Unversiegbarer Schatz im Erdinnern

Erdkern enthält Wasserstoff für 45 Ozeane

Der Erdkern ist das größte Wasserstoff-Reservoir unseres Planeten: Er enthält mehr Wasserstoff als der Erdmantel und alle Ozeane zusammen, wie ein Hochdruck-Experiment bestätigt.

Von Markus Brauer

Professor Lidenbrock ist ein sonderbarer Kauz und besessener Geologe, der durch Zufall ein altes Schriftstück eines isländischen Wissenschaftlers mit geheimnisvollen Runen in die Hände bekommt. Mithilfe seines Neffen Axel entziffert er die Zeichen, die den Zugang zum Mittelpunkt der Erde verraten.

„Die Reise zum Mittelpunkt der Erde“

Bald brechen beide von Hamburg aus nach Island auf. Im Inneren eines erloschenen Vulkans wagen sie in Begleitung des Isländers Hans den tollkühnen Abstieg ins Erdinnere.

Unbeirrbar hält Lidenbrok an seinem Vorhaben fest, obwohl das Trio sich auf ihrem Weg durch die unterirdische Welt verirrt, fast verdurstet, auf urzeitliche Lebewesen der Urzeit trifft und andere bizarre Abenteuer erleben.

Jules veröffentlichte „Die Reise zum Mittelpunkt der Erde“ im Jahr 1864. Die Erzählung ist eine seiner bekanntesten Romane und einer Klassiker des Science-Fiction-Genres.

Terra incognita

„Voyage au centre de la terre“ ist mehr Fiction als Science: Denn obgleich der Erdkern nur knapp 2900 Kilometer von der Oberfläche des Planeten entfernt ist, ist er in realiter eine Terra incognita. Zugänglich sind für uns Menschen nur wenige Kilometer nahe der Erdoberfläche, und auch diese nur mit extrem hohem Aufwand.

Allein die äußere Hülle, die Erdkruste, ist 5 bis 70 Kilometer dick. Zwar ist das gering im Vergleich zum 2900 Kilometer dicken Erdmantel und dem 6942 Kilometer dicken Erdkern. Doch selbst unser Wissen über die Erdkruste ist bescheiden.

Über die einzelnen Schichten, aus denen unser Planet im Inneren aufgebaut ist, haben wir nur indirekte Informationen. Selbst die bisher tiefste Bohrung aus dem Jahr 1979, die Kola-Bohrung auf der russischen Halbinsel Kola drang nur bis in 12.262 Meter Kilometer Tiefe vor.

Extremster und rätselhaftester Ort unseres Planeten

Der Erdkern ist der extremste und rätselhafteste Ort unseres Planeten. Noch immer ist unklar, welche Feinstruktur er hat, wann der feste Innenkern auskristallisierte und wie genau die Eisen-Nickel-Mischung des Kerns zusammengesetzt ist.

Bisherigen Theorien zufolge muss die Metall-Legierung des Erdkerns noch andere, leichtere Elemente enthalten. Das würde erklären, warum der feste Erdkern relativ weich ist oder warum am Rand des äußeren Kerns Flocken aus siliziumhaltigen Eisen auskristallisieren.

Doch welche leichten Elemente der Erdkern enthält und wie viel, ist strittig. „Der geschätzte Anteil von Wasserstoff im Erdkern überspannt vier Größenordnungen: von zehn bis 10.000 Gewichtsanteilen pro einer Million“, erklären Dongyang Huang von der ETH Zürich und seine Kollegen im Fachmagazin „Nature Communications“. Diese Werte stammen meist aus Hochdruck-Experimenten, die untersuchen, wie viel Wasserstoff sich in Eisenlegierungen unter den Extrembedingungen des Erdkerns löst.

Silizium fungiert als Messhelfer

Huang und sein Team haben für ihre Studie einen anderen Ansatz gewählt. In ihrem Hochdruck-Experiment bildeten sie sowohl den eisenhaltigen Erdkern als auch den umgebenden Erdmantel nach.

„Dafür erhitzten wir mittels Laser eine Eisenprobe, die in einem Silikatglas eingeschlossen war“, berichten die Forscher. Bei Temperaturen von bis zu 5300 Grad und einem Druck von rund 85 Gigapascal (Gigapascal/GPa ist eine Einheit für Druck und mechanische Spannung) bildete sich außen ein „Magmaozean“ im Miniformat und innen der flüssige Erdkern.

Unter diesen Extrembedingungen lösen sich Silizium, Sauerstoff und Wasserstoff aus dem Silikat und wandern in das geschmolzene Metall des Eisenkerns ein. Dort bilden sie beim Abkühlen Nanocluster (also Beschichtungen von Oberflächen), die eine Mischung aus Eisen und den drei leichteren Elementen enthalten. „Wasserstoff und Silizium verbinden sich dabei mit Sauerstoff, dabei stehen Wasserstoff und Silizium immer im Verhältnis von 1:1“, schreiben die Geologen.

Wasserstoff für neun bis 45 Ozeane

„Der Siliziumgehalt des Erdkerns ist inzwischen relativ gut bis auf eine Größenordnung eingegrenzt“, erklärt das Team. Mithilfe von Messdaten und Modellrechnungen konnten die Experten genauer als je zuvor ermitteln, weil viel Wasserstoff die Metalllegierung des Erdkerns enthalten könnte.

Das Ergebnis: Der Erdkern ist das mit Abstand größte Wasserstoffreservoir unseres Planeten. Er enthält mehr Wasserstoff als Ozeane, Erdkruste und Erdmantel zusammen. „Unseren Messungen zufolge enthält der Erdkern zwischen 0,07 und 0,36 Gewichtsprozent Wasserstoff“, berichten die Forscher.

„Das entspricht neun- bis 45-mal so viel Wasserstoff wie in den Ozeanen der Erde.“ Damit sind die neuen Wasserstoffwerte etwas niedriger als einige frühere Schätzungen und Modelle.

Woher kommt der Wasserstoff?

Die neuen Messdaten legen auch nahe, wie der Wasserstoff in den Erdkern gelangte. Nach Angaben der Forscher stammt das Gas aus der Entstehungszeit unseres Planeten.

„Die Erde muss den Großteil ihres Wassers aus der Hauptphase der Akkretion erhalten haben“, schreiben sie. Demnach brachten schon Staub und Planetenbausteine aus der Urwolke dieses Wasser mit.

Wie die Erde geologisch aufgebaut ist: Schalenaufbau

Geologisch betrachtet ist die Erde aus drei Schalen aufgebaut: dem Erdkern, dem Erdmantel und der Erdkruste. Knapp 71 Prozent der Oberfläche des Blauen Planeten sind von Wasser bedeckt. Der Rest ist – wie ein Kuchen mit Puderzucker – mit einer Bodenkruste überzogen. Einer wenigen Millimeter bis einige Meter dünnen Schicht, die Geologen auch als Pedosphäre bezeichnen (von griechisch „pédon“, Erdboden). Sie breitet sich überall dort zwischen der Gesteinsschicht (Lithosphäre) und Biosphäre aus, wo nicht nackter Feld zutage tritt.

Erdkern

In der Tiefe der Erde ist die Hitze ihres planetarischen Geburtsvorgangs erhalten geblieben. Dies sorgt im inneren Erdkern für Temperaturen von 5000 bis 6000 Grad Celsius – so heiß wie auf der Oberfläche der Sonne. Der Erdkern hat einen Radius von circa 3500 Kilometer und besteht aus Eisen und Nickel, die durch den großen Druck jedoch in festem Zustand sind.

Erdmantel

Der Kern wird vom Erdmantel umgeben, der nach außen 2900 Kilometer mächtig ist. Dieser besteht aus festem Gestein aus magnesium- und eisenreichen Silikat-Mineralien mit einem hohen Anteil an Eisen und Magnesium.

Asthenosphäre

Der als Asthenosphäre bezeichnete obere Bereich des Erdmantels ist 1000 bis 1400 Grad Celsius heiß.

Lithosphäre

Über der Asthenosphäre befindet sich die Lithosphäre. Diese ist 100 bis 200 Kilometer mächtig und umfasst neben der obersten, festen Schicht des Erdmantels die Erdkruste – die feste, spröde Oberfläche der Erde.

Erdkruste

Die äußere Hülle des Erdkörpers wird von der relativ dünnen (5 bis 70 Kilometer) Erdkruste gebildet. Diese besteht ebenfalls vorwiegend aus Silikaten und Oxiden, jedoch mit geringerem Eisen- und Magnesium-Anteil sowie einem erhöhten Anteil an Aluminium und Elementen.