Erforschung des Erdinneren unter Hochdruck

Wenn die Erde bebt oder Vulkane ausbrechen, sind dafür Vorgänge im Inneren der Erde verantwortlich. Was jedoch in großen Tiefen von über sechshundert Kilometern passiert, wo Gestein unter hohen Temperaturen stark zusammengepresst wird, ist nur schwer zu erkunden. Im Rahmen der Verbundforschung experimentieren Wissenschaftler am Forschungszentrum DESY mit einer neuen Hochdruckpresse, mit der sie diese extremen Bedingungen nachbilden.

Die Large Volume Press ist 4,5 Meter hoch und besteht aus sechs einzelnen Stempeln, die auf drei Achsen verteilt sind. Zusammen können sie einen Druck erzeugen, der dem 300 000-fachen Druck der Erdatmosphäre entspricht. Zusätzlich lässt sich die Probe im Inneren der Presse über ein Heizsystem auf mehr als 2000 Grad Celsius erwärmen. „Das ist zwar kein Rekord, doch im Vergleich zu anderen Pressen liegt der Wert sehr hoch“, erläutert Tomoo Katsura, Direktor am Bayerischen Geoinstitut der Universität Bayreuth. Er hat gemeinsam mit seinen Kollegen die Hochdruckpresse an der Synchrotronstrahlungsquelle PETRA III des Forschungszentrums DESY in Hamburg aufgebaut, um damit Druck- und Temperaturverhältnisse zu simulieren, wie sie mehrere Hundert Kilometer tief unter der Erdoberfläche herrschen.

Stempel LVP

Der Fokus von Katsuras Forschung liegt auf den Vorgängen im oberen Teil des unteren Erdmantels, der in etwa 660 Kilometer Tiefe beginnt. Wie der Mantel aufgebaut ist und wo die Grenzen zwischen den einzelnen Zonen liegen, darauf schließen Wissenschaftler indirekt durch seismische Wellen, wie sie bei Erdbeben entstehen. Die Wellen können durch den Erdball hindurchwandern, allerdings sind sie dabei nicht gleichmäßig schnell, sondern ändern ihre Ausbreitungsgeschwindigkeit beispielsweise an der Grenze vom oberen zum unteren Mantel. Grund dafür sind Unterschiede in der Dichte des Gesteins. Damit sie solche Phänomene genauer untersuchen können, brauchen Wissenschaftler Informationen darüber, was mit den Mineralen im Gestein passiert. Denn unter hohem Druck verändern diese ihre Kristallstruktur und damit ihre Eigenschaften.

Da es nicht möglich ist, die Gesteinsschichten des unteren Mantels zu erreichen, bilden Forscher die Bedingungen im Erdinneren mit Hochdruckpressen nach. „Die Kompression muss dabei sehr kontrolliert und synchronisiert erfolgen“, betont Katsura. Die sechs Stempelarme der Large Volume Press haben nicht nur den Vorteil, dass die Wissenschaftler den ausgeübten Druck sehr genau regeln können. Die sechs Arme können auch mit unterschiedlicher Geschwindigkeit auf die Probe einwirken. Dadurch wird sie von einer Seite schneller und stärker verformt als von einer anderen, was beispielsweise mehr über ihre Elastizität verrät.

Experimentierhalle an PETRA III

Katsura und seine Kollegen haben die Maschine mittlerweile aufgebaut und getestet, „doch bisher können wir nicht in die zusammengepresste Probe hineinsehen“. Deswegen wollen sie künftig die Synchrotronstrahlungsquelle PETRA III für ihre Experimente einsetzen. Das Röntgenlicht von PETRA III lässt sich exakt fokussieren und durchdringt selbst stark verdichtetes Material. Die Strahlung wird dabei einerseits von Teilen der Probe absorbiert, wie es auch bei der Erstellung eines gewöhnlichen Röntgenbilds der Fall ist. Andererseits nutzen die Forscher die Beugung des Röntgenlichts an den Kristallstrukturen der mineralischen Stoffe. Katsura hofft, im Frühjahr 2017 mit diesem Teil der Experimente starten zu können.

Eine weitere Besonderheit der Presse besteht darin, dass darin bis zu einem Kubikzentimeter große Materialproben untersucht werden können. Dadurch eignet sie sich für weitere Anwendungen, wie beispielsweise zur Herstellung extrem harter Werkstoffe. Dazu gehören künstliche Diamanten, Materialien für Supraleiter oder kubisches Bornitrid – ein Material, das unter anderem zum Schleifen von Stahl benutzt wird.