Gigapascal einem bisher nicht erreichten Druck aus. Möglich war dies mit einer Diamantpresszelle, wie sie sonst Geowissenschaftler für die Simulation extremer Drücke, die im Erdinneren herrschen, nutzen.

Ab 325 Gigapascal – einem Druck von 3,25 Millionen Atmosphären entsprechend – verdunkelte sich der Wasserstoff. Diesen Effekt erklärten die Forscher mit der Erzeugung von leitenden Elektronen, die bei der einsetzenden Spaltung der Wasserstoffmoleküle entstanden. Belastbarere Hinweise jedoch lieferten sogenannte Raman-Spektren, die nach einer Laseranregung der Probe Änderungen im Schwingungsverhalten der Moleküle zeigten. Diese Änderungen wiesen auf das Entstehen atomaren Wasserstoffs hin. Diesen neuen Zustand von Wasserstoff nannten die Forscher Phase V, den Vorläufer der metallischen Phase.

Vollständig zum Metall wandelte sich der Wasserstoff auch in diesem Experiment noch nicht. Dazu seien nach Schätzungen der Forscher noch höhere Drücke jenseits von 400 Gigapascal nötig. Allerdings sollte das Experiment den Weg ebnen, um dieses Ziel in absehbarer Zeit zu erreichen. Außerdem lassen sich mit den Ergebnissen solcher Experimente die Phasendiagramme von Wasserstoff unter hohen Drücken vervollständigen. Auch für die Suche nach Supraleitern, die elektrischen Strom ohne Widerstand und möglichst bei Raumtemperatur leiten sollen, könnte diese Art der Wasserstoffforschung wichtige Hinweise liefern.