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Helmholtz-Forscher machen Diamanten aus Plaste-Flaschen

Prof. Dominik Kraus erkundet neue Zustände der Materie. Foto: A. Wirsig für das HZDR

Prof. Dominik Kraus erkundet neue Zustände der Materie. Foto: A. Wirsig für das HZDR

Superlaser könnte bei Produktion von Quantensensoren helfen

Dresden, 4. September 2022. Als sie die Diamanten-Regen auf Riesenplaneten wie Neptun und Uranus simulieren wollten, haben Helmholtz-Forscher eine Methode für die Diamantenproduktion aus PET-Flaschen gefunden. Das hat das federführende Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) mitgeteilt.

Verfahren könnte sich als Alternative zum Sprengen etablieren

Für Heim-Alchimisten eignet sich das Verfahren zwar nicht, denn man braucht dafür teure Laser. Aber für die Produktion von Quantensensoren und anderen Erzeugnissen aus Nanodiamanten könnte sich das Verfahren durchaus lohnen: Bisher stellt die Industrie solche Nanodiamanten durch Sprengstoffexplosionen her, die eine Vielzahl unterschiedlicher Größen liefern. Mit der sächsischen Lasermethode lassen sich die gewonnenen Kleinstdiamanten aber viel genauer maßschneidern, sind die Wissenschaftler überzeugt.

Beschießt man PET-Flaschen mit Superlasern, lassen sich die extreme Hitze und Druck im Innern von Riesenplaneten für Nanosekunden nachstellen. Dabei entstehen winzig kleine Diamanten. Grafik: Blaurock für das HZDR

Beschießt man PET-Flaschen mit Superlasern, lassen sich die extreme Hitze und Druck im Innern von Riesenplaneten für Nanosekunden nachstellen. Dabei entstehen winzig kleine Diamanten. Grafik: Blaurock für das HZDR

Extreme Materieverhältnisse im Innern von Riesenplaneten

Um die extremen Temperaturen und Drücke im Innern von Gasriesenplaneten in unserem und anderen Sonnensystemen nachzustellen, hatten sich Forscher des HZDR, der Uni Rostock und École Polytechnique aus Paris zusammengetan und sich Superlaser und Röntgenlaser am „SLAC National Accelerator Laboratory“ in Kalifornien geborgt. Dort beschossen sie Flaschen aus Polyethylenterephthalat (PET) – einem Plaste-Kunststoff, dessen Moleküle aus Kohlen-, Wasser- und Sauerstoff bestehen. „Bei PET liegen Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff in einem guten Verhältnis vor, um die Geschehnisse in Eisplaneten zu simulieren“, erklärt Physikprofessor Dominik Kraus, der an der Uni Rostock und am HZDR tätig ist.

Edelsteine regnet es vermutlich in den meisten Planeten im Universum

Diesen speziellen Mix aus Elementen beschossen die Wissenschaftlern mit Lasern und analysierten dann mit Röntgenlaser-Blitzen, was dabei im Kunststoff passiert. Dabei erzeugten sie für Sekundenbruchteile Temperaturen um die 6000 Grad Celsius und eine Schockwelle, die die Materie für einige Nanosekunden auf das Millionenfache des Atmosphärendrucks komprimierte. Damit stellten sie das Innere von Neptun, Uranus und Co. zumindest annähernd nach. Und tatsächlich regnete es dabei winzig kleine Diamanten. „Die Resultate dürften nicht nur für Uranus und Neptun relevant sein, sondern auch für unzählige weitere Planeten in unserer Galaxis“, betonen die HZDR-Forscher. „Denn hielt man früher solche Eisriesen für rare Exoten, scheint mittlerweile klar, dass es sich um die häufigste Planetenform außerhalb des Sonnensystems handeln dürfte.“

Forscher jagen auch superionischem Stromleit-Wasser nach

Außerdem vermuten die Physiker, dass sie bei ihren Experimenten auch „superionisches Wasser“ erzeugt haben: „Dabei formen die Sauerstoffatome ein Kristallgitter, in dem sich Wasserstoffkerne frei bewegen“, erklärt Kraus. Weil die Wasserstoffkerne elektrisch geladen sind, kann dieses besondere Wasser auch in purer Form Strom leiten und so womöglich zu eigenen schützenden Magnetfeldern von Riesenplaneten beitragen. Allerdings gelang es den Forschern im ersten Anlauf nicht, neben ihren Nanodiamanten auch zweifelsfrei superionisches Wasser nachzuweisen. Dies wollen sie nun in Folgeexperimenten am europäischen Röntgenlaser XFEL in Hamburg nachholen.

Autor: hw

Quelle: HZDR

Wissenschaftliche Publikation:

Z. He, M. Rödel, J. Lütgert, A. Bergermann, M. Bethkenhagen, D. Chekrygina, T.E. Cowan, A. Descamps, M. French, E. Galtier, A.E. Gleason, G.D. Glenn, S.H. Glenzer, Y. Inubushi, N.J. Hartley, J.-A. Hernandez, B. Heuser, O.S. Humphries, N. Kamimura, K. Katagiri, D. Khaghani, H.J. Lee, E.E. McBride, K. Miyanishi, B. Nagler, B. Ofori-Okai, N. Ozaki, S. Pandolfi, C. Qu, D. Ranjan, R. Redmer, C. Schoenwaelder, A.K. Schuster, M.G. Stevenson, K. Sueda, T. Togashi, T. Vinci, K. Voigt, J. Vorberger, M. Yabashi, T. Yabuuchi, L.M.V. Zinta, A. Ravasio, D. Kraus: „Diamond formation kinetics in shock-compressed C-H-O samples recorded by small-angle X-ray scattering and X-ray diffraction“, in: Science Advances, 2022 (DOI: 10.1126/sciadv.abo0617)