Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Heißes Wasser in kalten Kometen

08.09.2010
Wasser entsteht in Kometen auf einem ungewöhnlichen Weg

Im Wasser liegt der Ursprung des irdischen Lebens. Deswegen sind Astronomen im Universum auf der Suche nach diesem Molekül. Sie entdeckten es auf dem Mars, in interstellaren Wolken und den Gasscheiben junger Sterne, in denen sich Planeten bilden. Wasser ist auch ein Hauptbestandteil von Kometen, weswegen es die Vermutung gibt, dass diese in der Frühzeit des Sonnensystems zumindest einen Teil des Lebenselixiers auf die Erde brachten.

Einer internationalen Forschergruppe um Andreas Wolf vom Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg gelang es jetzt, die Entstehung von Wassermolekülen im Detail zu entschlüsseln. Überraschend stellten sie dabei fest, dass die Wassermoleküle in den ultrakalten Kometen als 60 000 Grad heiße Teilchen entstehen. Für ihre Forschung verwendeten die Physiker indes kein Teleskop, sondern einen Teilchenbeschleuniger (Physical Review Letters, 3. September 2010).

In den Kometen und interstellaren Wolken ist der Ausgangsstoff des Wassers das positiv geladene Hydronium-Ion H3 O+ . Dieses Teilchen lässt sich von der Erde aus mit Teleskopen nachweisen. In den kosmischen Wolken fliegen normalerweise auch negativ geladene Elektronen umher, so dass es häufig zu Zusammenstößen kommt. Damit wird das Hydronium-Ion zwar zu dem neutralen Molekül H3O, aber es ist noch kein Wasser. Die Natur hat jedoch dafür gesorgt, dass H3O instabil ist und sofort zerfällt. "Hierfür stellt sie drei Möglichkeiten zur Wahl", erklärt Andreas Wolf: "Entweder entsteht H2O plus H, OH plus H2 oder OH plus zwei H-Atome." Ein Ziel der aktuellen Forschung ist es herauszufinden, mit welcher Häufigkeit die drei Zerfallsarten auftreten und Wasser entsteht.

Wolf und Kollegen gehen dieser Frage nach, indem sie die Elektronenanlagerung im Labor nachstellen. Hierfür verwenden sie den Heidelberger Testspeicherring, eine Art Rennbahn mit 55 Metern Umfang, auf der geladene Teilchen von Magneten geführt herumrasen.

In diesen Ring speisen die Forscher Hydronium-Ionen ein, genauer D3O+, also Hydronium-Ionen aus Deuterium, schweren Wasserstoffatomen. Den schweren Wasserstoff verwenden sie aus experimentellen Gründen, die Interpretation ihrer Versuche beeinträchtigt das aber nicht. An einer Stelle im Ring strömen zudem von außen Elektronen hinein, die die Ionen auf einem knapp zwei Meter langen Teilstück begleiten und dann den Ring wieder verlassen. Das geschieht bei jedem Umlauf, also mehrere hunderttausend Mal pro Sekunde.

In einem von sechs Fällen entsteht beim Zerfall Wasser

In dem Elektronenbad lagern sich nun - fast so wie im Weltraum - Elektronen mit Hydronium-Ionen zu Molekülen zusammen, die sofort zerfallen. Die Bruchstücke sind aber elektrisch neutral. Sie reagieren deswegen nicht auf das Magnetfeld und fliegen aus dem Speicherring heraus. An dieser Stelle hat Wolfs Gruppe einen Detektor installiert, der die auftreffenden Teilchen registriert. Dieses empfindliche Gerät entstand in Zusammenarbeit mit Kollegen des israelischen Weizmann-Instituts in Rehovot.

Mit bis zu tausend "Bildern" pro Sekunde registriert der Detektor Molekülmassen und Impulse aller Zerfallsprodukte. Aus diesen Daten lassen sich die Vorgänge beim Anlagern der Elektronen und anschließenden Auseinanderbrechen des Moleküls exakt rekonstruieren.

Das erste wichtige Ergebnis: Bei der Elektronen-Anlagerung zerfällt das Hydronium zu 16,5 Prozent - also in einem von sechs Fällen - zu Wasser. "Das ist ein recht hoher Wert", sagt Wolf. "Wahrscheinlich ist die Elektronenanlagerung an Hydronium-Ionen der wichtigste Wasserproduktionsweg in interstellaren Wolken und Kometen."

Die Moleküle schwingen mit maximaler Energie

Am häufigsten, nämlich zu 71 Prozent, zersplittert das Hydronium-Ion jedoch in die drei Bestandteile OH plus zwei H-Atome. Warum das so ist, können die Forscher jetzt erklären. Wenn sich das Elektron an dem Ion anlagert, wird dabei Bindungsenergie frei. Diese nimmt das gesamte Molekül auf und fängt an zu schwingen, ähnlich wie eine Spiralfeder, die man spannt und loslässt. "Wir haben zur Überraschung aller herausgefunden, dass die Moleküle mit der maximal möglichen Energie schwingen", sagt Wolf. Damit ist jedes Molekül bei der Elektronenanlagerung kurz vor dem Zerreißen und zerbricht eben eher in drei als in zwei Teile.

Die hohe Schwingungsenergie lässt sich auch in eine Temperatur umrechnen. Dabei kommen die Physiker auf 60 000 Grad Celsius: Wasser kommt also heiß in die Welt.

Die neuen Erkenntnisse haben noch weitere Auswirkungen. Zum einen gehen sie als Parameter in Computermodelle ein, mit denen das komplexe Reaktionsnetz in interstellaren Wolken berechnet wird. Zum anderen erklären sie rätselhafte Merkmale, die Astronomen in Infrarotspektren einiger Kometen beobachtet hatten: Die neu geborenen Wassermoleküle hören schrittweise auf zu schwingen, und bei jeder weiteren "Abregungsstufe" senden sie Infrarotstrahlung aus. Und nicht zuletzt geben die neuen Messergebnisse ungeahnt detaillierte Aufschlüsse über die elektronischen Vorgänge in einem Hydronium-Ion und dienen so als Input für quantenmechanische Modelle dieser Moleküle.

Originalveröffentlichung:

H. Buhr, J. Stützel, M. B. Mendes, O. Novotný, D. Schwalm, M. H. Berg, D. Bing, M. Grieser, O. Heber, C. Krantz, S. Menk, S. Novotny, D. A. Orlov, A. Petrignani, M. L. Rappaport, R. Repnow, D. Zajfman, und A. Wolf
Hot water molecules from dissociative recombination of D3O+ with cold electrons
Physical Review Letters, 3. September 2010
Weitere Informationen erhalten Sie von:
Dr. Andreas Wolf
Max-Planck-Institut für Kernphysik, Heidelberg
Tel.: +49 6221 516-503
E-Mail: A.Wolf@mpi-hd.mpg.de
Dr. Henrik Buhr
Max-Planck-Institut für Kernphysik, Heidelberg
Tel.: +49 531 5926-208
E-Mail: henrik.buhr@mpi-hd.mpg.de

Barbara Abrell | Max-Planck-Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Heiß & kalt – Gegensätze ziehen sich an
25.04.2017 | Universität Wien

nachricht Astronomen-Team findet Himmelskörper mit „Schmauchspuren“
25.04.2017 | Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Weltweit einzigartiger Windkanal im Leipziger Wolkenlabor hat Betrieb aufgenommen

Am Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS) ist am Dienstag eine weltweit einzigartige Anlage in Betrieb genommen worden, mit der die Einflüsse von Turbulenzen auf Wolkenprozesse unter präzise einstellbaren Versuchsbedingungen untersucht werden können. Der neue Windkanal ist Teil des Leipziger Wolkenlabors, in dem seit 2006 verschiedenste Wolkenprozesse simuliert werden. Unter Laborbedingungen wurden z.B. das Entstehen und Gefrieren von Wolken nachgestellt. Wie stark Luftverwirbelungen diese Prozesse beeinflussen, konnte bisher noch nicht untersucht werden. Deshalb entstand in den letzten Jahren eine ergänzende Anlage für rund eine Million Euro.

Die von dieser Anlage zu erwarteten neuen Erkenntnisse sind wichtig für das Verständnis von Wetter und Klima, wie etwa die Bildung von Niederschlag und die...

Im Focus: Nanoskopie auf dem Chip: Mikroskopie in HD-Qualität

Neue Erfindung der Universitäten Bielefeld und Tromsø (Norwegen)

Physiker der Universität Bielefeld und der norwegischen Universität Tromsø haben einen Chip entwickelt, der super-auflösende Lichtmikroskopie, auch...

Im Focus: Löschbare Tinte für den 3-D-Druck

Im 3-D-Druckverfahren durch Direktes Laserschreiben können Mikrometer-große Strukturen mit genau definierten Eigenschaften geschrieben werden. Forscher des Karlsruher Institus für Technologie (KIT) haben ein Verfahren entwickelt, durch das sich die 3-D-Tinte für die Drucker wieder ‚wegwischen‘ lässt. Die bis zu hundert Nanometer kleinen Strukturen lassen sich dadurch wiederholt auflösen und neu schreiben - ein Nanometer entspricht einem millionstel Millimeter. Die Entwicklung eröffnet der 3-D-Fertigungstechnik vielfältige neue Anwendungen, zum Beispiel in der Biologie oder Materialentwicklung.

Beim Direkten Laserschreiben erzeugt ein computergesteuerter, fokussierter Laserstrahl in einem Fotolack wie ein Stift die Struktur. „Eine Tinte zu entwickeln,...

Im Focus: Leichtbau serientauglich machen

Immer mehr Autobauer setzen auf Karosserieteile aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK). Dennoch müssen Fertigungs- und Reparaturkosten weiter gesenkt werden, um CFK kostengünstig nutzbar zu machen. Das Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) hat daher zusammen mit der Volkswagen AG und fünf weiteren Partnern im Projekt HolQueSt 3D Laserprozesse zum automatisierten Besäumen, Bohren und Reparieren von dreidimensionalen Bauteilen entwickelt.

Automatisiert ablaufende Bearbeitungsprozesse sind die Grundlage, um CFK-Bauteile endgültig in die Serienproduktion zu bringen. Ausgerichtet an einem...

Im Focus: Making lightweight construction suitable for series production

More and more automobile companies are focusing on body parts made of carbon fiber reinforced plastics (CFRP). However, manufacturing and repair costs must be further reduced in order to make CFRP more economical in use. Together with the Volkswagen AG and five other partners in the project HolQueSt 3D, the Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) has developed laser processes for the automatic trimming, drilling and repair of three-dimensional components.

Automated manufacturing processes are the basis for ultimately establishing the series production of CFRP components. In the project HolQueSt 3D, the LZH has...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

123. Internistenkongress: Wie digitale Technik die Patientenversorgung verändert

26.04.2017 | Veranstaltungen

„Microbiology and Infection“ - deutschlandweit größte Fachkonferenz in Würzburg

25.04.2017 | Veranstaltungen

Berührungslose Schichtdickenmessung in der Qualitätskontrolle

25.04.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Bestrahlung bei Hirntumoren? Eine neue, verlässlichere Einteilung erleichtert die Entscheidung

26.04.2017 | Medizin Gesundheit

Nose2Brain – Effizientere Therapie von Multipler Sklerose

26.04.2017 | Biowissenschaften Chemie

Bauübergabe der ALMA-Residencia

26.04.2017 | Architektur Bauwesen