Vor achtzig Jahren, am 16. Juli 1945 um 5:29 Uhr morgens, wurde im US-Bundesstaat New Mexico ein schreckliches Kapitel der Geschichte geschrieben.
Die Stille der Morgendämmerung wurde jäh zerrissen, als die US-Armee einen Plutonium-Implosionssprengsatz mit der Bezeichnung „Gadget“ zündete. Der weltweit erste Test einer Atombombe, der Trinity-Test, sollte die Kriegsführung für immer verändern.
Die Explosion setzte Energie frei, die 21 Kilotonnen TNT entsprach. Sie verdampfte den 30 Meter hohen Testturm sowie kilometerlange Kupferkabel, die ihn mit den Aufzeichnungsgeräten verbanden. Der Feuerball verschmolz Turm und Kupfer mit dem Asphalt und dem Wüstensand darunter zu grünem Glas – einem neuen Mineral namens Trinitit.
Jahrzehnte später entdeckten Forschende in einem Stück dieses Trinitits ein verborgenes Geheimnis: eine seltene Materieform, einen Quasikristall, die lange Zeit als unmöglich galt.
Quasikristalle entstehen unter extremen Bedingungen
„Quasikristalle bilden sich in extremen Umgebungen, die auf der Erde nur selten vorkommen“, erklärte der Geophysiker Terry Wallace vom Los Alamos National Laboratory im Jahr 2021.
„Sie benötigen ein traumatisches Ereignis mit extremen Erschütterungen, Temperaturen und Drücken. Normalerweise beobachten wir so etwas nicht – außer bei etwas so Dramatischem wie einer Nuklearexplosion.“
Die meisten Kristalle – vom einfachen Speisesalz bis zu den härtesten Diamanten – folgen demselben Prinzip: Ihre Atome sind in einer Gitterstruktur angeordnet, die sich im dreidimensionalen Raum wiederholt. Quasikristalle verletzen diese Regel, denn das Muster ihrer Atomanordnung wiederholt sich nicht.
Als das Konzept 1984 erstmals in der Wissenschaft auftauchte, erschien es undenkbar: Kristalle galten entweder als geordnet oder als ungeordnet, ohne Zwischenstufe. Später wurden sie jedoch tatsächlich nachgewiesen – sowohl im Labor hergestellt als auch in der Natur. Sie fanden sich tief im Inneren von Meteoriten, wo sie durch thermodynamische Schocks bei Ereignissen wie einem Einschlag mit extrem hoher Geschwindigkeit entstanden waren.
Da für die Bildung von Quasikristallen extreme Bedingungen nötig sind, beschloss ein Forschungsteam unter Leitung des Geologen Luca Bindi von der Universität Florenz in Italien, Trinitit genauer zu untersuchen.
Allerdings nicht das grüne Material. Obwohl sie selten sind, wurden mittlerweile genügend Quasikristalle gefunden, um zu wissen, dass sie häufig Metalle enthalten. Das Team suchte daher nach einer wesentlich selteneren Variante des Minerals: rotem Trinitit, dessen Farbe von den darin eingeschlossenen verdampften Kupferkabeln stammt.
Roter Trinitit vom Trinity-Test liefert den Fund
Mithilfe von Verfahren wie Rasterelektronenmikroskopie und Röntgenbeugung untersuchten die Forschenden sechs kleine Proben roten Trinitits. Schließlich fanden sie in einer Probe einen winzigen, zwanzigflächigen Kristall aus Silizium, Kupfer, Kalzium und Eisen. Er besaß eine fünfzählige Rotationssymmetrie, die bei herkömmlichen Kristallen unmöglich ist – eine „unbeabsichtigte Folge“ der Kriegsführung.
„Dieser Quasikristall ist in seiner Komplexität großartig – doch bislang kann uns niemand sagen, warum er auf diese Weise entstanden ist“, sagte Wallace 2021, als die Ergebnisse des Teams veröffentlicht wurden.
„Doch eines Tages wird ein Wissenschaftler oder Ingenieur das herausfinden; dann werden uns die Schuppen von den Augen fallen, und wir werden eine thermodynamische Erklärung für seine Entstehung haben. Dann können wir dieses Wissen hoffentlich nutzen, um Nuklearexplosionen besser zu verstehen und letztlich ein vollständigeres Bild davon zu erhalten, was ein Atomtest bedeutet.“
Der Fund gilt als ältester bekannter anthropogener Quasikristall. Er deutet zudem darauf hin, dass es weitere natürliche Wege zur Bildung von Quasikristallen geben könnte. So könnten sowohl Fulgurite aus durch Blitzeinschläge geschmolzenem Sand als auch Material von Meteoriteneinschlagsorten Quellen für Quasikristalle in der Natur sein.
Die Studie könnte außerdem dazu beitragen, unerlaubte Atomtests besser zu verstehen – mit dem langfristigen Ziel, die Verbreitung von Atomwaffen einzudämmen. Untersuchungen der an weiteren Atomtestgeländen entstandenen Minerale könnten zusätzliche Quasikristalle aufdecken. Deren thermodynamische Eigenschaften könnten sich als Werkzeug der nuklearen Forensik erweisen.
„Um die Atomwaffen anderer Länder zu verstehen, müssen wir ihre Atomtestprogramme genau kennen“, sagte Wallace.
„Wir analysieren üblicherweise radioaktive Rückstände und Gase, um zu ermitteln, wie die Waffen gebaut wurden oder welche Materialien sie enthielten. Doch diese Signaturen zerfallen. Ein Quasikristall, der am Ort einer nuklearen Explosion entsteht, kann möglicherweise neue Arten von Informationen liefern – und er wird für immer bestehen bleiben.“
Die Studie wurde in PNAS veröffentlicht.
Eine frühere Fassung dieses Artikels erschien im Mai 2021.
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