Experimentelle Untersuchung von planetaren Eis-Verbindungen bei hohen Drücken mittels dynamisch-betriebener Diamantstempelzellen

• Antragsteller: Hanns-Peter Liermann, Ph.D., seit 9/2018
• Fachliche Zuordnung: Mineralogie, Petrologie und Geochemie
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 280637173

Planetare Eis-Verbindungen (e.g. H2O, CH4, NH3) stellen große Teile der solaren Eis-Riesenplaneten dar und kommen mit hoher Wahrscheinlichkeit häufg im Inneren von kürzlich entdeckten Exoplaneten vor. Die physikalischen Eigenschaften und Phasendiagramme dieser Verbindungen sind nicht ausreichend bei den Druck- und Temperaturbedingungen bekannt, die im Inneren von Planeten herrschen. Frühere experimentelle Untersuchungen mittels Röntgenbeugung in der statischen Diamantstempelzelle sind auf vergleichsweise geringe Drücke begrenzt. Der Grund hierfür liegt in experimentellen Schwierigkeiten aufgrund der geringen Streueffizienz dieser Niedrig-Z-Verbindungen und dem Nachgeben der Hochdruckkammer als Resultat von Reaktionen mit dem Probenmaterial.Im beantragten Projekt werden wir kürzlich entwickelte dynamisch-betriebene Diamantstempelzellen (dDAC und mDAC) verwenden, um planetare Eis-Verbindungen auf kurzen Zeitskalen zu komprimieren (milli-Sekunden bis Sekunden). Die schnelle Kompression wird chemische Reaktionen verhindern und es erlauben Drücke zu generieren, welche in bisherigen Experimenten unerreichbar waren. Während der Kompression werden wir die Probe mittels Röntgenbeugung untersuchen um die Struktur, Phasenstabilitätund Zustandsgleichung zu bestimmen. Solche schnellen Beugungsexperimente sind erst seit Kurzem möglich aufgrund der Entwicklung von superschnellen Detektoren. Erste Experimente werden wir an der Extreme Conditions Beamline am PETRA III Ring am DESY durchführen. Im Verlauf des Projekts werden wir dann damit beginnen, Experimente am High Energy Density Instrument des Europäischen XFEL durchzuführen, welches ab dem Jahr 2018 für Nutzer zur Verfügung stehen wird. Die Ergebnisse unserer Experimente werden neue Einblicke in die Stabilitätsfelder und die physikalischen Eigenschaften von planetaren Eis-verbindungen im Inneren von solaren Eis-Riesenplaneten und Exoplaneten erlauben. Die Resultate werden auch wichtige Ankerpunkte darstellen, um Computervorhersagen (durchgeführt in SP3) zu validieren und weiterhin als Eingabeparameter für großskalige numerische Modelle dienen, welche die Dynamik von Planeten simulieren (Zusammenarbeit mit SP4/SP5).

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 2440: Materie im Inneren von Planeten - Hochdruck-, Planeten- und Plasmaphysik
• Kooperationspartnerin: Dr. Emma McBride
• Ehemaliger Antragsteller: Dr. Hauke Marquardt, bis 9/2018