Neue Heliumverbindung enthüllt Geheimnisse des Erdkerns

Bei hoher Temperatur und hohem Druck bewegen sich Heliumatome (rote Kreise) in die Zwischenräume zwischen Eisenatomen (rote Kreise mit schwarzen Mittelpunkten) in einem Stück Eisenmetall auf der Karte der Elektronenlokalisierungsfunktion. (Quelle: National Central University)

Helium gilt als eines der „widerspenstigsten“ Elemente im Universum und ist gleichzeitig das am wenigsten reaktive Element im Periodensystem. Wie andere Edelgase nimmt Helium nicht so leicht Elektronen auf oder gibt sie ab und bildet daher normalerweise keine chemischen Verbindungen. Unter extrem hohem Druck kann Helium jedoch mit mehreren anderen Elementen wie Stickstoff, Natrium und Eisen reagieren.

Um die neue Verbindung herzustellen, komprimierten der Physiker Kei Hirose von der Universität Tokio und seine Kollegen Eisen und Helium gemeinsam in einer Diamantambosskammer – einem Hochdruckgerät, das die Elemente einem Druck von über 50.000 atm bei Temperaturen über 1.000 Grad Celsius aussetzt. Durch diesen Kompressionsprozess entstehen Kristalle, die sowohl Eisen als auch Helium enthalten und bei gleichem Druck ein größeres Volumen aufweisen als reine Eisenkristalle.

Wissenschaftler gehen davon aus, dass dieser Anstieg auf die Ansammlung von Heliumionen in Zwischenräumen, winzigen Lücken zwischen den Eisenatomen im Kristall, zurückzuführen ist.

Obwohl Heliumatome weniger reaktiv sind und selbst unter extremen Bedingungen keine direkten chemischen Bindungen mit Eisen eingehen, liefert die Verbindung, die Heliumatome in kristallines Eisen „packt“, einen „Hinweis“, der zur Erklärung der Beobachtungen von Helium im Erdkern beiträgt. Dementsprechend haben die meisten Heliumatome der Erde zwei Neutronen und entstehen durch den radioaktiven Zerfall von Elementen wie Uran. Bei manchen Vulkanausbrüchen im Ozean werden jedoch Heliumatome mit nur einem Neutron freigesetzt.

Diese Atome entstanden erstmals kurz nach dem Urknall. Die Erde absorbierte dieses „ursprüngliche“ Helium, als der Planet entstand. Die Emission von Heliumatomen aus Magma lässt darauf schließen, dass die Erde einst über ursprüngliche Heliumreserven verfügte, und die neue Verbindung lässt darauf schließen, dass der eisenreiche Erdkern das Element sehr wohl enthalten könnte.

Zusätzlich zu ihren wichtigen geophysikalischen Implikationen könnten diese Erkenntnisse auch breitere Anwendungsmöglichkeiten in der Edelgaschemie haben. Laut Maosheng Miao, Wissenschaftler an der University of California (USA), kann die Bildung von Verbindungen, die Helium und andere Metalle enthalten, chemische Erkenntnisse ermöglichen, an die der Mensch noch nie gedacht hat.