Metallischer Wasserstoff Physik-Sensation - oder Humbug?

Seit 80 Jahren versuchen Forscher, eine exotische Form von Wasserstoff herzustellen: Bei riesigem Druck soll sich das Element verhalten wie Metall. Nun wollen Wissenschaftler das beobachtet haben. Doch Kollegen zweifeln. Sehr.

R. Dias and I.F. Silvera/ EurekAlert

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Einen Fahrradreifen aufpumpen? Das kann ziemlich nerven, denn es kostet einiges an Kraft. Bei einem normalen Rad presst man die Luft mit etwa dem vierfachen Druck der Erdatmosphäre in den Schlauch. Bei Rennrädern kann es auch mal der neunfache Atmosphärendruck bei Raumtemperatur sein. Wer statt einer Handpumpe eine zum Treten verwendet, tut sich übrigens deutlich leichter.

Ein Model und ein Fahrradreifen
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Ein Model und ein Fahrradreifen

Das passende Equipment ist auch entscheidend, wenn man sich mit dem Druck befassen will, um den es im Folgenden geht. Die Rede ist von kaum vorstellbaren fünf Millionen Atmosphären, oder anders ausgedrückt: fünf Millionen Bar oder 500 Gigapascal. Das ist vergleichbar mit dem Druck im Inneren des Erdkerns.

Wer solche Bedingungen erzeugen will, braucht Apparaturen mit extrem feinen, beschichteten Diamantspitzen. Diese werden mit ungeheurer Kraft in einen kleinen Metallkäfig mit Wasserstoff darin gepresst.

Isaac Silvera und Ranga Dias von der Harvard University in Cambridge (US-Bundesstaat Massachusetts) haben genau das kürzlich getan. Dabei, so erklären sie nun im Fachmagazin "Science", sei ihnen nichts Geringeres geglückt als eine physikalische Sensation: Die beiden wollen erstmals festen metallischen Wasserstoff hergestellt haben.

Festen metallischen - was?

Ja, richtig gelesen: Wasserstoff. Normalerweise kennen wir das leichteste Element des Periodensystems, gleichzeitig das häufigste Element des Universums, nur als Gas. Jeweils zwei seiner Atome finden sich dabei zu einem Molekül zusammen.

So kennen wir Wasserstoff normalerweise - als Gas, das in Tanks lagert.
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So kennen wir Wasserstoff normalerweise - als Gas, das in Tanks lagert.

Doch unter extrem hohem Druck wird Wasserstoff fest - und bekommt die Eigenschaften eines Metalls. Das liegt daran, dass dann die unvorstellbar dicht gepackten Atome ihr jeweiliges Elektron abgeben - und sich diese dann frei bewegen können.

So jedenfalls glauben es Wissenschaftler seit gut 80 Jahren. Im Jahr 1935 hatten Eugene Wigner und Hillard Bell Huntington diese Vermutung erstmals veröffentlicht. Sie glaubten, dass Wasserstoff ab einem Druck von 250.000 Bar zum festen Metall werden könnte. Immerhin gehört es zur selben Gruppe chemischer Elemente wie die Alkalimetalle Lithium, Natrium und Kalium.

Im Inneren riesiger Gasplaneten wie dem Jupiter könnte dieser Prozess beispielsweise ablaufen.

Jupiter-Oberfläche: Tief darunter könnte es metallischen Wasserstoff geben.
NASA/ ESA/ GSFC/ UC/ JPL-Caltech

Jupiter-Oberfläche: Tief darunter könnte es metallischen Wasserstoff geben.

Praktisch relevant wäre metallischer Wasserstoff womöglich aber auch auf der Erde: zum Beispiel als Supraleiter, der auch bei hohen Temperaturen Strom ohne Widerstand leitet. Entsprechende Theorien gibt es seit 1968. Träfen sie zu, würde das eine Revolution bei Speicherung und Transport von Energie möglich machen. Vor allem, wenn einmal komprimierter Wasserstoff seine Eigenschaften auch dann behielte, wenn man den Druck wegnimmt.

Doch bisher ist es noch niemand zweifelsfrei gelungen, dem Element diesen exotischen Materiezustand aufzuzwingen. Immer wieder einmal gab es Erfolgsmeldungen, immer wieder mussten sie später wieder einkassiert werden.

Immerhin gelang es den Forschern bei ihren Versuchen, immer höhere Drücke zu erzeugen. Sie sind längst mehr als zehn Mal so hoch wie Wigner und Huntington es einst für nötig gehalten hatten. Und noch immer lässt der Erfolg auf sich warten.

Gleichzeitig konnten die Wissenschaftler immer wundersamere Verwandlungen ihres Untersuchungsobjektes beobachten. Letzte große Entdeckung war dabei die sogenannte Phase IV des festen Wasserstoffs, in der sich die Atome bei Drücken von 300 Gigapascal, also 3 Millionen Atmosphärendrücken, zu dünnsten Schichten anordnen, vergleichbar mit der als Wundermaterial gelobten Kohlenstoffform Graphen.

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Exotische Wasserstoffform: Unter Druck

Doch auch wenn wohl zuletzt nicht viel fehlte: Wie ein Metall verhielt sich der Wasserstoff eben nicht. Noch nicht.

Silvera und Dias behaupten nun allerdings, den entscheidenden Schritt weitergekommen zu sein. Silvera ist ein Veteran der Disziplin. Er hat 1981 die Phase II des festen Wasserstoffs mitentdeckt, acht Jahre später die Existenz der Phase III mitbestätigt. Dias ist einer seiner Postdocs.

Im Oktober vergangenen Jahres hatten sie einen ersten Entwurf ihres Manuskripts veröffentlicht. Nun erscheint die Arbeit bei "Science" - doch statt Lob bekommen die beiden Forscher von Kollegen teils drastisch formulierte Kritik zu hören.

"Kompletter Müll ohne jegliche Daten"

Eugene Gregoryanz von der University of Edinburgh spricht auf Anfrage von SPIEGEL ONLINE von einem "Bluff", gar von "Betrug", geißelt die Ergebnisse als "kompletten Müll ohne jegliche Daten". Sein Kollege Mikhail Eremets vom Max-Planck-Institut für Chemie in Mainz, Mitentdecker der Phase IV des festen Wasserstoffs, formuliert kaum weniger deftig, wenn er über die Arbeit sagt, dass es "das Beste" wäre, "sie zu ignorieren" - "weil sie keine ernsthafte Aufmerksamkeit verdient".

Und Ross Howie vom Center for High Pressure Science & Technology Advanced Research in Shanghai watscht Silveras und Dias' Werk so ab: Es bestehe nur aus vier Datenpunkten und drei iPhone-Fotos. "Sie haben einen gewagten und kontroversen Titel gewählt und präsentieren selektiv eine geringe Menge an Daten. Die Methoden sind so archaisch, dass es fast unmöglich ist, das wissenschaftlich zu kritisieren."

Dass diese drei Herren ihre Kritik so unisono formulieren, ist durchaus bemerkenswert. Gregoryanz etwa, der wie Howie eine Phase V des Wasserstoffs mitentdeckt haben will, den unmittelbaren Übergang zum festen Metall, sagt: Normalerweise habe er mit seinen Mitbewerbern zu "so ziemlich allem, besonders zum Wasserstoff" seine Meinungsverschiedenheiten. Doch diesmal ist er sich mit Eremets und Howie einig - in der Ablehnung der aktuellen Arbeit.

Der Hauptkritikpunkt: Der angeblich metallische Wasserstoff habe sich nur bei einem einzigen Versuch gezeigt. Silvera und Dias hätten das beschriebene Experiment nie wiederholen können, andere Teams erst recht nicht. "Schon jeder Oberschüler lernt, wie wichtig Reproduzierbarkeit ist", grollt Howie.

Kollege beklagt "offensichtlichen Betrug"

Sein Kollege Gregoryanz sagt, Silvera und Dias hätten "keinesfalls" die behaupteten knapp 500 Gigapascal Druck erreicht. Es gebe sogar ernsthafte Bedenken, "ob überhaupt Wasserstoff im Experiment war".

Der Forscher macht gleichzeitig dem Wissenschaftsjournal "Science" schwere Vorwürfe, in dem die Studie erscheint. Die Veröffentlichung zeuge vom "totalen Zusammenbruch" des Begutachtungsprozesses, der normalerweise die Qualität der Arbeiten sichern soll: "Es ist wirklich erstaunlich, wie einfach dieser offensichtliche Betrug durchgegangen ist."

Die Harvard University, wo Dias und Silvera arbeiten - von hier war nichts zu hören.
Getty Images

Die Harvard University, wo Dias und Silvera arbeiten - von hier war nichts zu hören.

"Science" reagiert auf eine Anfrage von SPIEGEL ONLINE innerhalb kürzester Zeit - und verweist auf die grundsätzliche Anonymität in seinem Bewertungsprozess. Meagan Phelan von der American Association for the Advancement of Science (AAAS), wo das Magazin erscheint, macht allerdings folgende Rechnung auf: Jedes Jahr bekomme man 12.000 wissenschaftliche Manuskripte. Davon würde nach einer ersten Vorprüfung nur rund ein Viertel übrig bleiben.

Diese Arbeiten wiederum würden dann detailliert von mindestens zwei Fachleuten geprüft. Am Ende dieses Prozesses blieben nur sieben Prozent der eingesandten Arbeiten übrig. Die aktuelle zum - angeblichen - metallischen Wasserstoff ist eine davon.

Gern würde man hören, was Silvera und Dias zu der harschen Kritik zu sagen haben. Doch eine entsprechende Anfrage haben sie bisher nicht beantwortet.

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