Methaneis im Teilchenbeschleuniger

Methaneiskristalle werden über zehnmal größer als bisher angenommen. Diese Erkenntnis verdanken wir Untersuchungen von Stephan Klapp, Doktorand der Exzellenz-Graduiertenschule GLOMAR – Global Change in the Marine Realm an der Universität Bremen. Seine Messungen führte er am Teilchenbeschleuniger HASYLAB in Hamburg zusammen mit Göttinger Kollegen durch.

Am 11.1.2008 erhält er für die Veröffentlichung zu diesen Arbeiten in der angesehen Fachzeitschrift Geophysical Research Letters den mit 1.000 Euro dotierten GLOMAR Preis 2007. Er wird vergeben für die beste wissenschaftliche Veröffentlichung von GLOMAR-Doktoranden. Das Projekt wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert.

Natürliche Methaneis-Kristalle erreichen Durchmesser von ca. 0,6 Millimeter, während im Labor erzeugte Methaneisproben nur etwa 0,04 Millimeter groß sind. „Wir waren von den Ergebnissen völlig überrascht – anhand von im Labor erzeugten Kristallen dachten wir, das natürliche Kristalle viel kleiner sind“, so Stephan Klapp. „Anscheinend verändern sich die Kristalle nach ihrer ersten Bildung noch und wachsen. Vielleicht ist es sogar möglich, dass die Größe etwas über das Alter von Methaneis verrät“, mutmaßt der Geologe.

Methaneis ist ein wichtiger Teil im globalen Kohlenstoffkreislauf. Die schieren Mengen, die im Meeresboden lagern, enthalten mehr Energie als alle Öl-, Kohle- und Gasvorräte der Welt zusammen. Gleichzeitig ist das in ihm enthaltene Methan 30-Mal klimaschädlicher als Kohlendioxid, wenn es in die Atmosphäre gelangt. Von daher ist es wichtig, dass wir so viel wie möglich über diesen Stoff erfahren. Dazu gehört auch die Kenntnis seiner Kristallstruktur. Denn dieses Wissen hilft, zu verstehen, wie sich Methaneis bildet, wie es wächst und welche Prozesse in seiner Umgebung ablaufen.

Um die nur bei hohem Druck und niedrigen Temperaturen stabilen Kristalle zu messen, nutzte Stephan Klapp Synchrotronstrahlen, erzeugt durch den Teilchenbeschleuniger DORIS III des Hamburger Synchrotronstrahlungslabors HASYLAB. Damit das Methaneis nicht zu Wasser und Gas zerfällt, wurden die Proben auf unter minus 200 Grad Celsius abgekühlt. Das hieß aber auch, dass die Messstrahlen mehrere Zentimeter Metall – Isolierung und Probenbehälter – durchdringen mussten, um zur Probe zu gelangen und dann noch einmal denselben Weg bis zur Aufzeichnung auf der anderen Seite der Probe.

„Dazu brauchten wir extrem hochenergetische Röntgenstrahlung. Genau wie bei sichtbaren Licht hat auch Röntgenstrahlung ein breites Spektrum an Wellenlängen. Die Strahlung, die ein Arzt verwendet, ist im Vergleich zu der von uns benutzten energiearm und langwellig.“, erklärt Stephan Klapp. „Diese Strahlung entsteht, wenn Elektronen auf knapp unter Lichtgeschwindigkeit beschleunigen und dann um die Kurve des Beschleunigerringes fliegen. – Die Strahlung fliegt weiter geradeaus. Und genau an diesen Stellen positionieren wir unsere Probenbehälter“, erläutert der frischgebackene Preisträger weiter. Die Strahlung durchdringt mühelos die Wand des Beschleunigers, den Probenbehälter samt Probe und wird auf der anderen Seite aufgezeichnet. Anhand der Länge der Streifen, das die Strahlung bei der Aufzeichnung hinterlässt, können die Wissenschaftler auf die Größe der Kristalle schließen.

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Stephan A. Klapp
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