Neue Heliumverbindung enthüllt Geheimnisse des Erdkerns

Die Zeitschrift Physical Review Letters der American Physical Society hat gerade Forschungsergebnisse zu einer neuen Verbindung aus Eisen und Helium veröffentlicht.

Bei hohen Temperaturen und hohem Druck bewegen sich Heliumatome (rote Kreise) in die Zwischenräume zwischen Eisenatomen (rote Kreise mit schwarzen Zentren) in einem Stück Eisenmetall auf der Karte der Elektronenlokalisierungsfunktion. (Quelle: National Central University)

Helium gilt als eines der widerspenstigsten Elemente im Universum und ist gleichzeitig das am wenigsten reaktive Element im Periodensystem. Wie andere Edelgase nimmt Helium nur schwer Elektronen auf oder gibt sie ab, sodass es in der Regel keine chemischen Verbindungen bildet. Unter extrem hohem Druck kann Helium jedoch mit einer Reihe anderer Elemente, darunter Stickstoff, Natrium und Eisen, interagieren.

Um die neue Verbindung herzustellen, komprimierten der Physiker Kei Hirose von der Universität Tokio und seine Kollegen Eisen und Helium in einer Diamantambosskammer – einem Hochdruckgerät, das die Elemente bei Temperaturen über 1.000 Grad Celsius einem Druck von über 50.000 atm aussetzt. Durch diesen Kompressionsprozess entstehen Kristalle, die sowohl Eisen als auch Helium enthalten und bei gleichem Druck ein größeres Volumen aufweisen als reine Eisenkristalle.

Wissenschaftler gehen davon aus, dass dieser Anstieg auf die Ansammlung von Heliumionen in Zwischenräumen, winzigen Lücken zwischen den Eisenatomen im Kristall, zurückzuführen ist.

Obwohl Heliumatome relativ reaktionsträge sind und selbst unter extremen Bedingungen keine direkten chemischen Bindungen mit Eisen eingehen können, liefert die Verbindung, die Heliumatome in kristallines Eisen einbettet, einen Hinweis, der zur Erklärung der Heliumbeobachtungen im Erdkern beiträgt. Die meisten Heliumatome der Erde besitzen zwei Neutronen und entstehen beim radioaktiven Zerfall von Elementen wie Uran. Einige ozeanische Vulkanausbrüche setzen jedoch Heliumatome mit nur einem Neutron frei.

Diese Atome entstanden erstmals kurz nach dem Urknall. Die Erde absorbierte dieses „ursprüngliche“ Helium bei ihrer Entstehung. Die Freisetzung von Heliumatomen aus Magma deutet darauf hin, dass die Erde einst über einen ursprünglichen Heliumvorrat verfügte, und die neue Verbindung lässt darauf schließen, dass der eisenreiche Erdkern das Element wahrscheinlich enthält.

Neben ihrer geophysikalischen Bedeutung könnten diese Erkenntnisse auch in der Edelgaschemie Anwendung finden. Laut Maosheng Miao, Wissenschaftler an der University of California (USA), könnte die Bildung von Verbindungen, die Helium und andere Metalle enthalten, chemische Erkenntnisse eröffnen, an die die Menschheit bisher nicht gedacht hat.