Ein Bild von Uranus auf der linken Seite und Neptun auf der rechten Seite (Bildnachweis: Patrick Irwin)
In den Tiefen unseres Sonnensystems – einem Bereich, in dem Chemie auf Spekulationen trifft – haben Wissenschaftler über die mögliche Existenz eines Moleküls berichtet, das als Aquodiium bekannt ist, einem schwer fassbaren Cousin des Ammonium-Ions. Sollte dies zutreffen, könnte dies die seltsamen Magnetfelder von Neptun und Uranus erklären.
Das ist eine große Sache, denn stabiles Aquodium, das aus vier Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom (H4O2+) besteht, wurde aufgrund der hohen Energiebarriere, die mit dem Hinzufügen eines zweiten Protons zum Hydroniummolekül (H3O+) verbunden ist, wie Aquodium gebildet werden muss, noch nie beobachtet. Hydronium hingegen ist etwas einfacher zu erzeugen. Es entsteht durch den grundlegenden Prozess der Zugabe eines Protons zu Wasser. Der Sprung von Hydronium zu Aquodium ist der schwierige Teil.
Mit Hilfe fortschrittlicher Computermodelle haben Forscher jedoch einen möglichen Lebensraum für Aquodium ausfindig gemacht: die extremen Drücke in den Kernen der Eisriesen Uranus und Neptun. Und, was besonders wichtig ist, sein Vorhandensein in dieser intensiven, eisigen Umgebung könnte helfen, die ungewöhnlichen Magnetfelder der Planeten zu erklären – seltsamerweise sind sie beide im Verhältnis zu ihrer Rotationsachse stark geneigt und deutlich vom Zentrum der Planeten versetzt.
Kann das Aquodiium daran schuld sein?
Inhaltsübersicht
Eigene Chemie für eigenartige Welten
Durch die ähnliche Größe und Masse sind die Kerne von Neptun und Uranus fast identisch. Beide haben felsige Kerne wie Jupiter und Saturn, aber im Gegensatz zu ihren größeren Nachbarn reicht der Innendruck nicht aus, um molekularen Wasserstoff in ein elektrisch leitendes Flüssigmetall umzuwandeln. Stattdessen bildet sich etwa 20.000 Kilometer unter der Oberfläche dieser Welten ein großer Mantel aus eisigem Wasser und Ammoniak.
Hier wird es interessant: Die Autoren der Studie vermuten, dass die ungewöhnlichen Magnetfelder der Planeten durch Ionen erzeugt werden könnten, die als Ladungsträger fungieren. Ionen sind Atome oder Moleküle mit einer elektrischen Nettoladung, die durch den Verlust oder die Zunahme eines oder mehrerer Elektronen entsteht. Diese Ionen, die für die Magnetfelder von Uranus und Neptun verantwortlich sind, müssen nicht nur als einzelne Protonen existieren, sondern könnten auch Hydronium, Ammonium und Aquodium enthalten.
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In der Chemie liegt ein Molekül normalerweise in seiner niedrigsten Energieform vor, dem so genannten Grundzustand. Das liegt daran, dass die Natur dazu neigt, den Weg des geringsten Widerstands zu gehen, und der Grundzustand minimiert Faktoren wie die Bindungsspannung, d. h. die Atome innerhalb des Moleküls sind in weniger als idealen Winkeln miteinander verbunden, und die elektrostatische Abstoßung, bei der sich geladene Atome oder Gruppen innerhalb des Moleküls gegenseitig abstoßen. Die Herausforderung bei der Bildung von Aquodium (H4O2+) liegt in der erhöhten elektrostatischen Abstoßung und Belastung, die auftreten, wenn dem Hydronium-Ion ein zweites Proton hinzugefügt wird – es ist, als würde man versuchen, zwei positiv geladene Magnete zusammenzubringen.
Wenn ein Proton zu Wasser hinzugefügt wird, um Hydronium zu bilden, sind diese beiden Faktoren leichter zu überwinden; das resultierende Molekül hat eine positive Ladung, die nur an einem der Sauerstoffatome lokalisiert ist, wobei die Wasserstoffatome in einer stabilen Geometrie um das Sauerstoffatom in der Mitte angeordnet sind. Um von dieser Situation zu Aquodium überzugehen, müsste man der Struktur ein zweites Proton hinzufügen – aber das würde die Menge an positiver Ladung im Molekül erhöhen, was zu erheblicher elektrostatischer Abstoßung zwischen den beiden positiv geladenen Protonen führt und die bestehende Molekularstruktur des Hydroniums stört, was zu Spannungen führt.
Unter normalen Bedingungen erlauben diese Faktoren nicht die Bildung eines stabilen Aquodiums. Das wäre nur möglich, wenn in der Reaktion genügend Energie vorhanden wäre, um die Moleküle zu zwingen, sich trotzdem zu verbinden, und zwar unter all den Belastungen, Abstoßungen und anderen Komplikationen, die nicht einmal diskutiert werden. Diese Art von Energie haben wir auf der Erde nicht. Unter den extremen Bedingungen auf Uranus und Neptun könnte jedoch tatsächlich genügend Energie vorhanden sein.
Die Wissenschaftler berichteten, dass Aquodium in ihren Simulationen als plausibles Ergebnis erschien, weil die sehr hohen Drücke, die in diesen Welten herrschen, die Bindung von Sauerstoff- und Wasserstoffionen begünstigen, so dass Aquodium stabilisiert werden kann. Und wenn es auf diesen Planeten stabiles Aquodium gibt, dann sind wir vielleicht endlich auf dem Weg, zu entschlüsseln, woher sie ihre seltsamen Magnetfelder haben.
Die Studie wurde im Mai in der Zeitschrift Physical Review B veröffentlicht.
