Trinity-Test: Quasikristall im roten Trinitit entdeckt

Vor achtzig Jahren, am 16. Juli 1945 um 5:29 Uhr morgens, wurde im US-Bundesstaat New Mexico ein düsteres Kapitel der Geschichte geschrieben.

Die Stille der Morgendämmerung wurde jäh zerrissen, als die US-Armee eine Plutonium-Implosionsbombe mit dem Namen Gadget zündete – den weltweit ersten Test einer Atombombe, bekannt als Trinity-Test. Dieser Augenblick sollte die Kriegsführung dauerhaft verändern.

Die freigesetzte Energie entsprach 21 Kilotonnen TNT und verdampfte sowohl den 30 Meter hohen Testturm als auch kilometerlange Kupferkabel, die ihn mit den Messgeräten verbanden. Der Feuerball verschmolz Turm und Kupfer mit dem Asphalt sowie dem Wüstensand darunter zu grünem Glas – einem neuen Mineral namens Trinitit.

Trinitit und der verborgene Quasikristall

Erst Jahrzehnte später entdeckten Forschende in einem Stück dieses Trinitits ein verborgenes Geheimnis: eine seltene Materieform, einen Quasikristall, die einst als unmöglich galt.

„Quasikristalle entstehen in extremen Umgebungen, die auf der Erde nur selten vorkommen“, erklärte der Geophysiker Terry Wallace vom Los Alamos National Laboratory im Jahr 2021.

„Sie benötigen ein traumatisches Ereignis mit extremem Schock, extremer Temperatur und extremem Druck. Das beobachten wir normalerweise nicht – außer bei etwas so Dramatischem wie einer Nuklearexplosion.“

Die meisten Kristalle, vom gewöhnlichen Kochsalz bis zu den härtesten Diamanten, folgen derselben Regel: Ihre Atome bilden eine Gitterstruktur, die sich im dreidimensionalen Raum wiederholt. Quasikristalle durchbrechen diese Regel, denn das Muster ihrer Atomanordnung wiederholt sich nicht.

Als das Konzept 1984 erstmals in der Wissenschaft auftauchte, galt es als undenkbar: Kristalle sollten entweder geordnet oder ungeordnet sein, ohne etwas dazwischen. Doch dann wurden sie tatsächlich entdeckt – sowohl unter Laborbedingungen als auch in der Natur, tief im Inneren von Meteoriten, wo sie durch den thermodynamischen Schock von Ereignissen wie Einschlägen mit extrem hoher Geschwindigkeit entstanden.

Da für die Bildung von Quasikristallen offenbar extreme Bedingungen nötig sind, beschloss ein Forschungsteam unter Leitung des Geologen Luca Bindi von der Universität Florenz in Italien, Trinitit genauer zu untersuchen.

Allerdings nicht die grüne Variante. Zwar sind Quasikristalle selten, doch die bislang bekannten Exemplare enthalten häufig Metalle. Daher suchte das Team nach einer wesentlich selteneren Form des Minerals: rotem Trinitit, der seine Farbe den darin eingebetteten verdampften Kupferkabeln verdankt.

Roter Trinitit vom Trinity-Test

Mithilfe von Verfahren wie Rasterelektronenmikroskopie und Röntgenbeugung untersuchten die Forschenden sechs kleine Proben roten Trinitits. In einer Probe wurden sie schließlich fündig: ein winziges, zwanzigflächiges Korn aus Silizium, Kupfer, Kalzium und Eisen. Es besaß eine bei herkömmlichen Kristallen unmögliche fünfzählige Rotationssymmetrie – eine „unbeabsichtigte Folge“ der Kriegstreiberei.

„Dieser Quasikristall ist in seiner Komplexität großartig – doch bislang kann uns niemand sagen, warum er auf diese Weise entstanden ist“, sagte Wallace 2021, als die Ergebnisse des Teams veröffentlicht wurden.

„Doch eines Tages wird ein Wissenschaftler oder Ingenieur das herausfinden, und uns werden die Schuppen von den Augen fallen; dann werden wir eine thermodynamische Erklärung für seine Entstehung haben. Dann können wir dieses Wissen hoffentlich nutzen, um Nuklearexplosionen besser zu verstehen und letztlich ein vollständigeres Bild davon zu erhalten, was ein Atomtest bedeutet.“

Der Fund ist der älteste bekannte anthropogene Quasikristall. Er deutet zudem darauf hin, dass Quasikristalle auf weiteren natürlichen Wegen entstehen könnten. So könnten sowohl Fulgurite aus durch Blitzeinschläge geschmolzenem Sand als auch Material von Meteoriteneinschlagstellen Quellen für Quasikristalle in der Natur sein.

Quasikristalle für die nukleare Forensik

Die Forschung könnte auch dazu beitragen, illegale Atomtests besser nachzuvollziehen – mit dem langfristigen Ziel, die Verbreitung von Nuklearwaffen einzudämmen. Die Untersuchung von Mineralien, die an anderen Atomtestgeländen entstanden sind, könnte weitere Quasikristalle zutage fördern. Deren thermodynamische Eigenschaften könnten sich als Instrument der nuklearen Forensik erweisen.

„Um die Atomwaffen anderer Länder zu verstehen, müssen wir ihre Atomtestprogramme genau verstehen“, sagte Wallace.

„Normalerweise untersuchen wir radioaktive Rückstände und Gase, um herauszufinden, wie die Waffen gebaut wurden oder welche Materialien sie enthielten. Doch diese Signaturen zerfallen. Ein Quasikristall, der am Ort einer Nuklearexplosion entsteht, kann potenziell neue Arten von Informationen liefern – und er wird für immer existieren.“

Die Studie wurde in PNAS veröffentlicht.

Eine frühere Version dieses Artikels erschien im Mai 2021.