Seltsamerweise besteht der feste Teil des Planeten wahrscheinlich aus Eis - der kristallinen Form von Wasser oder H2O, genau wie wir es auf der Erde haben. Jeder, der an einem heißen Sommernachmittag ein eisiges Getränk getrunken hat, weiß, wie schnell Eis schmelzen kann. Wie wird dieses Eis so heiß, bleibt aber das feste Eis von Iglus und Cocktails?
Die Wahrheit liegt in der seltsamen, fast unglaublichen Welt der Chemie und Physik: Es gibt mehr als eine Eisart, die aus dem gleichen Wasser hergestellt wird, das Sie jeden Tag trinken. Tatsächlich gibt es mindestens 17 Eisphasen, die Wissenschaftler bisher entdeckt haben, wodurch Eis zu einem viel komplizierteren Material wird, als bisher angenommen wurde.
Wissenschaftler haben die Bedingungen für die Herstellung dieser ungewöhnlichen Eissorten in ihren Laboren wiederhergestellt, darunter auch Eis X und XVI - die Hochdruckeis, von denen Wissenschaftler glauben, dass sie im brennenden Klima von Gliese 436b existieren.
Ein künstlerischer Eindruck von Gilese 436b mit einer kometenartigen Wasserstoffwolke. Dargestellt ist auch der Mutterstern, ein schwacher roter Zwerg namens Gliese 436. Der Wasserstoff verdampft vom Planeten aufgrund extremer Strahlung des Sterns. (Foto: ESA / Hubble / Public Domain)
Es stellt sich heraus, dass Wasser, das Hauptbestandteil unserer biologischen Prozesse und die Kraft, die hinter dem Leben steht, keine typische Flüssigkeit ist und Dutzende von Anomalien aufweist. "Es ist ungewöhnlich, dass es so viele Phasen gibt", sagt der emeritierte Professor Martin Chaplin von der London South Bank University. Chaplin untersucht wässrige Systeme und ist Autor der bislang umfassendsten Eis- und Wasser-Website.
Die merkwürdigen Anomalien des Wassers beginnen mit seiner Grundstruktur: Wenn sich Wassermoleküle verbinden, tun sie dies mit einem Wasserstoffmolekül. Diese Bindung ist so stark, dass Wasser zum Kochen und Schmelzen höhere Temperaturen benötigt, als dies normalerweise von Flüssigkeiten erwartet wird, und viel höher als Sauerstoff oder Wasserstoff alleine. Da sich diese Bindungen dehnen können, wird der Abstand zwischen Wasserstoff und Sauerstoff bei steigender Temperatur kleiner und der Abstand bei steigendem Druck.
Eine Schneeflocke, betrachtet durch ein Mikroskop, bestehend aus Eis Ih. (Foto: Michael / WikiCommons CC BY-SA 2.0)
"Dies ist eine Folge der Wasserstoffbrückenbindung und der relativ geringen Dichte bei niedrigen Drücken, wodurch viele dichtere Strukturen möglich werden", sagt Chaplin. Die Kristallstruktur des Eises Ih, das normale "hexagonal" geformte Eis, mit dem wir in Gefriergeräten und Schneeflocken in Kontakt kommen, wird auch durch diese Bindung bestimmt und bildet in unserer Atmosphäre ein gleichmäßiges offenes Gitter aus hexagonalen Kristallen.
Wenn sich also der Planet Gliese 436 b unter extrem hohem Druck befindet, bricht das Eis zusammen, seine Moleküle dehnen sich aus und verdichten sich zu neuen Formen, und seine kristalline Struktur taucht völlig verändert auf. Wenn zum Beispiel Eis X auf diesem heißen Planeten existiert, wie Wissenschaftler glauben, bleibt es solide, indem es für immer in ein ordentliches, drahtzaunförmiges Gitter komprimiert wird. Ähnlich wie Wasser bei niedrigeren Temperaturen in den Bergen kocht als auf Meereshöhe und bei hohen Temperaturen unter extremem Druck, benötigt Eis X eine viel höhere Temperatur zum Schmelzen als in der leichteren Atmosphäre der Erde.
Innenstruktur von Gliese 436b. (Foto: Dr. Jason Wright / WikiCommons)
Und das ist nur eine seltsame Eisphase, alle einzigartig. Laut Chaplins Website ist das ungeordnete Muster von Eis VII wahrscheinlich auf „Riesenplaneten und Eismonden“ zu finden, Eis-VI-Moleküle sind in ordentlichen dreieckigen Gittern angeordnet und Eis-V weist eine molekulare Struktur auf, die aussieht wie eine K'NEX-Spielzeugskulptur falsch. Ice III hat eine gewellte, verspielte Kristallstruktur mit Molekülen, die fast wie sie zu tanzen scheinen, während Ice XVI einer Wabe ähnelt und tatsächlich verschiedene Gase aufnehmen und speichern kann. Kubisches Eis, auch Eis-Ic genannt, bildet sich wahrscheinlich in den höchsten, kältesten Wolken der Erdatmosphäre, und sein 3D-Modell sieht aus wie punktförmige Diamanten.
Diese Effekte im Labor nachzubilden, wie Sie sich vielleicht vorstellen, ist ziemlich kompliziert. Bevor etwas beginnt, brauchen Eiswissenschaftler Bedingungen, die laut Chaplin schwierig zu schaffen sind. "Es ist schwierig, wirklich reines Wasser herzustellen", sagt Chaplin, und es ist schwierig, die Moleküle selbst zu betrachten. "Bei niedrigen Temperaturen können Strukturänderungen sehr langsam sein."
Um diese Phasen zu untersuchen, zerkleinern Wissenschaftler weniger als ein Gramm Eis zu feinem Pulver und kühlen es mit flüssigem Stickstoff ab. Nach dem Laden in eine Spezialpresse aus unreaktiven Materialien wie Wolframstahl oder Diamanten heizen sie das Eis langsam Grad für Grad auf. In diesem begrenzten Raum ändert sich die Position der Wassermoleküle entsprechend der Temperatur und dem Druck, die auf das Eis ausgeübt werden. Wissenschaftler betrachten die Moleküle mithilfe von Röntgenstrahlen oder eines Prozesses, der als Neutronenkristallographie bezeichnet wird. Dabei wird ein kleiner Strahl von Neutronen verwendet, um ein detektierbares Muster zu bilden, während sie sich um die Eismoleküle herum streuen und ein dreidimensionales Bild des Moleküls ergeben.
Struktur des Eises XVI. (Foto: Andrzej Falenty / WikiCommons CC BY 4.0)
Das Wiederherstellen dieser Vereisungen im Labor ist ordentlich, aber es ist auch nützlich, um unser Wissen über das natürliche Universum zu erweitern. "In einigen Planeten und Monden gibt es wahrscheinlich Eis mit hohem Druck, und es ist wichtig zu wissen, was ihre Eigenschaften sind ... um das Verhalten dieser Planeten und Monde zu verstehen", sagt Chaplin. "Etwas Eis kann sich bei der Hochdruckverarbeitung von Materialien und Lebensmitteln auf der Erde bilden."
Hochdruckeis kann Wissenschaftlern auch dabei helfen, biologische Zellen zu untersuchen. Ein Gefrieren bei hohem Druck könnte verhindern, dass das Eis sein Volumen vergrößert und das Material beim Gefrieren stört, wodurch empfindliche organische Zellen intakt bleiben. Einige haben vorgeschlagen, dass Eis XVI verwendet werden könnte, um Methangas, das Wärme erzeugt, unter dem Boden der Tiefsee zu entfernen und es durch weniger schädliches CO2 zu ersetzen.
Nach eingehender Untersuchung der Eisstrukturen prognostizierte Chaplin sieben Jahre vor seiner Entdeckung im Jahr 2007 eine neue Eisphase, die als gestapeltes ungeordnetes Eis bezeichnet wurde. „Eines Nachts, als ich mitten in der Nacht einnickte, wurde mir klar, dass diese gemischte kubische und sechseckige Eisstruktur zu sphärischen (eigentlich ikosaedrischen) Strukturen zusammengelegt werden kann, die viele der bis dahin ungeklärten Eigenschaften von Flüssigkeit erklären könnten Wasser “, sagt Chaplin, der drei Tage lang nicht schlafen konnte, während er die neue Eisphase voraussagte. Dieses Eis bildet glatte, tetraedrische Formen und findet sich in hohen Cirruswolken und Flugzeug-Kondensstreifen.
Ein Diagramm der Struktur von Ice XVI. (Foto: Courtesy Martin Chaplain)
Eine unheimlichere Eisphase wurde in der Fiktion der 1960er-Jahre sensationell vorhergesagt. Kurt Vonnegut schrieb in sein Buch Katzen Wiege um Eis neun, eine katastrophale Substanz, die die gesamte Wasserversorgung der Erde dauerhaft in Eis verwandeln kann. "Ich mag Vonneguts Eis neun", sagt Chaplin, obwohl er auf seiner Website versichert, dass diese fiktive Version "zum Glück keine wissenschaftlichen Grundlagen hat". (Das echte Ice IX ist nur eine dichtere Version von Ice III und kann nicht wirklich existieren neben flüssigem Wasser oder eine eisige Apokalypse herbeiführen).
Wissenschaftler entdecken immer noch regelmäßig neue Arten von Eis. Im Februar 2016 schlug der Chemieprofessor Xiao Cheng Zeng vor, dass ein neues Eis VIII mit niedriger Dichte existieren könnte (obwohl es noch nicht hergestellt wurde), was das Eis mit der niedrigsten Dichte sein könnte, das es gibt. Während Chaplin sagt, dass wir noch nicht in der Lage sind, einige der extremen Hochdruckeis zu finden, suchen Wissenschaftler immer noch nach ihnen.
Wenn Sie das nächste Mal ein eiskaltes Lieblingsgetränk zubereiten, das nur einige Minuten später mit Bestürzung zu sehen ist, wenn es schmilzt, denken Sie daran, dass dieses Eis irgendwo im Universum einen Weg finden würde, unter Druck kühl zu bleiben.
Update 3/1: Ursprünglich haben wir Ice-Nine oder IX als IV bezeichnet. Wir bedauern den Fehler.