Super-Erden: Flüssiges Magnesiumoxid könnte Dynamo antreiben

Magnesiumoxid ist ein wichtiger Bestandteil der Mäntel erdähnlicher, felsiger Planeten. Unter gemäßigten Bedingungen wie etwa auf der Erde ist das Mineral ein fester kristalliner Stoff und ein elektrischer Isolator. Wie Laborexperimente amerikanischer Forscher zeigen, wird es unter den extremen Bedingungen, wie sie vermutlich im Mantel von Super-Erden herrschen, zu einer elektrisch leitenden Flüssigkeit. Das flüssige MgO könnte demnach eine wichtige Rolle bei der Erzeugung und Aufrechterhaltung von Magnetfeldern bei Planeten spielen.

Mithilfe multipler Laserpulse haben Steward McWilliams von der Carnegie Institution of Washington und seine Kollegen Proben aus Magnesiumoxid innerhalb einer milliardstel Sekunde auf eine Temperatur von bis zu 50.000 Kelvin erhitzt. Die dabei entstehen Stoßwellen erzeugten im Innern der Proben Drücke zwischen 0,3 und 1,4 Terapascal. Aus Messungen des Zusammenhangs zwischen Temperatur und Druck, sowie des Reflexionsvermögens konnten die Forscher Informationen über die Struktur und das elektrische Leitvermögen des Magnesiumoxids ableiten.

Bei einem Druck von 0,36 TPa stießen die Forscher auf einen ersten Phasenübergang, bei dem sich die Kristallstruktur des Minerals ändert. Da sich dabei das Volumen um bis zu sieben Prozent vergrößert und eine große Menge an latenter Wärme frei wird, könnte dieser Übergang die interne Struktur und Dynamik, sowie den Zusammenhang zwischen Masse und Radius der Planeten beeinflussen, so McWilliams und seine Kollegen.

Bei 0,6 TPa kommt es dann zu einem zweiten, gravierenderen Phasenübergang: Das bis dahin kristalline Magnesiumoxid schmilzt und wird zu einer metallischen, elektrisch leitenden Flüssigkeit. Die Experimente zeigten also eine Verwischung der traditionellen Definitionen von planetarischem Mantel- und Kern-Material. Flüssige Oxide könnten als geschmolzene Bestandteile des Mantels angesehen werden – oder als elektrisch leitende Bestandteile des Kerns.

Das flüssige, elektrisch leitende Magnesiumoxid könnte dann über den Dynamo-Effekt eine wichtige Rolle bei der Erzeugung und Aufrechterhaltung eines Magnetfeldes bei Super-Erden spielen. Als Super-Erden bezeichnen Astronomen erdähnliche, felsige Planeten mit der doppelten bis zehnfachen Masse der Erde.

Im Mantel der Erde ist der Druck mit maximal 0,13 TPa zu klein, um zu einer substanziellen elektrischen Leitfähigkeit von Magnesiumoxid zu führen. McWilliams und seine Kollegen halten es trotzdem für möglich, das die Erde in ihrer Entstehungsphase, als sie noch von Magmaozeanen bedeckt war, durch diesen Phasenübergang ein kurzlebiges Magnetfeld aufbauen konnte. Der Effekt könnte auch die Existenz früherer Magnetfelder beim Mond und beim Mars erklären, wie sie sich aus dem Restmagnetismus der Kruste dieser Himmelskörper ableiten lassen.

Rainer Kayser

OD