Forschung mit Synchrotronstrahlung in Deutschland 2009 - SNI-Portal

GEOWISSENSCHAFTENEinblicke ins ErdinnereDas Erdinnere entzieht sich der direkten Beobachtung.Synchrotronstrahlung ermöglicht jedoch indirekte Einsichten.Die einzigartigen Eigenschaften der Synchrotronstrahlungerlauben die Anwendung einer Vielzahl analytischer Techniken.Mit ihnen lassen sich wichtige Informationen über die Naturvon Mineralien und anderen Erdmaterialien gewinnen, darunterderen kristalline Struktur, chemische Zusammensetzung, dieOberflächen- und Grenzflächenstruktur, die elektronischeStruktur sowie Elastizität und Porosität.Erdmaterialien sind oftmals heterogen zusammengesetztund Röntgen-Mikrostrahlen, mit Auflösungen von bis zu 100Nanometern, können dabei helfen, diese Komplexität zu entschlüsseln.Zudem bietet die große Durchdringung von insbesonderehochenergetischer Röntgenstrahlung den Vorteil,Proben unter nahezu natürlichen Bedingungen zu untersuchen,zum Beispiel bei Drücken und Temperaturen, wie sie im Erdkernoder Erdmantel vorliegen.Die simultane Anwendung mehrerer Methoden ermöglichtes beispielsweise, die Verteilung von Elementen und deren Mineralogiean ausgewählten Stellen des Gesteins mit einer Genauigkeitvon besser als einem Atom in Millionen von anderenzu bestimmen.Die Kombination von Absorptions- und Fluoreszenztechnikenist besonders hilfreich bei geochemischen Untersuchungenetwa der Bildung von Metall- und Hydroeinschlüssen sowieder Prozesse in Magmakammern. Ein gutes Beispiel für dieLösung geochemischer Probleme bei niedrigen Temperaturenliefert hier die erfolgreiche Ermittlung der Verteilung von Chromin natürlichen Proben und der Verunreinigung des Erdbodensmit gefährlichen chemischen Verbindungen mit Nickel, Cobalt,Zink, Cäsium oder Plutonium.Röntgen-Mikrotomographie-Aufnahmen ermöglichen es,die Verteilung von Verunreinigungen in mineralisierten Pflanzenzu bestimmen, Mineralieneinschlüsse in aus dem Erdinnerenkommenden Diamanten zu orten, die Belastungen von Bödenmit Öl und Wasser zu visualisieren und die Formen von Dampfblasenin Schmelzen zu beobachten. Besonders attraktiv an derMikrotomographie ist dabei, dass keine Probenpräparation vorgenommenwerden muss und nahezu jedes Objekt untersuchtwerden kann – darunter die Zähne von Neandertalern, Dinosaurierembryosund 100 Millionen Jahre alte Fossilien, die inundurchsichtigem Bernstein eingeschlossen sind.Die zentrale wissenschaftliche Idee hinter der Mineralphysikbesteht darin, dass wir durch ein besseres Verständnis derBestandteile der Erde wichtige Informationen über unseren Planetengewinnen können. Die Geophysik etwa untersucht derzeitdie Größe und räumliche Veränderung der Schallgeschwindigkeit,der elektrischen Leitfähigkeit und der Magnetisierung imErdmantel. Die ausgemachten Variationen spiegeln die Prozesseim Erdinneren wider und sind mit dem Ursprung der Plattenverschiebung,mit Erdbeben und Vulkanen verknüpft. OhneKenntnis der physikalischen Eigenschaften der Materialien, ausdenen die Erde besteht, können Geowissenschaftler die geophysikalischenund geochemischen Beobachtungen jedochnicht richtig deuten. Wesentlich sind hier die Temperatur, derFluss von Materie und Wärme sowie Phasenübergänge. DieEigenschaften von Mineralien werden dazu mit den verschiedenenexperimentellen und theoretischen Methoden bei immerhöheren Drücken und Temperaturen untersucht. Nur so kannden extremen Bedingungen im Erdinneren Rechnung getragenwerden.Hochenergetische Synchrotronstrahlung ermöglicht Experimentein Apparaturen zur Erzeugung hoher Drücke wieGroßvolumenpressen und Diamant-Stempel-Zellen mittelsRöntgenbeugung, inelastischer Röntgenstreuung sowie Kernresonanzstreuung.Zusätzlich können die Proben auf hohe Temperaturenerhitzt werden. Proben von wenigen Nanogramm(Pulver oder einzelne Kristalle) lassen sich auf diese Weise aufüber 200 Gigapascal und mittels Laserbestrahlung auf mehreretausend Grad Celsius bringen – dies sind die Bedingungen, wiesie im äußeren Erdmantel herrschen (siehe Forschungsbeispielauf der rechten Seite). Die Ergebnisse dieser Experimenteliefern wesentliche Informationen über die tiefsten Regionenunseres Planeten.22 Synchrotronstrahlung 2009