Vad händer inuti planeter som Neptunus och Uranus? För att ta reda på det genomförde ett internationellt team under ledning av Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), universitetet i Rostock och Frankrikes École Polytechnique ett nytt experiment. De avfyrade en laser mot en tunn film av enkel PET-plast och undersökte vad som hände med hjälp av intensiva laserblixtar. Ett resultat var att forskarna kunde bekräfta sin tidigare tes att det verkligen regnar diamanter inne i isjättarna i periferin av vårt solsystem. Och en annan var att den här metoden kunde etablera ett nytt sätt att producera nanodiamanter, som behövs till exempel för högkänsliga kvantsensorer. Gruppen har presenterat sina resultat i tidskriften Science Advances .

Förhållandena i det inre av isiga jätteplaneter som Neptunus och Uranus är extrema:temperaturen når flera tusen grader Celsius, och trycket är miljontals gånger högre än i jordens atmosfär. Icke desto mindre kan tillstånd som detta simuleras kort i labbet:kraftfulla laserblixtar träffar ett filmliknande materialprov, värmer upp det till 6 000 grader Celsius för ett ögonblick och genererar en stötvåg som komprimerar materialet under några nanosekunder till en miljon gånger atmosfärstrycket.

"Hittills har vi använt kolvätefilmer för den här typen av experiment", förklarar Dominik Kraus, fysiker vid HZDR och professor vid universitetet i Rostock. "Och vi upptäckte att detta extrema tryck producerade små diamanter, kända som nanodiamanter."

Med hjälp av dessa filmer var det dock bara delvis möjligt att simulera planeternas inre – eftersom isjättar inte bara innehåller kol och väte utan också stora mängder syre. När de letade efter lämpligt filmmaterial slog gruppen på ett vardagligt ämne:PET, det harts som vanliga plastflaskor tillverkas av. "PET har en bra balans mellan kol, väte och syre för att simulera aktiviteten i isplaneter", förklarar Kraus.

Teamet genomförde sina experiment vid SLAC National Accelerator Laboratory i Kalifornien, platsen för Linac Coherent Light Source (LCLS), en kraftfull, acceleratorbaserad röntgenlaser. De använde den för att analysera vad som händer när intensiva laserblixtar träffar en PET-film, med två mätmetoder samtidigt:röntgendiffraktion för att avgöra om nanodiamanter producerades och så kallad liten vinkelspridning för att se hur snabbt och hur stora diamanterna växte.

En stor hjälpare:Oxygen

"Effekten av syret var att påskynda splittringen av kol och väte och på så sätt uppmuntra bildandet av nanodiamanter", säger Dominik Kraus, som rapporterar om resultaten. "Det innebar att kolatomerna kunde kombineras lättare och bilda diamanter." Detta stöder ytterligare antagandet att det bokstavligen regnar diamanter inuti isjättarna. Fynden är förmodligen inte bara relevanta för Uranus och Neptunus utan för otaliga andra planeter i vår galax också. Även om sådana isjättar brukade betraktas som rariteter, verkar det nu klart att de förmodligen är den vanligaste formen av planeter utanför solsystemet.

Teamet stötte också på tips av ett annat slag:I kombination med diamanterna borde vatten produceras – men i en ovanlig variant. "Så kallat superioniskt vatten kan ha bildats", säger Kraus. "Syreatomerna bildar ett kristallgitter där vätekärnorna rör sig fritt."

Eftersom kärnorna är elektriskt laddade kan superjoniskt vatten leda elektrisk ström och därmed bidra till att skapa isjättarnas magnetfält. I sina experiment kunde forskargruppen dock ännu inte entydigt bevisa förekomsten av superjoniskt vatten i blandningen med diamanter. Detta är planerat att ske i nära samarbete med universitetet i Rostock vid Europeiska XFEL i Hamburg, världens mest kraftfulla röntgenlaser. Där leder HZDR det internationella användarkonsortiet HIBEF som erbjuder idealiska förutsättningar för experiment av det här slaget.

Precisionsanläggning för nanodiamanter

Utöver denna ganska grundläggande kunskap öppnar det nya experimentet också perspektiv för en teknisk tillämpning:Skräddarsydd produktion av nanometerstora diamanter, som redan ingår i slip- och polermedel. I framtiden är de tänkta att användas som högkänsliga kvantsensorer, medicinska kontrastmedel och effektiva reaktionsacceleratorer, för att klyva CO₂ till exempel. – Hittills har diamanter av det här slaget huvudsakligen framställts genom att detonera sprängämnen, förklarar Kraus. "Med hjälp av laserblixtar skulle de kunna tillverkas mycket renare i framtiden."

En högpresterande laser avfyrar tio blixtar per sekund mot en PET-film, som belyses av strålen med en tiondels sekunds intervall. De sålunda skapade nanodiamanterna skjuter ut ur filmen och landar i en uppsamlingstank fylld med vatten. Där bromsas de in och kan sedan filtreras och effektivt skördas. Den väsentliga fördelen med denna metod i motsats till produktion av sprängämnen är att "nanodiamanterna kunde skräddarsys med hänsyn till storlek eller till och med dopning med andra atomer", säger Dominik Kraus. "Röntgenlasern betyder att vi har ett labbverktyg som exakt kan kontrollera diamanternas tillväxt." + Utforska vidare

'Diamantregn' på gigantiska isiga planeter kan vara vanligare än man tidigare trott