Trinity-Test: Neuer Kristall in Trinitit entdeckt

Nicht immer lässt sich der präzise Augenblick bestimmen, in dem sich die Welt verändert.

Als jedoch am 16. Juli 1945 um 5:29 Uhr die Morgendämmerung über New Mexico aufgerissen wurde, markierte dies zweifellos einen Wendepunkt in der Geschichte der Menschheit.

Dabei handelte es sich um den Trinity-Test der US-Armee: die Zündung eines Plutonium-Implosionssprengkörpers namens Gadget – den ersten Test einer Atombombe weltweit. Selbst mehr als 80 Jahre später entdecken Forschende noch immer Folgen dieses Ereignisses.

In einem Mineral, das in der Gewalt der ersten absichtlich ausgelösten Nuklearexplosion der Welt entstand, haben Wissenschaftler nun einen Kristall nachgewiesen, der unter gewöhnlicheren Bedingungen auf der Erde nicht existieren könnte.

„Extreme, vorübergehende Bedingungen infolge von Nukleardetonationen können Festkörperphasen erzeugen, die durch konventionelle Synthese nicht zugänglich sind“, schreibt ein Team unter Leitung des Geologen Luca Bindi von der Universität Florenz in Italien.

„Wir berichten über die Entdeckung eines bislang unbekannten Calcium-Kupfer-Silikat-Clathrats vom Typ I, das während des Trinity-Nukleartests von 1945 entstand; es ist das erste kristallographisch bestätigte Clathrat, das unter Produkten einer Nuklearexplosion identifiziert wurde.“

Trinity-Test und die Entstehung von Trinitit

Die Explosion selbst war für einen derart verheerenden historischen Moment erwartungsgemäß dramatisch.

Ihre freigesetzte Energie entsprach 21 Kilotonnen TNT. Der 30 Meter (98 Fuß) hohe Testturm sowie die umgebende Kupferinfrastruktur wurden verdampft, darunter Kabel und Messinstrumente zur Aufzeichnung der Detonation.

Der entstandene Feuerball verschmolz den Turm und das Kupfer mit Asphalt und Wüstensand, die in die Pilzwolke gerissen wurden. So entstand ein glasartiges, zuvor unbekanntes Material, das später Trinitit genannt wurde.

Gerade in diesem Material stießen Forschende auf ungewöhnliche Strukturen. Bindi und seine Kollegen fanden 2021 in der seltenen roten Trinitit-Variante, die Metall vom Turm, von Kabeln und Aufzeichnungsinstrumenten enthält, einen unerwarteten Quasikristall. Nun hat diese Materialvariante eine weitere Überraschung geliefert.

Clathrat neben einem Quasikristall

Direkt neben dem Quasikristall entdeckte das Team ein Clathrat – eine Kristallstruktur, deren Atome ein käfigartiges Gitter bilden, das andere Atome in seinem Inneren einschließen kann.

Als Kristall wird die Anordnung von Atomen in bestimmten Materialien bezeichnet; die meisten Kristalle entstehen unter stabilen Bedingungen. Anorganische Clathrate sind besonders, weil ihre Bildung äußerst spezifische Voraussetzungen erfordert und sie in der Natur nur selten vorkommen.

Einige dieser Voraussetzungen waren während der Trinity-Explosion kurzzeitig gegeben: ein extremer Schock, Temperaturen von mehr als 1.500 Grad Celsius (etwa 2.730 Grad Fahrenheit) sowie Drücke von 5 bis 8 Gigapascal, die anschließend rasch abfielen.

Durch diesen schnellen Wandel mit anschließender rascher Abkühlung konnten sich die Atome im Trinitit zu ungewöhnlichen Konfigurationen zusammenfügen und dann an Ort und Stelle festgesetzt werden. Dadurch entstanden Strukturen, die sich andernfalls nicht bilden könnten.

Das Material hält im Grunde einen eingefrorenen Augenblick fest: eine mineralogische Momentaufnahme der kurzzeitig bei der Detonation herrschenden Temperatur- und Druckverhältnisse – eine Fundgrube für die Wissenschaft.

Untersuchungen von rotem Trinitit hatten bereits verschiedene ungewöhnliche Phasen zutage gefördert; bei einer solchen Analyse trat auch das Clathrat zutage.

Mithilfe von Röntgenbeugung untersuchten die Forschenden eine Probe roten Trinitits und identifizierten darin einen kupferreichen eingeschlossenen Tropfen.

Eine weitergehende Analyse zeigte eine ungewöhnliche atomare Anordnung: ein kubisches Clathrat vom Typ 1. Darin schließen „Käfige“ aus Siliziumatomen einzelne Calcium-Atome ein; zudem waren Spuren von Kupfer und Eisen vorhanden.

Es ist das erste Clathrat, das jemals in den Produkten einer Nuklearexplosion gefunden wurde.

Zwei unabhängig entstandene Kristallphasen

An dieser Stelle wird es allerdings merkwürdig. Da dieselben Bedingungen, unter denen Clathrate entstehen, auch die Bildung von Quasikristallen begünstigen und beide Strukturen eine ähnliche Zusammensetzung aufwiesen, vermuteten Bindi und seine Kollegen einen Zusammenhang.

Sie nutzten mathematische Modellierungen, um zu prüfen, ob der Quasikristall aus dem Clathrat hervorgegangen sein könnte. Die Ergebnisse deuteten jedoch nachdrücklich darauf hin, dass dieser Entstehungsweg zwar grundsätzlich möglich ist, die Kupferkonzentration in diesem konkreten Fall aber zu hoch war.

Demnach bildeten sich in derselben Probe unabhängig voneinander zwei sehr unterschiedliche Kristallphasen – aus denselben Materialien und unter denselben extremen Bedingungen.

„Diese Ergebnisse schließen eine einfache, auf Clathraten basierende strukturelle Interpretation des Trinity-Quasikristalls aus und unterstreichen den eigenständigen Charakter siliziumreicher Phasen, die unter extremen Bedingungen entstehen“, schreiben die Forschenden.

Studien dieser Art können dazu beitragen, die Auswirkungen von Nuklearwaffentests besser zu verstehen. Zudem könnten sie neue forensische Methoden für die Untersuchung von Orten liefern, an denen solche Explosionen stattgefunden haben.

Allgemeiner betrachtet betonen die Forschenden: „Diese Arbeit unterstreicht, wie seltene, energiereiche Ereignisse – etwa Nukleardetonationen, Blitzeinschläge und Hochgeschwindigkeitseinschläge – als natürliche Labore für die Erzeugung unerwarteter kristalliner Materie dienen und dafür, Strukturmodelle kritisch zu prüfen und einzugrenzen, die sich der konventionellen Synthese entziehen.“

Die Ergebnisse wurden in den Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht.