Wasserstoff im Erdkern aus Neutronenabbildung und -beugung erschlossen

Ein verborgener Vorrat des leichtesten Elements der Erde

Wasserstoff ist vor allem als Hauptbestandteil von Wasser und der Sonne bekannt, doch diese Studie legt nahe, dass enorme Mengen davon tief im metallischen Inneren unseres Planeten eingeschlossen sein könnten. Indem die Autoren den intensiven Druck und die Hitze nachbilden, die weit unter der Erdoberfläche herrschen, und beobachten, wie sich Wasserstoff in geschmolzenem Eisen verhält, eröffnen sie ein neues Fenster darauf, woraus der Kern besteht und wie unser Planet entstand.

Warum der Erdkern scheinbar zu leicht ist

Seismische Wellen zeigen, dass der Erdkern weniger dicht ist als eine Kugel aus reinem Eisen und Nickel. Um diese „fehlende“ Masse zu erklären, haben Wissenschaftler vorgeschlagen, dass leichtere Elemente wie Silizium, Schwefel, Sauerstoff, Kohlenstoff und Wasserstoff im Kern vermischt sind. Wasserstoff ist ein besonders interessantes Kandidat, weil er im frühen Sonnensystem reichlich vorhanden war und sich bei sehr hohem Druck leicht in Eisen löst. Allerdings ist es schwierig gewesen zu messen, wie viel Wasserstoff tatsächlich in flüssiges Eisen gelangt, weil die unter Druck gebildeten Eisenhydride zerfallen, sobald sie wieder normalen Bedingungen ausgesetzt werden.

Wasserstoff in geschmolzenem Eisen beobachten

Die Forschenden gingen dieses Problem mit Neutronenstrahlen an — Teilchen, die Metall gut durchdringen, aber stark auf Wasserstoff reagieren. An einer leistungsstarken Neutronenquelle in Japan platzierten sie eine winzige Eisenprobe zusammen mit einem wasserstoffreichen Material in einer Mehramboss-Presse, die sie auf etwa 3–3,5 Gigapascal zusammendrückte und auf etwa 1400 Kelvin erhitzte, vergleichbar mit Bedingungen nahe der Basis eines frühen Magmaozeans der jungen Erde. Neutronenbeugung, die zeigt, wie Atome angeordnet sind, wies nach, wann sich das Eisen vom festen Kristall in einen vollständig geschmolzenen Zustand verwandelt. Neutronenabbildung, die aufzeichnet, wie stark die Probe Neutronen absorbiert, enthüllte, wie viel Wasserstoff in jeder Phase in das Eisen eingedrungen war.

Neutronenschatten in Zahlen übersetzen

Um die Neutronenbilder in Wasserstoffgehalte zu übersetzen, kalibrierte das Team zunächst, wie sich die Massabsorption von Neutronen änderte, wenn mehr Wasserstoff zu festem Eisen hinzugefügt wurde. Sie zeigten, dass die Absorption nahezu linear mit dem Wasserstoffanteil zunimmt, und konnten so eine einfache Umrechnungskurve erstellen. Für geschmolzenes Eisen ist die Dichte nicht direkt bekannt, weshalb sie ihre Messungen mit fortgeschrittenen Computersimulationen von flüssigem Eisenhydrid kombinierten, die Druck, Temperatur und Zusammensetzung mit der Dichte verknüpfen. Zusammengesetzt ergab dies die Schlussfolgerung, dass flüssiges Eisen bei 3,4 Gigapascal und 1400 Kelvin etwa 0,17 Gewichtsprozent Wasserstoff aufnehmen kann.

Von der Laborprobe zum planetaren Kern

Als Nächstes nutzten die Autoren eine angepasste Form eines klassischen Gesetzes, des Sievertschen Gesetzes, das verknüpft, wie viel Wasserstoff sich in Metall löst, mit dem umgebenden Wasserstoffdruck und der Temperatur. Gestützt auf ihr experimentelles Ergebnis berechneten sie, wie viel Wasserstoff geschmolzenes Eisen an der Basis eines tiefen Magmaozeans unter einer wasserstoffreichen frühen Atmosphäre aufnehmen konnte. Unter diesen günstigen Bedingungen schätzen sie, dass das kerngründende flüssige Eisen ungefähr 0,6 bis 0,7 Gewichtsprozent Wasserstoff enthalten haben könnte. Als sich der Kern später in eine flüssige äußere Hülle und eine feste innere Kugel aufspaltete, bevorzugte der Wasserstoff die flüssige Phase, sodass der äußere Kern wasserstoffreicher wäre als der innere Kern.

Was das für das tiefe Innere der Erde bedeutet

Mit Standardmodellen des Erdinneren übersetzen die Forschenden diese Prozentsätze in ein eindrückliches Budget: Der Kern könnte 72 bis 87 Mal so viel Wasserstoff speichern wie alle heutigen Ozeane zusammen. In ihrem Szenario würde der äußere Kern allein 70 bis 85 Ozean-Äquivalente an Wasserstoff enthalten, während der innere Kern einen kleineren, aber immer noch beträchtlichen Anteil aufweisen würde. Solche Mengen können mehr als die Hälfte des beobachteten Dichtedefizits des äußeren Kerns erklären, falls Wasserstoff das einzige leichte Element wäre. In Wirklichkeit sind dort sehr wahrscheinlich weitere Elemente neben dem Wasserstoff vorhanden, aber diese Arbeit zeigt, dass Wasserstoff nicht länger als Randerscheinung bei der Gestaltung der Struktur und Entwicklung der tiefsten Region der Erde betrachtet werden kann.

Ein neues Kapitel in der Geschichte der Entstehung der Erde

Für Nichtfachleute ist die Kernbotschaft, dass der Erdkern ein riesiger, verborgener Vorrat an Wasserstoff sein könnte, der mit dem Wasser an der Oberfläche konkurriert oder es übertrifft. Indem diese Studie Wasserstoff direkt in geschmolzenem Eisen unter realistischen Bedingungen misst, statt sich auf indirekte Hinweise zu verlassen, stärkt sie die Vorstellung, dass die wasserstoffreiche Atmosphäre und der geschmolzene Mantel der frühen Erde große Mengen des leichtesten Elements in den entstehenden Kern einspeisten. Dieser stille Vorrat an Wasserstoff beeinflusst den Planeten noch heute durch seine Wirkung auf Dichte, Dynamik und das magnetische Verhalten des Kerns.

Zitation: Takahashi, N., Sakamaki, T., Hattori, T. et al. Hydrogen in the Earth core inferred from neutron imaging and diffraction. Sci Rep 16, 14162 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-49969-z

Schlüsselwörter: Erdkern, Wasserstoff in Eisen, Neutronenexperimente, Magmaozean, Planetenbildung