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Einer der beiden Diamantstempel vor dem Experiment © Martin Ende
Einer der beiden Diamantstempel vor dem Experiment © Martin Ende

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CO2 wird im Erdinneren nicht zwingend zu Diamant und Sauerstoff

08.08.2018

Unter enormem Druck und bei großer Hitze bleibt Kohlendioxid (CO2) in der Regel stabil und zerfällt nicht zu Diamant und Sauerstoff, wie ursprünglich angenommen. Das fanden Forscher aus Wien und Florenz im Rahmen eines Experiments heraus, über dessen Ergebnisse sie nun im Fachblatt "Nature Communications" berichten. Die neue Erkenntnis werfe auch Fragen zur Entstehung der Edelsteine auf.

Der überwiegende Teil des Treibhausgases CO2 befindet sich in der Atmosphäre. Der Großteil ist in Karbonatgesteinen gebunden, das durch Verschiebungen der tektonischen Platten in große Tiefen gelangen oder durch Vulkanausbrüche wieder freigesetzt werden kann. Was aber genau mit dem CO2 tief unter der Erdoberfläche geschieht, sei noch nicht vollständig geklärt, hieß es in einer Aussendung der Universität Wien.

Druck von 1,2 Millionen bar

Das österreichisch-italienische Forschungsteam ging daher im Rahmen seines Experiments an der Europäischen Synchrotronstrahlquelle ESRF in Grenoble (Frankreich) daran, die Bedingungen in rund 2.500 Kilometern Tiefe im unteren Erdmantel zu simulieren. Die Wissenschafter um den Kristallographen Ronald Miletich von der Uni Wien und vom Europäischen Labor für Nichtlineare Spektroskopie (LENS) in Florenz setzten in einer sogenannten Diamantstempelzelle CO2 dem gewaltigen Druck von 1,2 Millionen bar aus - also dem 1,2 millionenfachen Atmosphärendruck. Zusätzlich erhitzten sie die derart komprimierte Probe mit einem fokussierten Infrarot-Laser auf eine Temperatur von etwa 2.700 Kelvin (rund 2.400 Grad Celsius), was der Temperatur so tief im Erdinneren entspricht.

Zur Überraschung der Wissenschafter zerfiel das CO2 unter diesen extremen Bedingungen jedoch nicht zwingend in die erwarteten Komponenten Diamant und Sauerstoff. Das verdichtete Kohlendioxid wurde zu einem glasartigen Festkörper. "Unser Forschungsteam vor Ort konnte es anfangs nicht recht glauben, dass in den gemessenen Röntgen-Beugungsbildern die Peaks von kristallinem CO2-V auftauchten, also von jener Hochdruckmodifikation von festem CO2, die unter derartigen Bedingungen längst zu Diamant und Sauerstoff umgewandelt hätte sein müssen", sagte Miletich. Die beobachtete Struktur entsprach jener des Silikatminerals Cristobalit.

Bisherige Modelle hinterfragen

"Nun haben wir erstmals einen experimentellen Nachweis, dass freies CO2 tatsächlich in der Natur in diesen Tiefen existieren könnte", so der Forscher. Außerdem wurde im Zuge der Analysen klar, dass die eigentlich erwartete Zersetzung des CO2 eine Folge der Untersuchungsbedingungen war, weil sehr heißes Kohlendioxid "mit einer der Komponenten der Diamantstempelzelle reagieren kann". Aufgrund der neuen Ergebnisse müssten gängige Modelle über die Bildung von Diamanten durch die einfache Zersetzung von CO2 überdacht werden. Auch geochemische Modelle der Abläufe im Erdmantels sollten laut den Forschern hinterfragt werden.

Service: https://dx.doi.org/10.1038/s41467-018-05593-8

Mikroskopaufnahme durch einen der beiden Stempeldiamanten auf das auf 27 GPa komprimierte feste CO2 (dunkler Fleck Bildmitte)

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