Experimentelle Quantifizierung des Wasserstoffgehalts im Erdkern

Verstecktes Wasser tief im Inneren unseres Planeten

Das meiste Wasser der Erde ist offensichtlich: Es füllt unsere Ozeane, Flüsse und Wolken. Doch seit Jahrzehnten vermuten Wissenschaftler, dass ein riesiger, unsichtbarer Vorrat an Wasserstoff – der Schlüsselkomponente des Wassers – tief unter unseren Füßen eingeschlossen sein könnte, im metallischen Erdkern. Diese Studie liefert die ersten direkten experimentellen Belege dafür, dass Wasserstoff in großen Mengen im Kern gebunden werden kann, und zeigt, dass unser Planet einen Großteil seines Wassers bereits von Anfang an nach innen getragen haben könnte, statt es hauptsächlich später von eisigen Kometen erhalten zu haben.

Warum im Kern nach Wasser suchen?

Wasserstoff ist das häufigste Element im Sonnensystem, dennoch wird die Erde oft als „trocken“ im Vergleich zu bestimmten primitiven Meteoriten beschrieben. Obwohl die Oberfläche von Ozeanen bedeckt ist, legten frühere Arbeiten nahe, dass noch mehr Wasserstoff im Kern sitzen könnte, als Legierung mit Eisen. Bestehende Schätzungen waren jedoch extrem unsicher – sie reichten über einen Faktor von 10.000 –, weil Wasserstoff unter den erdrückenden Drücken und glühenden Temperaturen, unter denen sich der Erdkern bildete, äußerst schwer zu messen ist. Die meisten früheren Studien mussten den Wasserstoffgehalt indirekt aus winzigen Veränderungen in Kristallgrößen ableiten, eine Methode, die leicht durch das Vorhandensein anderer Elemente wie Silizium und Sauerstoff verfälscht werden kann.

Die feurigen Anfänge der Erde nachstellen

Um dieses Problem anzugehen, rekonstruierten die Autorinnen und Autoren die Bedingungen der frühen Erde, indem sie winzige Proben in Diamantstempelzellen zusammendrückten und erhitzten. Sie schichteten reines Eisen zwischen dünne Lagen wasserführenden, geschmolzenen Gesteins und bestrahlten die Probe dann mit leistungsstarken Lasern, wodurch Drücke von mehr als einer Million Atmosphären und Temperaturen über 5.000 Kelvin erreicht wurden. Unter diesen Bedingungen verhält sich Eisen wie ein metallischer Schmelze, während das umgebende Gestein ein Magma-Ozean bildet – ein experimentelles Pendant zur Entstehungsumgebung unseres Planeten. Während dieser kurzen, aber intensiven Erhitzungsphasen wanderten Wasserstoff, Silizium und Sauerstoff aus dem geschmolzenen Gestein in das geschmolzene Metall, genauso wie dies während der Kernbildung vor 4,5 Milliarden Jahren geschehen wäre.

Wasserstoff auf atomarer Skala sehen

Nach schnellem Abkühlen der Proben verwendeten die Forschenden eine fortschrittliche Technik, die als Atomsondentomographie bekannt ist. Sie formten das zurückgewonnene Metall zu nadelartigen Spitzen von nur wenigen Dutzend Nanometern Durchmesser und verdampften dann Atom für Atom von der Spitze, wobei sie Masse und Position maßen. So konnten sie dreidimensionale Karten der Chemie der Probe mit annähernd atomarer Auflösung erstellen. Sie entdeckten, dass beim Abkühlen des geschmolzenen Metalls Silizium und Sauerstoff in nanoskaligen Clustern innerhalb des Eisens zusammenliefen. Entscheidend war, dass diese Cluster auch große Mengen an Wasserstoff enthielten und winzige Bereiche hervorbrachten, die in allen drei Elementen angereichert waren. Die chemischen Signaturen zeigten, dass sich dieser Wasserstoff nicht durch Restgas im Instrument erklären ließ – er musste aus der experimentellen Probe selbst stammen.

Wie viel Wasserstoff passt in den Kern?

Da Wasserstoff und Silizium in diesen Clustern in annähernd gleichen molaren Mengen mit Sauerstoff verbunden waren, konnte das Team den Wasserstoffgehalt des Kerns unter Verwendung von Silizium als Proxy abschätzen. Im Gegensatz zu Wasserstoff ist der Siliziumgehalt im Erdkern durch geophysikalische Modelle und Experimente vergleichsweise gut eingegrenzt und liegt etwa zwischen 2 und 10 Gewichtsprozent. Unter Annahme des in den Experimenten beobachteten ungefähr eins-zu-eins-Verhältnisses von Wasserstoff zu Silizium folgern die Autorinnen und Autoren, dass der Erdkern wahrscheinlich zwischen 0,07 und 0,36 Gewichtsprozent Wasserstoff enthält. Anschaulicher ausgedrückt entspricht das etwa dem Neun- bis 45-fachen der Wassermenge, die derzeit in den Ozeanen der Erde vorhanden ist.

Was das für die Geschichte des Wassers auf der Erde bedeutet

Diese Ergebnisse stützen ein Bild, in dem die Erde einen Großteil ihres Wassers während der Hauptphasen des planetaren Wachstums gewonnen hat, statt sich vorwiegend auf spät eintreffende eisige Körper zu verlassen. Wenn der Kern Dutzende von Ozeanen an Wasserstoff beherbergt, könnte der gesamte Erdkörper, gerechnet aus Oberfläche, Mantel und Kern zusammen, nahe 1 Gewichtsprozent Wasser enthalten. Im Laufe geologischer Zeit könnte ein Teil dieses tiefen Wasserstoffs, gebunden in silizium- und sauerstoffreichen Phasen, wieder in den Mantel freigesetzt werden und möglicherweise vulkanische Aktivität sowie den langfristigen Wasserkreislauf beeinflussen. Für Nichtfachleute ist die Kernidee einfach: Unser scheinbar vertrauter blauer Planet könnte in seinem metallischen Inneren eine riesige, uralte Ozeanmenge an Wasserstoff verbergen und damit unser Verständnis darüber, woher das Wasser der Erde stammt und wie es durch das tiefe Innere zirkuliert, verändern.

Zitation: Huang, D., Murakami, M., Gerstl, S. et al. Experimental quantification of hydrogen content in the Earth’s core. Nat Commun 17, 1211 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68821-6

Schlüsselwörter: Wasserstoff im Erdkern, tiefes Erdwasser, planetare Akkretion, Metall-Silikat-Partionierung, Atomsondentomographie