Eigentlich ging es dem Forschungsteam mit Teilnehmenden aus dem Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), der École polytechnique in Paris und der Uni Rostock darum, zu verstehen, was sich in der Atmosphäre von Eisplaneten wie dem Neptun oder dem Uranus abspielt.
Wie funktioniert die Atmosphäre von Eisplaneten
Vermutet wird, dass es in den dortigen Atmosphären sogar Diamanten regnen könnte. Fraglich ist, wie das geschehen kann. Forschende arbeiten bereits seit Jahren an der Konzeption von Laborexperimenten zur Erklärung dieses Phänomens.
Wie sie nun feststellen konnten, hatten sie bis dato schlicht nicht das optimale Ausgangsmaterial genutzt hatten. Bislang waren derlei Experimente mit Folien aus Kohlenwasserstoff gemacht worden, wie Dominik Kraus vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) erläutert.
Das habe bereits funktioniert, so Kraus. Unter dem durch den Laserbeschuss entstehenden Extremdruck hätten sich bereits winzige Diamanten, sogenannte Nanodiamanten, herstellen lassen.
Allerdings habe sich in jüngeren Experimenten gezeigt, dass die Produktion viel effektiver zu steuern ist, wenn zu Kohlen- und Wasserstoff auch noch Sauerstoff hinzukomme. Das sei immerhin auch in den Atmosphären der großen Eisriesen so.
PET mit entscheidendem Vorteil: Sauerstoff
Auf der Suche nach einem geeigneten Material stießen die Forschenden auf PET, den Stoff, aus dem vor allem Einwegflaschen sind. Polyethylenterephtalat (PET) ist ein thermoplastischer Polyester, in dem „Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff in einem guten Verhältnis vorliegen, um die Geschehnisse in Eisplaneten zu simulieren“, erläutert Kraus weiter.
Nun bauten sie eine Versuchsanordnung auf, bei der eine 100 Mikrometer dünne PET-Folie mit einem Laserimpuls beschossen wurde. Der Beschuss erhitzte die Folie auf knapp 6.000 Grad Celsius, was sie einem Druck von etwa 100 Gigapascal aussetzte.
Tatsächlich zeigte sich, dass unter dem Einfluss von Sauerstoff die Trennung von Kohlenstoff und Wasserstoff beschleunigt und damit die Entstehung der Nanodiamanten gefördert wurde. Der sehr kurzzeitige und sehr hohe Druck schoss die Nanodiamanten regelrecht aus der Folie.
Nanodiamanten schon jetzt im Einsatz
Neben dem Umstand, dass die Forschenden mit ihren Experimenten immer mehr planetaren Geheimnissen auf die Spur kommen, hat die Entdeckung einen ganz praktischen Nutzen. Schließlich werden Nanodiamanten schon jetzt künstlich hergestellt.
Das funktioniert allerdings nach einer recht brachialen Methode. Man nehme ein Bündel Kohlenstoff oder gleich Diamant und jage es mit Sprengstoff in die Luft. Die Kräfte zerfetzen die Teilchen und liefern eine kaum zu kontrollierende Stückelung unterschiedlichster Formen und Größen.
Das eignet sich nur für Schleif- und Poliermittel mit einem geringen Präzisionsanspruch. Das neue Verfahren hingegen würde eine sehr viel saubere und sehr viel präzise Produktion von Nanodiamanten erlauben.
Neues Verfahren erlaubt qualitativ höherwertige Nanodiamanten
Auftraggebende könnten sogar Vorgaben hinsichtlich Größe und Form machen und eine Laserproduktionsstraße könnte diese Vorgaben problemlos umsetzen. Das Forschendenteam hat einen Vorgang konzipiert, bei dem ein Hochleistungslaser zehnmal pro Sekunde auf eine durchlaufende PET-Folie strahlt. Dabei würden die Nanodiamanten aus der Folie herausgeschossen und in einem Auffangbecken abgebremst und herausgefiltert.
Damit könnten Nanodiamanten künftig auch gezielt für Quantensensoren, als medizinische Kontrastmittel oder als Reaktionsbeschleuniger zur Spaltung von Kohlendioxid hergestellt und entsprechend eingesetzt werden.
Die Ergebnisse ihrer Studie haben die Forschenden jüngst auf Science Advances veröffentlicht.
