Quantenmechanik im Erdkern: Nickel ist entscheidend für das Magnetfeld der Erde

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Berechnungen der TU Wien und der Uni Würzburg zeichnen ein neues Bild des Erdmagnetfelds: Mit Eisen alleine lässt sich der Geo-Dynamo – wie bisher gedacht – nicht erklären. Eine entscheidende Rolle spielt Nickel, dass rund 20% des Erdkerns ausmacht. Nickel ist ein Metall, das sich unter den extremen Bedingungen im Erdkern anders verhält als das Eisen. Materialwissenschaftliche Berechnungen, die ein Forschungsteam um Prof. Alessandro Toschi und Prof. Karsten Held (TU Wien) und Prof. Giorgio Sangiovanni (Universität Würzburg) nun in „Nature Communications“ veröffentlichten, zeigen, dass die Theorie des Geo-Dynamoeffekts modifiziert werden muss. 

Ohne Magnetfeld sähe das Leben auf der Erde ziemlich ungemütlich aus: Energiereiche kosmische Teilchen würden in großer Menge die Atmosphäre durchdringen und in den Zellen aller Lebewesen Schäden verursachen. In technischen Systemen würden sich Fehlfunktionen häufen, in Einzelfällen können elektronische Bauteile auch komplett zerstört werden.

Ungeachtet seiner hohen Bedeutung für das Leben auf der Erde ist bislang noch nicht im Detail geklärt, wie das Magnetfeld entsteht.  Eine wichtige Rolle spielt dabei jedenfalls der heiße Erdkern. 6.300 Grad Celsius und ein Druck von etwa 3,5 Millionen bar herrschen am Erdmittelpunkt in einer Tiefe von gut 6.400 Kilometern. Die vorherrschenden siderophilen Elemente, Eisen und Nickel, bilden unter diesen Umständen eine feste Metallkugel, den inneren Erdkern. Um diese Kugel herum befindet sich der äußere Erdkern, wobei Eisen und Nickel dort zähflüssig sind. In dieser elektrisch leitenden Flüssigkeit können sich in der Eisenschmelze durch Fließbewegungen elektrische Ströme verstärken und Magnetfelder ausbilden. In Kombination mit der Eigenrotation der Erde führt er zu einem gewaltigen „Dynamoeffekt“, der das Erdmagnetfeld erzeugt.

Konvektion und Korioliskraft führen zu komplizierten Strömungen im Erdinneren, die das Erdmagnetfeld verursachen. Das wäre ohne Nickel in dieser Form nicht möglich.
(Bild: TU Wien)

Große Hitze, extremer Druck
Der Erdkern ist ähnlich groß wie der Mond und so heiß wie die Oberfläche der Sonne. Es herrscht ein Druck von mehreren hundert Gigapascal – das entspricht dem Druck, den man ausüben würde, wenn man mehrere Eisenbahnlokomotiven auf einem Quadratmillimeter balancieren könnte. „Unter diesen extremen Bedingungen verhalten sich manche Materialien ganz anders als wir es gewohnt sind“, sagt Karsten Held. „Die Bedingungen im Experiment nachzustellen ist kaum möglich, aber mit aufwändigen Computersimulationen können wir das Verhalten von Metallen im Erdkern quantenphysikalisch berechnen.“

Feldlinien des Erdmagnetfelds im Modell.
(Quelle: Gary Glatzmaier/ Los Alamos National Laboratory)

Die Hitze des Erdkerns muss irgendwie entweichen. Heißes Material steigt in höhere Schichten auf, es entstehen Konvektionsströme. Gleichzeitig treten durch die Erdrotation starke Korioliskräfte auf, insgesamt entstehen so im Erdinneren komplizierte spiralförmige Strömungen. „Wenn in einem solchen Strömungs-System elektrischer Strom zu fließen beginnt, kann dieser ein magnetisches Feld erzeugen, das wiederum den Stromfluss verstärkt, und so weiter – bis ein kräftiges Magnetfeld entstanden ist, das wir an der Erdoberfläche messen können“, erklärt Alessandro Toschi.

Wärmeleitung unter Druck
Doch nach bisherigem Wissen war eigentlich nicht zu erklären, warum es überhaupt zu den Konvektionsströmen kommen sollte. Eisen ist nämlich ein ziemlich guter Wärmeleiter, und bei hohem Druck wird die Wärmeleitfähigkeit von Eisen sogar noch besser. „Würde das Erdinnere nur aus Eisen bestehen, so könnten die frei beweglichen Elektronen im Eisen ganz alleine für den nötigen Wärmetransport sorgen, ohne dass dabei Konvektionsströme entstehen müssten“, sagt Karsten Held. „Dann gäbe es allerdings auch kein Erdmagnetfeld.“

Allerdings enthält der Erdkern auch bis zu 20% Nickel. Bisher hielt man das nicht für bedeutend, doch wie nun gezeigt wurde, spielt der Nickel-Anteil eine ganz entscheidende Rolle. „Nickel verhält sich unter Druck anders als Eisen“, sagt Alessandro Toschi. „Bei hohem Druck streuen die  Elektronen im Nickel deutlich häufiger als im Eisen, daher ist die Wärmeleitfähigkeit von Nickel, aber auch des Erdkerns insgesamt, deutlich niedriger als bei einem Kern aus reinem Eisen.“ Aufgrund des Nickel-Anteils kann die Temperatur im Erdkern nicht mehr bloß durch die Bewegung von Elektronen abtransportiert werden und daher ist das Entstehen von Konvektionsströmungen unvermeidlich, die dann letztlich für das Erdmagnetfeld verantwortlich sind.

Um zu diesen Erkenntnissen zu gelangen, war es nötig, unterschiedliche Metallstrukturen am Computer zu simulieren und das Verhalten ihrer Elektronen zu berechnen. Die Vielteilchen-Rechnungen wurden von Andreas Hausoel (Universität Würzburg) durchgeführt, unter anderem auch am Vienna Scientific Cluster (VSC). „Gemeinsam mit unseren Kollegen von der Universität Würzburg untersuchten wir nicht nur Eisen und Nickel sondern auch Legierungen aus diesen beiden Materialien. Auch Störungen und Unregelmäßigkeiten in den Materialien mussten wir speziell berücksichtigen, das macht die Computersimulationen noch aufwändiger“, erklärt Karsten Held.

„Bei Raumtemperatur ordnen sich Eisenatome so an, dass die jeweiligen Atome an den Ecken eines gedachten Würfels sitzen mit einem zentralen Atom in der Würfelmitte, in einer sogenannten bcc-Gitterstruktur“, erklärt Andreas Hausoel. Steigen Temperatur und Druck, verändert sich diese Struktur allerdings: Die Atome rücken enger aneinander und bilden ein hexagonales Gitter – Physiker sprechen von einem hcp-Gitter, wodurch Eisen seine korrelierten Eigenschaften größtenteils verliert.

Die unterschiedliche räumliche Anordnung der Atome im Eisen- und im Nickelgitter ist für das unterschiedliche physikalische Verhalten unter extremen Bedingungen verantwortlich. Das bunte Bild zeigt die elektronische Dispersion von Nickel in der Region, die für dieses Verhalten verantwortlich ist. (Grafiken: Michael Karolak, Uni Würzburg)

Anders aber Nickel: „Bei diesem Metall sitzen die Atome schon im Normalzustand so dicht gepackt in der Würfelstruktur wie möglich. Sie verändern diese Anordnung auch dann nicht, wenn Temperatur und Druck  sehr groß werden“, so Hausoel. Nur das Zusammenspiel dieser geometrischen Stabilität und der Geometrie entstammenden elektronischen Korrelationen machen das ungewöhnliche physikalische Verhalten von Nickel unter extremen Bedingungen erklärbar. Obwohl bisher von Geophysikern vernachlässigt, scheint also Nickel eine wichtige Rolle für das Erdmagnetfeld zu spielen.

Diese fortschrittlichen Rechenmethoden sind nicht nur wichtig, um das Erdmagnetfeld besser zu verstehen, sie bieten auch neue Einblicke in die Streuung der Elektronen. Alessandro Toschi ist überzeugt: „In naher Zukunft wird die stetige Verbesserung dieser Algorithmen auch zu spannenden Anwendungen in der Chemie und Biologie, in der Industrie und Technik führen.“

Veröffentlichung: 

Hausoel A., et al.: Local magnetic moments in iron and nickel at ambient and Earth’s core conditionsNat. Commun. 8, 16062, doi:10.1038/ncomms16062 (2017)

Quelle:

Off. Pn der TU Wien / Off. Pn der Uni Würzburg

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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.

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