Hochdrucksynthese von U2[CO3]3 und U[CO3]2 als mögliche Wirtsphasen für Uran im Erdmantel

Verborgene Wärme tief im Erdinneren

Ein großer Teil der inneren Wärme der Erde stammt aus dem langsamen radioaktiven Zerfall von Elementen wie Uran. Diese Wärme treibt die Plattentektonik an, speist Vulkane und formt den Planeten über Milliarden von Jahren. Dennoch wissen Wissenschaftler noch nicht genau, wo und in welcher Form Uran tief im Mantel gespeichert ist. Diese Studie untersucht eine unerwartete Möglichkeit: dass bestimmte kohlenstoffreiche Gesteine weit unter unseren Füßen Uran in speziellen, kohlenstoffbasierten Mineralen verbergen könnten, was hilft zu erklären, wie Wärme erzeugt wird und wie sich Elemente im Inneren der Erde bewegen.

Warum Urans Verbleib im Tiefen wichtig ist

Messungen von kaum wahrnehmbaren Teilchen, sogenannten Geoneutrinos, zeigen, dass Uran einen großen Anteil an der inneren Wärme der Erde liefert. In der Nähe der Oberfläche kommt Uran in einer Reihe von Mineralen vor, oft gebunden an Sauerstoff in bekannten Formen wie Uraninit und Uranylcarbonaten. Der Mantel — die riesige Gesteinsschicht zwischen Kruste und Kern — ist jedoch anders. Die häufigsten Mantelmineralien nehmen nicht leicht viel Uran auf, daher muss es andere, ungewöhnlichere Wirtsphasen geben. Gleichzeitig wissen wir aus Diamanten und Hochdruckexperimenten, dass Teile des tiefen Mantels überraschend kohlenstoffreich sein können. Das wirft eine zentrale Frage auf: Könnten Karbonatminerale, die aus Kohlenstoff- und Sauerstoffgruppen aufgebaut sind, Uran unter den gewaltigen Drücken und hohen Temperaturen, wie sie Hunderte Kilometer unter der Oberfläche herrschen, binden?

Das Erdinnere im Labor nachbilden

Um diese Idee zu testen, rekonstruierten die Forschenden Bedingungen wie in der sogenannten Übergangszone des Erdmantels, etwa 600 Kilometer unter der Oberfläche. Sie verwendeten eine Diamantstempelzelle, die eine winzige Probe zwischen zwei Diamanten zusammendrückt, um Drücke von rund 20 Gigapascal zu erreichen — mehr als 200.000 Mal den Atmosphärendruck. Sie setzten einen kleinen Kristall aus Uran(IV)-oxid, einem verbreiteten Uranoxid, in diese Miniaturdruckkammer und umgaben ihn mit festem Kohlendioxid. Anschließend erhitzten sie die Probe mit einem Laser auf etwa 1.800 Kelvin, eine Temperatur, wie sie in diesem Mantelbereich zu erwarten ist. Während und nach dem Erhitzen untersuchten sie die Probe mit Raman-Spektroskopie, die misst, wie Licht mit atomaren Schwingungen wechselwirkt, und mit leistungsstarken Synchrotron-Röntgenstrahlen, die die atomare Anordnung neu entstandener Kristalle enthüllen können.

Entdeckung neuer Urantragender Minerale

Die Experimente zeigten, dass Uran(IV)-oxid mit komprimiertem Kohlendioxid reagierte und zwei völlig neue Urancarbonate bildete, beide wasserfrei in ihrer Struktur. Eine Verbindung, bezeichnet als U2[CO3]3, enthält Uran in einem relativ niedrigen Ladungszustand (häufig als „trivalent“ beschrieben), während das andere, U[CO3]2, Uran in einem etwas höheren Ladungszustand („tetravalent“) beherbergt. In beiden Mineralen bilden Kohlenstoff und Sauerstoff flache, dreieckige Gruppen, die in unterschiedlichen Weisen gestapelt und verknüpft sind, wobei Uranatome in unregelmäßigen Käfigen aus Sauerstoffatomen eingebettet sind. Mithilfe von Synchrotron-Röntgenbeugung bestimmte das Team die detaillierte dreidimensionale Anordnung der Atome jeder Verbindung. Anschließend nutzten sie fortgeschrittene Computerberechnungen auf Basis der Quantenmechanik, um zu bestätigen, dass diese Anordnungen stabil sind, und um zu untersuchen, wie kompressibel die neuen Minerale unter Druck sind.

Was die atomaren Strukturen verraten

Die Strukturdaten und Berechnungen zeigen, dass sich diese neuen Urancarbonate ähnlich verhalten wie andere Hochdruckcarbonate, die häufiger vorkommende Metalle wie Kalzium oder Strontium enthalten. Die Abstände zwischen Uran- und Sauerstoffatomen und die Art, wie sich die Carbonatgruppen verknüpfen, sind konsistent mit starken, stabilen Bindungen selbst bei sehr hohen Drücken. Wichtig ist, dass Uran in reduzierten Formen vorliegt im Vergleich zu seinem üblichen hochgeladenen Zustand in oberflächennahen Uranylmineralen. Das passt zu den sauerstoffärmeren, „reduzierenden“ Bedingungen, die tiefer im Mantel zu erwarten sind. Die mechanischen Eigenschaften — also wie die Kristalle sich komprimieren — liegen ebenfalls im gleichen Bereich wie bei bekannten, mantelrelevanten Karbonaten, was darauf hindeutet, dass diese Phasen unter realistischen Bedingungen im Erdinneren überdauern könnten.

Was das für das Erdinnere bedeutet

Durch die Synthese und Charakterisierung dieser zwei neuen Urancarbonate zeigt die Studie, dass einfache, wasserfreie Karbonatminerale tatsächlich Uran bei den Drücken und Temperaturen des tiefen Mantels aufnehmen können, insbesondere in kohlenstoffreichen Regionen. Das liefert eine plausible Erklärung dafür, wo ein Teil des Urans der Erde liegen könnte, wenn tektonische Platten oberflächennahe Gesteine in die Tiefe transportieren. Werden Uranylcarbonate aus der Nähe der Oberfläche in den Mantel hinabgezogen, könnten sie sich in reduzierte Urancarbonate wie die hier entdeckten verwandeln und so radioaktive Elemente und deren Wärme weit unter unseren Füßen speichern. Zukünftige Untersuchungen zur Stabilität dieser Minerale im Zusammenspiel mit anderen Mantelgesteinen werden weiter klären, wie Uran im Erdinneren verteilt ist und welchen Beitrag es zum langfristigen thermischen Motor unseres Planeten leistet.

Zitation: Spahr, D., Bayarjargal, L., Bykova, E. et al. High-pressure synthesis of U₂[CO₃]₃ and U[CO₃]₂ as potential host phases for uranium in the Earth’s mantle. Commun Chem 9, 112 (2026). https://doi.org/10.1038/s42004-026-01911-0

Schlüsselwörter: Urankarbonate, Erdmantel, Hochdruckminerale, tiefer Kohlenstoffkreislauf, radiogene Wärme