Trinity-Test: Neuer Kristall im roten Trinitit entdeckt

Nicht immer lässt sich der genaue Augenblick bestimmen, in dem sich die Welt verändert.

Als jedoch am 16. Juli 1945 um 5:29 Uhr die Morgendämmerung über New Mexico aufgerissen wurde, markierte dies zweifellos einen Wendepunkt der Menschheitsgeschichte.

Dabei handelte es sich um den Trinity-Test der US-Armee: die Zündung einer Plutonium-Implosionsvorrichtung namens Gadget – den weltweit ersten Test einer Atombombe. Mehr als 80 Jahre später entdecken Forschende noch immer die Folgen, die dieses Ereignis hinterlassen hat.

In einem Mineral, das in der Gewalt der ersten gezielt ausgelösten Nuklearexplosion entstand, haben Wissenschaftler nun einen Kristall nachgewiesen, der unter gewöhnlicheren Bedingungen auf der Erde nicht existieren könnte.

„Extreme, kurzzeitige Bedingungen durch nukleare Detonationen können Festkörperphasen erzeugen, die mit konventionellen Synthesemethoden nicht zugänglich sind“, schreibt ein Team um den Geologen Luca Bindi von der Universität Florenz in Italien.

„Wir berichten über die Entdeckung eines bislang unbekannten Calcium-Kupfer-Silikat-Clathrats vom Typ I, das während des Trinity-Nukleartests von 1945 entstand; es ist das erste kristallographisch bestätigte Clathrat, das unter den Produkten einer Nuklearexplosion identifiziert wurde.“

Der Trinity-Test und die Entstehung von Trinitit

Die Explosion selbst war für einen derart verheerenden historischen Moment erwartungsgemäß spektakulär.

Ihre Energiefreisetzung entsprach 21 Kilotonnen TNT. Der 30 Meter (98 Fuß) hohe Testturm sowie die ihn umgebende Kupferinfrastruktur wurden verdampft, darunter Kabel und Instrumente zur Aufzeichnung der Explosion.

Der Feuerball verschmolz den Turm und das Kupfer mit Asphalt und Wüstensand, die in die Pilzwolke gerissen wurden. Daraus entstand ein glasartiges, zuvor unbekanntes Material, das später Trinitit genannt wurde.

Gerade in diesem Material sind Forschende auf ungewöhnliche Strukturen gestoßen. Bindi und seine Kollegen entdeckten 2021 in der seltenen roten Form des Trinitits einen unerwarteten Quasikristall. Er enthält Metall vom Turm, den Kabeln und den Aufzeichnungsinstrumenten – und diese Materialvariante hat nun eine weitere Überraschung geliefert.

Ein seltenes Clathrat im roten Trinitit

Direkt neben dem Quasikristall stieß das Team auf ein Clathrat. Diese Kristallstruktur besteht aus Atomen, die ein käfigartiges Gitter bilden und andere Atome in ihrem Inneren einschließen können.

Der Begriff Kristall beschreibt die Anordnung von Atomen in bestimmten Materialien; die meisten Kristalle entstehen unter stabilen Bedingungen. Anorganische Clathrate sind besonders, weil ihre Bildung äußerst spezifische Voraussetzungen erfordert und sie in der Natur nur selten vorkommen.

Einige dieser Voraussetzungen waren während der Trinity-Explosion kurzzeitig erfüllt: extremer Schock, Temperaturen von mehr als 1.500 Grad Celsius (etwa 2.730 Grad Fahrenheit) sowie Drücke von 5 bis 8 Gigapascal, die anschließend rasch abfielen.

Durch diesen schnellen Wandel und die anschließende rasche Abkühlung konnten sich Atome im Trinitit zu ungewöhnlichen Konfigurationen zusammensetzen und darin fixiert werden. So entstanden Strukturen, die sich andernfalls nicht bilden könnten.

Das Material ist im Grunde ein eingefrorener Moment: Es bewahrt eine mineralogische Momentaufnahme der kurzzeitigen Temperatur- und Druckverhältnisse während der Detonation und stellt damit einen wertvollen Fundus für Wissenschaftler dar.

Untersuchungen des roten Trinitits hatten bereits mehrere ungewöhnliche Phasen zutage gefördert – bei einer solchen Analyse erschien auch das Clathrat.

Mithilfe von Röntgenbeugung untersuchten die Forschenden eine Probe roten Trinitits und identifizierten darin einen kupferreichen eingeschlossenen Tropfen.

Weitere Analysen zeigten eine ungewöhnliche atomare Anordnung: ein kubisches Clathrat vom Typ 1, bei dem „Käfige“ aus Siliziumatomen jeweils einzelne Calcium-Atome einschließen; außerdem sind Spuren von Kupfer und Eisen vorhanden.

Es ist das erste Clathrat, das jemals in den Produkten einer Nuklearexplosion gefunden wurde.

Quasikristall und Clathrat entstanden unabhängig

An dieser Stelle wird es jedoch merkwürdig: Da jene Bedingungen, unter denen Clathrate entstehen, auch die Bildung von Quasikristallen begünstigen und beide Strukturen ähnliche Zusammensetzungen aufwiesen, vermuteten Bindi und seine Kollegen einen Zusammenhang.

Sie nutzten mathematische Modellierungen, um zu prüfen, ob der Quasikristall aus dem Clathrat hervorgegangen sein könnte. Die Ergebnisse deuteten jedoch klar darauf hin, dass dieser Bildungsweg zwar grundsätzlich möglich ist, die Kupferkonzentration in diesem speziellen Fall aber zu hoch war.

Damit entstanden zwei sehr unterschiedliche Kristallphasen aus denselben Materialien unter denselben extremen Bedingungen unabhängig voneinander in derselben Probe.

„Diese Ergebnisse schließen eine einfache, auf Clathraten basierende strukturelle Interpretation des Trinity-Quasikristalls aus und unterstreichen die eigenständige Natur siliziumreicher Phasen, die unter extremen Bedingungen entstehen“, schreiben die Forschenden.

Solche Untersuchungen können Wissenschaftlern helfen, die Auswirkungen von Nukleartests besser zu verstehen. Sie könnten zudem neue forensische Werkzeuge für die Untersuchung von Orten liefern, an denen solche Explosionen stattgefunden haben.

Allgemeiner halten die Forschenden fest: „Diese Arbeit verdeutlicht, wie seltene, energiereiche Ereignisse – etwa nukleare Detonationen, Blitzeinschläge und Einschläge mit Hypergeschwindigkeit – als natürliche Labore für die Entstehung unerwarteter kristalliner Materie dienen und strukturelle Modelle, die über die Möglichkeiten konventioneller Synthese hinausgehen, kritisch prüfen und eingrenzen können.“

Die Ergebnisse wurden in den Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht.