Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Bayreuther Hochdruckforscher lösen Meteoriten-Rätsel

13.06.2017

Eine Forschergruppe der Universität Bayreuth hat die langgesuchte Erklärung für den scheinbar widersprüchlichen Aufbau von Mond- und Mars-Meteoriten gefunden. In Zusammenarbeit mit dem Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) in Hamburg, der European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Grenoble und mit weiteren Forschungspartnern in Lyon und Wien haben die Bayreuther Wissenschaftler um Prof. Dr. Dr. h.c. Leonid Dubrovinsky zeigen können, weshalb die Meteoriten auf engstem Raum Minerale enthalten können, deren Entstehungsbedingungen sich stark unterscheiden. Die in ‚Nature Communications‘ veröffentlichten Erkenntnisse geben der Meteoritenforschung insgesamt neue Impulse.

Wenn Asteoride oder Kometen auf dem Mond oder dem Mars aufprallen, entstehen hohe Drücke und Temperaturen, die das vom Einschlag getroffene Gestein schockartig verändern. Oftmals werden einzelne Brocken des veränderten Gesteins zur Erde hinabgeschleudert. Viele dieser Meteorite haben der Wissenschaft vor allem aus zwei Gründen Rätsel aufgegeben:


Modell der Kristallstruktur von Cristobalit X-I. Diese Hochdruckphase von Cristobalit setzt sich zusammen aus zwei Schichten (grün und blau), jede von ihnen besteht aus Si₆O.

Bild: Leonid Dubrovinsky

• Zum einen enthalten sie Seifertit, ein Mineral, das sich unter extrem hohen Drücken aus Siliziumdioxid (SiO₂) bildet. Asteorid- oder Kometen-Einschläge, die derart hohe Drücke erzeugen, müssten so heftig sein, dass größere Bereiche des Mond- und Marsgesteins dadurch aufgeschmolzen oder zertrümmert werden. Doch von solchen Katastrophen ist der Forschung nichts bekannt.

• Zum anderen befindet sich oftmals direkt neben dem Seifertit das Mineral Cristobalit, das bei deutlich geringeren Drücken aus Siliziumdioxid entsteht.

Den Wissenschaftlern am Bayerischen Geoinstitut (BGI) der Universität Bayreuth ist es jetzt gelungen, diesen seltsamen Meteoriten-Aufbau zu erklären. An der Röntgenlichtquelle PETRA III des DESY in Hamburg sowie an der Europäischen Synchrotronquelle ESRF in Grenoble haben sie Cristobalit-Proben einer intensiven Bestrahlung und hohen Drücken von bis zu 83 Gigapascal ausgesetzt – dies entspricht ungefähr dem 820.000-fachen Druck der Erdatmosphäre.

Die Beugungsmuster des Röntgenlichts zeigten, wie sich das Mineral bei unterschiedlichen Drücken veränderte. Als entscheidend erwies sich der Unterschied zwischen einem hydrostatischen Druck, der das Mineral aus allen Richtungen mit gleicher Stärke zusammenpresst, und einem nicht-hydrostatischen Druck, der ungleichmäßig auf das Mineral einwirkt und darin starke Spannungen erzeugt. Die Ergebnisse haben die Forscher überrascht:

• Ein hoher nicht-hydrostatischer Druck verwandelt Cristobalit dauerhaft in Seifertit – und zwar auch dann, wenn er schwächer ist als der äußerst hohe Druck, der nötig wäre, um Seifertit direkt aus Siliziumdioxid zu formen.

• Wird Cristobalit dagegen einem hohen Druck ausgesetzt, der von der Gleichmäßigkeit eines hydrostatischen Drucks nur geringfügig abweicht, nimmt das Mineral eine neue Kristallstruktur an. Diese Struktur, Cristobalit X-I, war zuvor noch bei keinem Silikat beobachtet worden. Sobald der ‚quasi-hydrostatische‘ Druck absinkt, fällt Cristobalit in seine ursprüngliche Struktur zurück.

Des Rätsels Lösung

Mit diesen Erkenntnissen lässt sich das Rätsel der Meteorite leicht auflösen: Der darin enthaltene Seifertit muss kein Produkt extremer Einschläge sein, die für Mond und Mars dramatische Folgen gehabt hätten. Er kann sich auch, bei weniger heftigen Einschlägen, unter geringeren – wenngleich immer noch hohen – nicht-hydrostatischen Drücken aus Cristobalit gebildet haben. „Der an Seifertit angrenzende Cristobalit lässt sich gut als ein unter sinkendem Druck entstandenes Rückfallprodukt aus Cristobalit X-I erklären. Cristobalit X-I hat sich nur vorübergehend unter quasi-hydrostatischem Druck gebildet“, erklärt Dr. Ana Černok vom Bayerischen Geoinstitut (BGI) an der Universität Bayreuth, die zurzeit als Marie Curie Fellow an der Open University in Großbritannien arbeitet. „Die Annahme, dass sowohl nicht-hydrostatische als auch quasi-hydrostatische Drücke auf engstem Raum entstehen, wenn Mond, Mars oder andere Planeten schockartig von Einschlägen getroffen werden, stimmt mit den bisherigen Ergebnissen der Meteoritenforschung gut überein“, ergänzt Prof. Dubrovinsky.

Der Bayreuther Wissenschaftler betont, dass die neuen Erkenntnisse grundsätzliche Bedeutung für die Meteoritenforschung haben: „Mineralien wie Cristobalit und Seifertit erlauben, für sich genommen, keine eindeutigen Rückschlüsse auf die Entstehung der Meteoriten. Unsere Messungen zeigen, dass gleiche Kristalle sehr unterschiedliche Entstehungsgeschichten haben können. Zudem ist deutlich geworden, dass es neben der Höhe von Drücken und Temperaturen einen weiteren wichtigen Faktor gibt, der verstärkt in die Analysen von Meteoriten einbezogen werden sollte: die zum Teil äußerst hohen mechanischen Spannungen, die als Folge unterschiedlicher Druckzonen an der Gesteinsbildung beteiligt sind.“

Mineralogische Forschung in internationaler Zusammenarbeit

Cristobalit ist nach dem Vulkan San Cristobal in Mexiko benannt, wo das 1884 erstmals beschriebene Gestein gefunden wurde. Modernste Forschungstechnologien haben es jetzt ermöglicht, die ungewöhnliche Struktur Cristobalit X-I zu entdecken und zu beschreiben. Neben dem Bayerischen Geoinstitut sowie den Elektronen-Synchrotronanlagen in Hamburg und Grenoble waren auch die Universität Wien und das Nationale Forschungszentrum in Lyon (CNRS, ENS) beteiligt. „In Lyon konnten wir mit Simulationen an Hochleistungsrechnern wichtige Informationen über die dynamische Stabilität von Cristobalit X-I unter hohem Druck gewinnen“, sagt Dr. Razvan Caracas in Lyon, früherer Mitarbeiter am Bayerischen Geoinstitut. „Unsere Untersuchungen an der Anlage für Transmissionselektronenmikroskopie in Bayreuth haben gezeigt, dass Cristobalit X-I bei nachlassendem Druck wieder in die ursprüngliche Struktur von Cristobalit zurückfällt – was ebenfalls ein entscheidender Beitrag zur Auflösung des Meteoriten-Rätsels war“, ergänzt Dr. Katharina Marquardt vom BGI.

Namenspatron des Seifertit ist der Bayreuther Mineraloge Prof. Dr. Dr. h.c. Friedrich Seifert, Gründer und langjähriger Direktor des Bayerischen Geoinstituts. Prof. Dr. Ahmed El Goresy am Max-Planck-Institut für Chemie in Mainz hatte das Mineral zuerst in Marsmeteoriten entdeckt. Auf seinen Vorschlag hin entschied sich die Internationale Mineralogische Gesellschaft (IMA) im Jahr 2004 für den Namen „Seifertit“.

Veröffentlichungen:

Ana Černok, Katharina Marquardt, Razvan Caracas, Elena Bykova, Gerlinde Habler, Hanns-Peter Liermann, Michael Hanfland, Mohamed Mezouar, Ema Bobocioiu, and Leonid Dubrovinsky, Compressional pathways of α-cristobalite, structure of cristobalite X-I, and towards the understanding of seifertite formation.
Nature Communications, 2017; DOI: 10.1038/ncomms15647.

Die Erstautorin Dr. Ana Černok wurde 2016 an der Universität Bayreuth mit einer Arbeit über Cristobalit und Coesit promoviert. Während der Arbeit an ihrer Dissertation – online zugänglich unter https://eref.uni-bayreuth.de/29913/ – wurde sie von der University of Bayreuth Graduate School unterstützt.

Kontakt:

Prof. Dr. Leonid Dubrovinsky
Bayerisches Geoinstitut (BGI)
Universität Bayreuth
95447 Bayreuth
E-Mail: Leonid.Dubrovinsky@uni-bayreuth.de
Telefon: +49 (0)92155 -3736 oder -3707

Christian Wißler | Universität Bayreuth
Weitere Informationen:
http://www.uni-bayreuth.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Geowissenschaften:

nachricht Kieler Forschende entschlüsseln neuen Baustein in der Entwicklung des globalen Klimas
20.04.2018 | Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

nachricht Von GeoFlow zu AtmoFlow
20.04.2018 | Brandenburgische Technische Universität Cottbus-Senftenberg

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Geowissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Software mit Grips

Ein computergestütztes Netzwerk zeigt, wie die Ionenkanäle in der Membran von Nervenzellen so verschiedenartige Fähigkeiten wie Kurzzeitgedächtnis und Hirnwellen steuern können

Nervenzellen, die auch dann aktiv sind, wenn der auslösende Reiz verstummt ist, sind die Grundlage für ein Kurzzeitgedächtnis. Durch rhythmisch aktive...

Im Focus: Der komplette Zellatlas und Stammbaum eines unsterblichen Plattwurms

Von einer einzigen Stammzelle zur Vielzahl hochdifferenzierter Körperzellen: Den vollständigen Stammbaum eines ausgewachsenen Organismus haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus Berlin und München in „Science“ publiziert. Entscheidend war der kombinierte Einsatz von RNA- und computerbasierten Technologien.

Wie werden aus einheitlichen Stammzellen komplexe Körperzellen mit sehr unterschiedlichen Funktionen? Die Differenzierung von Stammzellen in verschiedenste...

Im Focus: Spider silk key to new bone-fixing composite

University of Connecticut researchers have created a biodegradable composite made of silk fibers that can be used to repair broken load-bearing bones without the complications sometimes presented by other materials.

Repairing major load-bearing bones such as those in the leg can be a long and uncomfortable process.

Im Focus: Verbesserte Stabilität von Kunststoff-Leuchtdioden

Polymer-Leuchtdioden (PLEDs) sind attraktiv für den Einsatz in großflächigen Displays und Lichtpanelen, aber ihre begrenzte Stabilität verhindert die Kommerzialisierung. Wissenschaftler aus dem Max-Planck-Institut für Polymerforschung (MPIP) in Mainz haben jetzt die Ursachen der Instabilität aufgedeckt.

Bildschirme und Smartphones, die gerollt und hochgeklappt werden können, sind Anwendungen, die in Zukunft durch die Entwicklung von polymerbasierten...

Im Focus: Writing and deleting magnets with lasers

Study published in the journal ACS Applied Materials & Interfaces is the outcome of an international effort that included teams from Dresden and Berlin in Germany, and the US.

Scientists at the Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) together with colleagues from the Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) and the University of Virginia...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Internationale Konferenz zur Digitalisierung

19.04.2018 | Veranstaltungen

124. Internistenkongress in Mannheim: Internisten rücken Altersmedizin in den Fokus

19.04.2018 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - Juni 2018

17.04.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Grösster Elektrolaster der Welt nimmt Arbeit auf

20.04.2018 | Interdisziplinäre Forschung

Bilder magnetischer Strukturen auf der Nano-Skala

20.04.2018 | Physik Astronomie

Kieler Forschende entschlüsseln neuen Baustein in der Entwicklung des globalen Klimas

20.04.2018 | Geowissenschaften

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics