Exotische Eigenschaft von Salzlösungen entdeckt

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Eine Salzlösung unter Extrem-Druck verhält sich unerwartet. Das haben Forscher in den Laboren des Deutschen GeoForschungsZentrums GFZ herausgefunden. Ab etwa 0,2 Gigapascal, das entspricht ungefähr dem zweitausendfachen Luftdruck auf der Erdoberfläche, trennte sich gelöstes Magnesiumsulfat weniger als erwartet in Magnesium- und Sulfat-Ionen, und ab etwa einem halben Gigapascal stieg sogar der Anteil an Ionenpaaren mit dem Druck. Der Effekt komme auf der Erde nicht vor, sei aber „relevant für andere Himmelskörper, auf und in denen tiefe Ozeane vorkommen“, erläutert Christian Schmidt vom GFZ die Besonderheit der Ergebnisse.

Diamantstempelzelle (Foto: GFZ)
Diamantstempelzelle (Foto: GFZ)

Forscher haben in den Laboren des Deutschen GeoForschungsZentrums GFZ ein bislang unbekanntes Verhalten von wässrigen Lösungen beobachtet. In einer Diamantstempelpresse setzten sie Magnesium-sulfatlösungen unter hohen Druck. Ab etwa 0,2 Gigapascal, das entspricht ungefähr dem zweitausendfachen Luftdruck auf der Erdoberfläche, stellten sie eine Anomalie fest: Gelöstes Magnesiumsulfat trennte sich weniger als erwartet in Magnesium- und Sulfat-Ionen, und ab etwa einem halben Gigapascal stieg sogar der Anteil an Ionenpaaren mit dem Druck. Dieses Verhalten ließ sich nur bei relativ niedrigen Temperaturen nachweisen. Schon bei 50 °C wurde es nicht mehr beobachtet. „Deswegen kommt in der Erde dieser Effekt nicht vor, in den Ozeanen ist der Druck nicht hoch genug, und in Erdkruste und -mantel ist die Temperatur zu hoch. Er ist aber relevant für andere Himmelskörper, auf und in denen tiefe Ozeane vorkommen“, erläutert Christian Schmidt vom GFZ die Besonderheit der Ergebnisse. Die Studie, die er gemeinsam mit Craig Manning von der University of California in Los Angeles (UCLA) veröffentlichte, ist jüngst im Fachjournal Geochemical Perspectives Letters erschienen.

Diese Erkenntnis kann beispielsweise bei der Erforschung von Pluto und der Jupiter- und Saturnmonde Ganymed, Callisto und Titan, welche große Mengen an Wassereis und darunter vermutlich Ozeane enthalten, von Nutzen sein. Der Grund: Bei der Verwitterung der Magnesiumsilikate der Ozeanböden entsteht vor allem Magnesiumsulfat, das sich im Wasser löst. Wenn sich mehr Ionenpaare bilden, verwittert mehr Magnesiumsilikat als erwartet. „Die Ozeane unter den Eiswelten sind mithin wahrscheinlich salziger als bisher angenommen“, sagt Christian Schmidt. Da die Ionenkonzentration die elektrische Leitfähigkeit von Lösungen bestimmt, trägt die Entdeckung zu einer besseren Interpretation magnetometrischer Daten bei, die bei der Untersuchung solcher Himmelskörper mit Raumsonden eine zentrale Rolle spielen.

Die Untersuchungen zu dieser neuen Anomalie des Wassers wurden in der Sektion „Chemie und Physik der Geomaterialien“ am GFZ durchgeführt (das Bild zeigt die verwendete Diamantstempelkammer am Ramanspektrometer). Ursache für die Anomalie ist eine Änderung der dynamischen Struktur, die durch Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Wassermolekülen entsteht.

 

🔸Veröffentlichung 🔸:

Pressure-induced ion pairing in MgSO4 solutions: Implications for the oceans of icy worlds by C. Schmidt and C.E. Manning in Geochemical Perspective Letters; DOI: 10.7185/geochemlet.1707

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Pia Gaupels

Pia Gaupels, 30, Bibliotheksinformationsstudium an der TH Köln von 2007-2010. Studiert seit 2014 an der Universität Münster Geowissenschaften. Der Schwerpunkt liegt auf Planetare Geologie und Geoinformationswissenschaften. Sie hat die Facebook-Seite GeoHorizon gegründet. Zudem hat sie ausgeprägte Fähigkeiten in der Bild- und Videobearbeitung.