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Hochdruckeis : Manches Eis mag es heiß

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Die Großvolumenpresse „Aster-15“ am Deutschen Elektronen-Synchrotron in Hamburg wurde nach einer blau blühenden Blume benannt und nach den 15 Meganewton (1500 Tonnen), mit denen sie die Dinge zusammendrücken kann. Bild: DESY/Physik in unserer Zeit

Exotische Eissorten: Gefrorenes Wasser gibt es in mindestens zwanzig Varianten. Die meisten davon bilden sich erst im Extremen – zum Beispiel tief im Erdinneren.

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          Schon naht der Sommer, und vor den Eiscafés bilden sich lange Schlangen. Gefrorenes existiert indes nicht nur als Leckerei. So wenig Zitronensorbet aber mit Glatteis gemein zu haben scheint, ist die Übereinstimmung doch groß: In beiden Fällen bilden Wassermoleküle dieselbe hexagonale, also sechseckige, Kristallstruktur. Darin sind die Moleküle weniger dicht gepackt als in flüssigem Wasser, weshalb Eis auf Letzterem schwimmt. Die meisten anderen Stoffe sind dagegen in festem Zustand dichter und damit schwerer als im flüssigen. Diese Merkwürdigkeit ist nur eine von mehreren Anomalien der Verbindung H2O, denen wir unsere Existenz verdanken. Der exzentrische Charakter des Wassers hat überdies eine einzigartige Vielfalt an Gefrorenem zur Folge. Zwanzig verschiedene Sorten Wassereis sind heute bekannt. Die Forschung nummeriert das Sortiment recht trocken mit römischen Ziffern durch. Wer etwa Speiseeis konsumiert, dem zergeht der Kristalltyp „Ih“ auf der Zunge; ein tiefgestelltes „h“ steht für besagtes „hexagonal“.

          Wer nun auf die Idee kommen sollte, höher nummerierte Eissorten aus diesem mineralogischen Sortiment vermarkten zu wollen, als bartaugliche Eiswürfel etwa, der sei gewarnt: Praktisch alle existieren nur unter sehr ungemütlichen Bedingungen – unter enormem Druck und extrem tiefen bis teils verblüffend hohen Temperaturen. Wollte man Derartiges erleben, müsste man sich entweder in den Erdmantel begeben oder ins Innere von Eismonden. Das wäre schon deshalb unbekömmlich, weil der menschliche Körper zu fast sechzig Prozent aus Wasser besteht, das dort zu einer exotischen Eisform würde. Auch technisch sind solche Orte unzugänglich. Bohrungen kommen nicht viel mehr als zehn Kilometer tief, kratzen also gerade mal an der oberen Erdkruste. Die interessanten Eisformen bilden sich aber erst in einer Tiefe von Hunderten Kilometern, trotz der dort herrschenden Hitze. Und Raumsonden, die sich durch die Eiskruste des Jupitermonds Europa schmelzen könnten, wird es vermutlich nicht in näherer Zukunft geben.

          Hydraulik und Geometrie drücken wie 1500 Tonnen

          Doch lassen sich die an solchen Orten herrschenden Bedingungen künstlich schaffen, nämlich in Hochdruckpressen. Zwei davon befinden sich in Hamburg. Hanns-Peter Liermann führt uns dort durch Experimentierhallen auf dem Gelände des Deutschen Elektronen-Synchrotrons DESY. Sie gehören zu PETRA III, einem sogenannten Speicherring mit einem Umfang von 2,3 Kilometern. Darin kreisen fast lichtschnell Elektronen, die trickreich dazu gebracht werden, Energie in scharfen, intensiven Röntgenstrahlen auszusenden. Diese werden zu verschiedenen, mit dicken Schutzwänden gesicherten Experimentierplätzen geleitet, darunter befinden sich jene, wo exotische Eissorten erforscht werden.

          Auf die Frage, warum Röntgenlicht nötig ist, um Kristallstrukturen zu erforschen, erhalten wir die Antwort später. Gerade stehen wir vor „Aster-15“, einer hydraulischen Presse in einem knapp fünf Meter hohen Käfig aus massivem Stahl. „Sie wiegt ungefähr 45 Tonnen“, erklärt Robert Farla, der wissenschaftlich dafür verantwortlich ist. Sechs dicke, blau lackierte Hydraulikarme können in allen drei Raumachsen einen Druck aufbauen, der jeweils einem Gewicht von 1500 Tonnen entspricht. Damit pressen sie eine Anordnung verschiebbarer Stempel zusammen, die auf diese Weise die Kraft von einer größeren auf eine viel kleinere Fläche übertragen. Wie ein geometrisches Übersetzungsgetriebe steigert dies den Druck im Inneren einer nur noch millimetergroßen Probenkammer auf bis zu einer Million Erdatmosphären. Allerdings gelingt dies nur mit besonderen Stempelmaterialien, den Maximaldruck halten gar nur solche aus einem speziellen Diamantmaterial aus. Die Probenkammer lässt sich zusätzlich auf bis zu 3000 Grad Celsius aufheizen, um gleichzeitig mit dem Druck auch Temperaturextreme simulieren zu können.

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