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 Der Salzwasser-Wächter auf der Darßer Schwelle
19.09.2017 | Leibniz-Institut für Ostseeforschung Warnemünde

nachricht Zeppelin, Drohnen und Forschungsschiffe untersuchen Wattenmeer und Elbe
19.09.2017 | Helmholtz-Zentrum Geesthacht - Zentrum für Material- und Küstenforschung

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Geowissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Tiny lasers from a gallery of whispers

New technique promises tunable laser devices

Whispering gallery mode (WGM) resonators are used to make tiny micro-lasers, sensors, switches, routers and other devices. These tiny structures rely on a...

Im Focus: Wundermaterial Graphen: Gewölbt wie das Polster eines Chesterfield-Sofas

Graphen besitzt extreme Eigenschaften und ist vielseitig verwendbar. Mit einem Trick lassen sich sogar die Spins im Graphen kontrollieren. Dies gelang einem HZB-Team schon vor einiger Zeit: Die Physiker haben dafür eine Lage Graphen auf einem Nickelsubstrat aufgebracht und Goldatome dazwischen eingeschleust. Im Fachblatt 2D Materials zeigen sie nun, warum dies sich derartig stark auf die Spins auswirkt. Graphen kommt so auch als Material für künftige Informationstechnologien infrage, die auf der Verarbeitung von Spins als Informationseinheiten basieren.

Graphen ist wohl die exotischste Form von Kohlenstoff: Alle Atome sind untereinander nur in der Ebene verbunden und bilden ein Netz mit sechseckigen Maschen,...

Im Focus: Hochautomatisiertes Fahren bei Schnee und Regen: Robuste Warnehmung dank intelligentem Sensormix

Schlechte Sichtverhältnisse bei Regen oder Schnellfall sind für Menschen und hochautomatisierte Fahrzeuge eine große Herausforderung. Im europäischen Projekt RobustSENSE haben die Forscher von Fraunhofer FOKUS mit 14 Partnern, darunter die Daimler AG und die Robert Bosch GmbH, in den vergangenen zwei Jahren eine Softwareplattform entwickelt, auf der verschiedene Sensordaten von Kamera, Laser, Radar und weitere Informationen wie Wetterdaten kombiniert werden. Ziel ist, eine robuste und zuverlässige Wahrnehmung der Straßensituation unabhängig von der Komplexität und der Sichtverhältnisse zu gewährleisten. Nach der virtuellen Erprobung des Systems erfolgt nun der Praxistest, unter anderem auf dem Berliner Testfeld für hochautomatisiertes Fahren.

Starker Schneefall, ein Ball rollt auf die Fahrbahn: Selbst ein Mensch kann mitunter nicht schnell genug erkennen, ob dies ein gefährlicher Gegenstand oder...

Im Focus: Ultrakurze Momentaufnahmen der Dynamik von Elektronen in Festkörpern

Mit Hilfe ultrakurzer Laser- und Röntgenblitze haben Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Quantenoptik (Garching bei München) Schnappschüsse der bislang kürzesten Bewegung von Elektronen in Festkörpern gemacht. Die Bewegung hielt 750 Attosekunden lang an, bevor sie abklang. Damit stellten die Wissenschaftler einen neuen Rekord auf, ultrakurze Prozesse innerhalb von Festkörpern aufzuzeichnen.

Wenn Röntgenstrahlen auf Festkörpermaterialien oder große Moleküle treffen, wird ein Elektron von seinem angestammten Platz in der Nähe des Atomkerns...

Im Focus: Ultrafast snapshots of relaxing electrons in solids

Using ultrafast flashes of laser and x-ray radiation, scientists at the Max Planck Institute of Quantum Optics (Garching, Germany) took snapshots of the briefest electron motion inside a solid material to date. The electron motion lasted only 750 billionths of the billionth of a second before it fainted, setting a new record of human capability to capture ultrafast processes inside solids!

When x-rays shine onto solid materials or large molecules, an electron is pushed away from its original place near the nucleus of the atom, leaving a hole...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Höher - schneller - weiter: Der Faktor Mensch in der Luftfahrt

20.09.2017 | Veranstaltungen

Wälder unter Druck: Internationale Tagung zur Rolle von Wäldern in der Landschaft an der Uni Halle

20.09.2017 | Veranstaltungen

7000 Teilnehmer erwartet: 69. Urologen-Kongress startet heute in Dresden

20.09.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Drohnen sehen auch im Dunkeln

20.09.2017 | Informationstechnologie

Pfeilgiftfrösche machen auf „Kommando“ Brutpflege für fremde Kaulquappen

20.09.2017 | Biowissenschaften Chemie

Frühwarnsystem für gefährliche Gase: TUHH-Forscher erreichen Meilenstein

20.09.2017 | Energie und Elektrotechnik