Diamant bleibt kristallin

Um den Übergang zum flüssigen Kohlenstoff direkt zu verfolgen, kombinierten die Forscher Geschwindigkeitsmessungen, Pyrometrie zur Temperaturbestimmung und Röntgenbeugung, die die atomare Ordnung des Materials sichtbar macht. So konnten sie Druck, Temperatur, optische Eigenschaften und Kristallstruktur während derselben kurzen Kompression erfassen.

„Dies war das erste Mal, dass stoßkomprimierter Diamant mit Röntgenbeugung bis zum Schmelzen untersucht wurde. Diese Messungen sind extrem schwierig, weil Kohlenstoff ein kleines und leichtes Atom ist. Es streut nur sehr wenige Röntgenstrahlen, deshalb war das Signal, das wir messen mussten, ziemlich schwach“, sagt Marius Millot.

Solange die geschockte Probe ein auswertbares Beugungssignal lieferte, entsprach es der kubischen Diamantstruktur, doch bei 1.210 Gigapascal waren keine Beugungslinien der geschockten Probe mehr zu erkennen. Zusammen mit Veränderungen von Temperatur und Reflexionsvermögen wertet das Team dies als starken Hinweis auf das Schmelzen, während eine BC8-Zwischenphase bei der einfachen Stoßkompression nicht beobachtet wurde.

Schmelzpunkt rückt zur Theorie

Die neuen Daten verorten den Schmelzübergang nahe 7.300 Kelvin, wobei die Schmelztemperatur in diesem Druckbereich laut der Studie mit steigendem Druck leicht abnimmt. Vor allem stimmt die neue Messung deutlich besser mit quantenmechanischen Simulationen überein und beseitigt damit die bisherige Abweichung zwischen Experiment und Theorie.

„Es war zwar frustrierend festzustellen, dass unsere ursprünglichen Temperaturmessungen um mehr als 1.000 Grad danebenlagen, aber es ist spannend, eine so dramatische Verbesserung der Datenqualität mit unseren neuen Diagnoseverfahren zu sehen. Noch besser ist, dass unsere ursprüngliche Schlussfolgerung zum Schmelzen nun direkt durch Röntgenbeugung bestätigt wurde“, sagt Jon H. Eggert vom Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL).

Dass die erwartete BC8-Struktur ausblieb, widerspricht nicht zwingend ihrer theoretischen Stabilität bei sehr hohem Druck. Nach der Interpretation des Teams könnte die extrem kurze Belastung entscheidend sein, weil bei einem einzelnen Stoß offenbar zu wenig Zeit für die Umordnung des Kristallgitters bleibt, bevor der Diamant schmilzt. Das Verhalten hängt damit möglicherweise auch vom zeitlichen Verlauf der Kompression ab.

Folgen für Fusion und Eisriesen

Für die Trägheitsfusion ist der Schmelzpunkt des Diamanten praktisch relevant, weil die Brennstoffkapsel beim ersten Stoß möglichst gleichmäßig flüssig werden soll und der Anfangsstoß am National Ignition Facility (NIF) deshalb bisher bewusst stark gewählt wird. Die neue Schmelzkurve deutet darauf hin, dass auch etwas langsamere Anfangsstöße den Diamanten vollständig schmelzen könnten und dabei eine stärkere Kompression des Brennstoffs erlauben.

„Unsere Arbeit deutet darauf hin, dass wir etwas langsamere Anfangsstöße einsetzen und den Diamanten in unseren NIF-Implosionen trotzdem vollständig schmelzen könnten. Das ist spannend, weil ein solcher langsamerer Stoß den Fusionsbrennstoff stärker komprimierbar machen würde. Dadurch steigt der maximale Energieertrag, den wir mit derselben Laserenergie erreichen könnten“, sagt Marius Millot.

Berechnungen, auf die das LLNL verweist, lassen unter dieser Voraussetzung einen bis zu dreifachen Fusionsgewinn erwarten, sofern andere Verlustmechanismen kontrolliert werden können, doch das ist eine Modellvorhersage und noch kein experimentell erzielter Leistungsanstieg. Für Planetenforscher liefern die Messungen zugleich neue Randbedingungen für Modelle von Uranus und Neptun, in deren Innerem Kohlenstoff möglicherweise kristallisiert und als Diamantregen absinkt.

Quellen:

1. September 2026

– Robert Klatt