Kernreaktor Erde

Antineutrinos liefern den Beweis für eine radioaktive Aufheizung des Erdinneren.

Kamioka (Japan) - Glühend heiß wälzen sich flüssige Gesteine durch das Erdinnere. Auf rund 4000 Grad Celsius schätzen Geophysiker die Temperaturen im Erdkern. Ein internationales Forscherteam entdeckten nun den ersten direkten Beweis für diese Hitzequelle: In einem gigantischen Kernreaktor zerfallen radioaktive Elemente. Bei dieser Reaktion wird nicht nur mindestens 20 Terawatt Hitze freigesetzt, es entstehen auch fast masselose Teilchen. Diese so genannten Antineutrinos konnten die Geophysiker nun erstmals in einem Teilchendetektor im japanischen Kamioka nachweisen. Über ihr Ergebnis berichtet die Arbeitsgruppe im Fachblatt "Nature".

"Wir haben zum allerersten Mal die Radioaktivität der gesamten Erde gemessen", sagt Teamleiter John Learned von der University of Hawaii in Manoa. Möglich wurde dies durch den KamLand-Detektor (Kamioka Liquid-scintillator Anti-Neutrino Detector), der in einer alten Mine im Berg Ikenoyama rund einen Kilometer unter der Erdoberfläche speziell für den Nachweis der Antineutrinos aus dem Reaktor im Erdinneren konzipiert wurde. Kern des Nachweisgeräts ist ein riesiger Tank mit 13 Meter Durchmesser. Darin befinden sich etwa 1000 Tonnen eines speziellen Mineralöls, das am besten für eine Wechselwirkung Antineutrino-Proton geeignet ist.

Die linke Hälfte zeigt die Verteilung der Geoneutrinoerzeugung, wie sie durch den KamLAND-Detektor gemessen wurde. Die rechte Hälfte zeigt die Struktur der Erde. (Quelle: Stanford University)

"Dieser Szintillator ist im wesentlichen eine Mischung aus Babyöl und Benzol", erklärt Georgio Gratta von der am KamLand beteiligten Stanford University. Zu diesem Cocktail werde ein wenig fluoreszierendes Material gemischt. Trifft nun ein Antineutrino aus dem Beta-Zerfall von Uran-238 oder Thorium-232 auf ein Proton in diesem Tank, so werden ein Neutron und ein Positron gebildet. Der Lichtblitz bei der folgenden Elektron-Positron Annihilation kann von dem Ensemble aus etwa 2000 Lichtsensoren, hochempfindlichen Photomultipliern, nachgewiesen werden. Diese umspannen den gesamten Tank. Sensibel ist KamLand bisher nur auf Antineutrinos mit einer Energie von über 1,8 Megaelektronenvolt. So kann der Beta-Zerfall von Uran und Thorium, nicht aber der von Kalium (Antineutrino-Energie ~ 1,6 MeV) nachgewiesen werden.

Jede Sekunde rasen nun über 16 Millionen dieser "Geoneutrinos" durch jeden Quadratzentimeter der Erdoberfläche, doch lassen sie sich nur sehr schwer nachweisen. Fast masselos und ladungsneutral reagieren sie nur ausgesprochen selten mit den Protonen im Öltank. Innerhalb von zwei Jahren konnten die Forscher gerade 152 Kollisionen mit dem darauf folgenden, extrem schwachen Lichtblitz nachweisen. Doch nur bei etwa 25 dieser Kollisionen sind sich die Forscher sicher, dass es tatsächlich um die lange gesuchten Geoneutrinos handelte. Die restlichen Fehlsignale führen sie vor allem auf Partikel aus den irdischen Kernkraftwerken zurück. Insgesamt scheint das allzu wenig, aber es reicht aus, um als Beweis für den gigantischen Kernreaktor in der Erde zu dienen.

"Diese erste Entdeckung von Geoneutrinos, die ihren Ursprung tief unter unseren Füßen haben, ist ein bahnbrechendes Ergebnis", sagt William F. McDonough, Geologe von der University of Maryland. Damit könne erstmals die Leistungsfähigkeit des "Kernreaktors Erde" abgeschätzt werden. Die mindestens 25 Terawatt Hitze entsprechen dabei etwa der Energie, die über 25.000 moderne Kernkraftwerke liefern könnten.

Die Bedeutung dieser Entdeckung könne nach Meinung von Experten kaum überschätzt werden. Denn damit lässt sich der Löwenanteil der Heizkraft im Erdinneren erklären. Diese Hitzequelle dient quasi als Motor für alle Bewegungen der Erdkruste, von der Verschiebung der Kontinente bis zum Erdbeben. Wie das heiße Wachs in einer Lavalampe treiben die aufgeheizten Gesteinsmassen im Erdmantel nach oben. Abgekühlt driften sie wieder gen Erdinneres und bilden dabei mächtige, so genannte Konvektionszellen. Auf diesen schwimmen quasi die Platten der Kontinente und Ozeane.

Ausgehend von diesem ersten erfolgreichen Nachweis wollen die KamLand -Forscher nun weiter nach Geoneutrinos suchen. Ziel ist es, den genauen Ursprung der Teilchen, sei es aus dem Zerfall von Elementen wie Uran oder Thorium, zu entschlüsseln. Ab 2006 wird auch ein zweiter Detektor im italinienischen Gran Sasso Massiv, der Borexino, seine Suche nach Geoneutrinos starten. Damit ließe sich die gesamte Erde auch ähnlich wie ein Patient bei einer Röntgenuntersuchen durchleuchten. "Wir sind auf dem Weg, Neutrino-Tomographie von der gesamten Erde zu machen", sagt Learned. "Das ist nun der allererste Schritt."

Jan Oliver Löfken

Weiterre Infos:

• Originalveröffentlichung:
  T. Araki et al.,Experimental investigation of geologically produced antineutrinos with KamLAND, Nature 436, 499 (2005). 
• Kommentar: 
  W.F. McDonough, Ghosts from within, Nature 436, 467 (2005). 
• KamLand Detektor: 
  http://www.awa.tohoku.ac.jp/html/KamLAND/ 
• KamLandGruppe an der Stanford University: http://hep.stanford.edu/neutrino/KamLAND/KamLAND.html 
• KamLAND Bildergalerie:
  http://kamland.stanford.edu/Pictures/Pictures.html 
• Borexino, Gran Sasso: 
  http://borex.lngs.infn.it 
• Spezielle Dokumente und Informationen zum Thema KamLAND finden Sie ganz einfach mit der Findemaschine, z. B. in der Kategorie Teilchenphysik.

Weitere Literatur:

• Araki, T. et al., Measurement of neutrino oscillation with KamLAND: Evidence of spectral distortion. Phys. Rev. Lett. 94, 081801 (2005). 
• Eder, G., Terrestrial neutrinos. Nucl. Phys. 78, 657–662 (1966). 
• Marx, G., Geophysics by neutrinos. Czech. J. Phys. B 19, 1471–1479 (1969). 
• Tolich, N., Experimental Study of Terrestrial Electron Anti-neutrinos with KamLAND Thesis, Stanford Univ. (2005)
  http://www.awa.tohoku.ac.jp/KamLAND/publications/Nikolai_thesis.pdf 
• KamLAND collaboration. Data release accompanying the 2nd KamLAND reactor result (2005).:
  http://www.awa.tohoku.ac.jp/KamLAND/datarelease/2ndresult.html