Pressure-induced desalting of NaCl-bearing ice VII: A compositional filter in water-rich planets

Tief unter den Eisschalen von Monden wie Europa und Enceladus oder im Inneren der riesigen, wasserreichen Welten, die ferne Sterne umkreisen, liegt eine Schicht aus gefrorenem Wasser, die so dick ist, dass der Druck an ihrer Basis millionenfach höher ist als der Luftdruck auf Meeresniveau. In diesen erdrückenden Tiefen verhält sich Wasser nicht wie das Eis, das wir von einem Wintersee kennen. Stattdessen verwandelt es sich in ein dichtes, kristallines Fest, das als Eis VII bekannt ist – eine Form von Wasser, die selbst bei Temperaturen weit oberhalb des Siedepunkts von Wasser an der Oberfläche fest bleibt. Jahrzehntelang gingen Planetenwissenschaftler von einer einfachen Annahme darüber aus, was passiert, wenn Salz in diesen tiefen Ozeanen gelöst wird: Wenn das Wasser zu diesem Hochdruckeis gefriert, wird das Salz herausgedrängt, vom Kristallgitter abgestoßen und im flüssigen Ozean darüber zurückgelassen. Diese Idee hat unser Verständnis davon geprägt, wie diese Welten aufgebaut sind, wie sich ihre Inneren bewegen und ob ihre verborgenen Ozeane Leben beherbergen könnten. Wenn Salz nicht in das tiefe Eis gelangen kann, bleiben die Ozeane salzig, während die Eisschalen rein bleiben, was eine spezifische Art von Dichteschichtung erzeugt, die die internen Strömungen des Planeten antreibt.

Eine neue Studie stellt diese lang gehegte Sichtweise jedoch infrage, indem sie aufzeigt, dass Salz unter den richtigen Bedingungen nicht zurückgelassen werden muss. Forscher haben entdeckt, dass unter den richtigen Bedingungen eine salzhaltige Lösung beim schnellen Gefrieren und anschließenden Zusammendrücken unter immensem Druck eine beträchtliche Menge Salz innerhalb ihrer Kristallstruktur einschließen kann. Dieser Befund deutet darauf hin, dass die tiefen Inneren wasserreicher Planeten chemisch weitaus komplexer sein könnten als bisher angenommen, wobei salzhaltiges Eis als verborgenes Reservoir fungiert, das die Art und Weise, wie Wärme und Materie durch diese Welten wandern, verändern könnte. Die Studie konzentriert sich auf Natriumchlorid, das gleiche gewöhnliche Speisesalz, das auch in den Ozeanen der Erde vorkommt, und zeigt, dass es ein integraler Bestandteil des Eises selbst werden kann, anstatt nur ein Fremdkörper zu sein, der zwischen den Kristallen sitzt.

Das Team, geleitet von Forschern aus Institutionen in ganz Europa, wollte testen, was mit Salz geschieht, wenn es den extremen Bedingungen ausgesetzt wird, die tief im Inneren von Eismonden herrschen. Sie begannen mit einer konzentrierten Salz-Wasser-Lösung, ähnlich der Sole, die in den Ozeanen der Erde vorkommt, aber wesentlich stärker war. Anstatt diese Mischung einfach langsam gefrieren zu lassen, was das Salz natürlicherweise herausdrängen würde, verwendeten sie eine Technik namens „Quench-and-Compress“ (Abschrecken und Komprimieren). Zuerst kühlten sie die Flüssigkeit so schnell ab, dass sie zu einem glasartigen, ungeordneten Festkörper erstarrte, ohne Kristalle zu bilden. Dann platzierten sie die Probe, während sie gefroren blieb, in ein Gerät, das Drücke erzeugen konnte, die weit über allem liegen, was auf der Erdoberfläche vorkommt. Während sie diese amorphe, glasartige Salz-Wasser-Mischung zusammendrückten, erwärmten sie sie zurück auf Raumtemperatur. Dieser spezifische Pfad – schnell gefrieren und dann pressen – ermöglichte es den Salzionen, im entstehenden Eisgefüge eingeschlossen zu werden, bevor das Kristall hatte die Chance, sie abzustoßen.

Als die Forscher das resultierende Material mit leistungsstarken Röntgenstrahlen und Neutronenstreuung untersuchten, fanden sie etwas Unerwartetes. Das entstandene Eis war nicht das standardmäßige, reine Eis VII. Stattdessen handelte es sich um eine neue, expandierte Version des Kristalls, die keine separaten Taschen aus Salz enthielt. Die Salzionen, Natrium und Chlor, hatten die Plätze der Wassermoleküle innerhalb des Eisgitters eingenommen und so eine feste Lösung geschaffen, in der das Salz direkt in das Gewebe des Eises eingewoben war. Dieses neue Eis besaß eine Elementarzelle – den grundlegenden sich wiederholenden Baustein des Kristalls –, die etwa acht und ein halb Prozent größer war als die von reinem Eis VII. Die Struktur war hochgradig ungeordnet, wobei die Salzionen die umgebenden Wassermoleküle dazu brachten, sich zu verdrehen und neu auszurichten, um die Fremdatome unterzubringen. Entscheidend war, dass es keine Anzeichen für separate Salzkristalle oder Salzhydrate gab; das Salz war vollständig in das Eis integriert.

Die Forscher testeten anschließend, wie stabil dieses salzhaltige Eis tatsächlich war. Sie reduzierten langsam den Druck auf die Probe, während sie die Temperatur konstant hielten. Bei einem Druck von etwa 5,1 Gigapascal trat eine dramatische Veränderung ein. Das salzhaltige, expandierte Eis stieß das Salz plötzlich aus, welches zu separaten, festen Salzkörnern kristallisierte. Das Eis kehrte zu seiner reinen Form zurück, und das Salz wurde als distinktes Mineral zurückgelassen. Als sie versuchten, die Probe erneut zusammenzupressen, um das salzhaltige Eis zu rekonstruieren, geschah dies nicht. Das Salz blieb separat und weigerte sich, wieder in die Eisstruktur einzudringen. Dies offenbarte, dass die Bildung dieses salzhaltigen Eises kein einfacher, reversibler Prozess ist, der unter hohem Druck automatisch abläuft. Er hängt stattdessen vollständig von der Vorgeschichte des Materials ab: Es bildet sich nur, wenn das Salz in einem ungeordneten Zustand eingeschlossen wird, bevor das Eis kristallisiert. Sob einmal ausgestoßen, kann das Salz nicht ohne Weiteres wieder hineingezwungen werden.

Diese Entdeckung hat tiefgreifende Auswirkungen auf unser Verständnis der Inneren wasserreicher Planeten. Da das salzhaltige Eis eine geringere Dichte aufweist als eine Mischung aus reinem Eis und separaten Salzkristallen, kann es leichter innerhalb des tiefen Mantels eines Planeten aufsteigen. Dies bedeutet, dass salzhaltiges Eis durch die langsame, wirbelnde Bewegung des Inneren eines Planeten nach oben getragen werden kann, wodurch Salz von der tiefen Gesteinsgrenze in Richtung der Oberflächenozeane transportiert wird. Wenn dieses salzhaltige Eis jedoch aufsteigt und der Druck sinkt, wird es schließlich den kritischen Schwellenwert von 5,1 Gigapascal erreichen. An diesem Punkt wird das Eis sein Salz freisetzen, welches dann zurücksinken wird, da es dichter ist als das umgebende Eis. Dieser Prozess wirkt wie ein Filter, der es ermöglicht, dass etwas Salz aufwärts reist, aber einen erheblichen Teil des Salzes in einer bestimmten Tiefe zurückhält.

Die Studie legt nahe, dass die chemische Zusammensetzung der unterirdischen Ozeane auf Monden und Exoplaneten durch diesen druckinduzierten Filter kontrolliert werden könnte. Wenn das tiefe Eis das Salz festhalten kann, könnten die darüber liegenden Ozeane weniger salzig sein, als Modelle vorhersagen. Umgekehrt könnte die Freisetzung des Salzes in einer bestimmten Tiefe eine Schicht aus dichtem, salzigem Material erzeugen, die eine weitere Durchmischung verhindert. Die Forscher merken an, dass ihre Experimente zwar sehr hohe Salzkonzentrationen verwendeten, um den Effekt deutlich zu machen, das Prinzip jedoch wahrscheinlich auch für die in der Natur vorkommenden, wesentlich verdünnteren Sole-Lösungen gilt, wobei die genaue Tiefe dieses Filtereffekts von der spezifischen Temperatur und dem Salzgehalt der jeweiligen Welt abhängen würde. Indem sie zeigten, dass Eis VII unter bestimmten Bedingungen als Wirt für Salz fungieren kann, zwingt die Studie zu einem Überdenken der chemischen Elementebewegungen in den tiefen Inneren der geheimnisvollsten Welten unseres Sonnensystems. Das tiefe Eis ist nicht nur eine passive, Salz ausschließende Barriere; es ist ein dynamischer Teilnehmer an der chemischen Evolution dieser Planeten, fähig, Salz auf eine Weise zu binden, zu transportieren und freizusetzen, die zuvor unvorstellbar war.