Wie bildet sich Wasserstoff im Weltraum?

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Staubpartikel wirken als Katalysator bei der Bildung von Wasserstoffmolekülen.

Tunneleffekte sind in der Physik und der Chemie hinreichend bekannte Phänomene. Dabei durchdringt ein quantenmechanisches Teilchen eine Barriere, die höher als seine eigene Energie ist. Ohne Tunneleffekt würde es von der Barriere zurückgeworfen. Verantwortlich ist das Tunneln unter anderem für den Zerfall von Atomen. Dass der quantenmechanische Effekt auch zur Bildung von Wasserstoffmolekülen im Weltraum entscheidend beiträgt, hat jetzt Johannes Kästner vom Institut für Theoretische Chemie der Universität Stuttgart mit seinem niederländischen Kollegen Theodorus P. M. Goumans belegt.

„Den Wasserstoffatomen gelingt es bei den niedrigen Temperaturen, die im interstellaren Medium vorherrschen, durch eine Energiebarriere zu tunneln. Mit anderen Worten: Mit Hilfe des Tunneleffekts überwinden sie die letzte Hürde, die der Molekülbildung entgegensteht“, erklärt Kästner den Vorgang. Als Katalysator bei der Bildung der H₂-Moleküle fungieren dabei feinste Staubpartikel. „Die Wasserstoffatome lagern sich zunächst an aromatischen Kohlenwasserstoffen an, bevor sie sich mit Hilfe der Tunneleffekte zu Molekülen zusammenschließen“, beschreibt der Forscher die von ihm untersuchte Reaktion.

Bestätigen konnten Kästner und sein Forschungspartner den Effekt mithilfe von Computersimulationen, wie sie im Exzellenzcluster SimTech auf vielfältige Weise eingesetzt werden. Kästner: „Die Temperaturen und Zeitskalen, die im interstellaren Raum vorherrschen, lassen sich experimentell nicht ausreichend nachbilden. So ist es in diesem Fall unumgänglich, auf Simulationen zurückzugreifen. Die notwendige Rechenleistung zur Durchführung dieser komplexen Simulationen ist erst seit kurzem zugänglich.“ So erklärt sich auch, dass, obwohl die zugrunde liegende Methode schon seit Mitte der 1960er Jahre existiert, bisher nicht hinreichend verifiziert werden konnte, wie die Anlagerung der Wasserstoffatome vor sich geht.

Von seinem Forschungsausflug in den Bereich der Kosmologie erhofft sich der Wissenschaftler vor allem methodische Impulse für die Arbeit in seinem eigentlichen Fachgebiet, der Biochemie. „Bei der Erforschung von Enzymen haben wir es nicht wie hier mit 13, sondern gleich mit mehreren Tausend Atomen zu tun“, sagt Kästner. Allerdings ist er zuversichtlich, mit der eingesetzten Methodik auch in seinem Spezialbereich wichtige Fortschritte in der Grundlagenforschung zu erzielen.

Universität Stuttgart/AL