Weltraum: Eis sieht im Universum anders aus als auf der Erde
Wassereis gibt es überall im Weltraum: von gefrorenen Monden und Exoplaneten über Kometen bis zu frostigen Staubkörnern in interstellaren Wolken. Eine Forschungsgruppe hat jedoch kürzlich herausgefunden, dass Eis im Weltraum nicht so ist, wie die Fachwelt es sich vorgestellt hat(öffnet im neuen Fenster) .
Die Erde liefert vergleichsweise hohe Temperaturen, bei denen Eis entstehen kann. Dies und der vorhandene Druck auf diesem Planeten bieten Wassermolekülen genug Energie, um eine geordnete, kristalline Struktur zu bilden. Das Wasser gefriert auf der Erde langsam und die Moleküle formen sich in geometrischen Strukturen, meist sind es Sechsecke.
Fehlendes Wissen zum Universum
Im Weltraum betragen die Temperaturen teilweise -100 °C oder weniger. Zudem herrscht ein Vakuum. Die Fachwelt ging daher bisher davon aus, dass Wassereis unter solchen Bedingungen nicht kristallisieren könnte. Entsprechend müsste Wassereis im Weltraum rein amorph sein - ohne Kristallisation und geordnete Struktur zwischen den Molekülen.
Da die Dynamik des amorphen Eises im Weltraum nicht vollständig verstanden wird, fehlt das Wissen über den dortigen Gefriervorgang. In der Folge wird es schwierig, den Wasseranteil in anderen Sonnensystemen abzuschätzen.
Simulationen, Computermodelle
Die Forschungsgruppe des University College London (UCL) und der University of Cambridge untersuchte, wie sich gefrorenes Wasser jenseits der Erde verhält. Weil es keine Eisproben von Kometen und Asteroiden gibt, arbeitete das Team mit Computermodellen und Simulationen. Zusätzlich wurden Röntgenbeugungsmessungen von echtem amorphem Eis in die Untersuchung einbezogen.
Zunächst wollte man wissen, wie sich die Wassermoleküle bei Temperaturveränderungen verhalten: Wasser wurde mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten auf -120 °C abgekühlt, um virtuelle Eiswürfel zu erzeugen. Für die andere Simulation wurden große Würfel aus Eismolekülen, die in gleichem Abstand zusammengepackt waren, zufällig durcheinandergebracht.
Bei der ersten Simulation war das Eis bis zu 20 Prozent kristallin. Die Eiskristalle waren nur drei Nanometer groß und betteten sich in die ungeordneten, chaotischen Lücken in der Struktur des amorphen Eises ein. Bei der zweiten Simulation bestand das Eis bis zu 25 Prozent aus Eiskristallen.
Experiment mit echtem amorphen Eis
Dann nutzte das Team echtes amorphes Eis, das bei einem Laborexperiment aus dem Jahr 2023 von dem Hauptautor der aktuellen Studie hergestellt worden war. Seinerzeit wurde Wasserdampf über eine extrem kalte Platte geleitet und gefror - dazwischen entstand kein flüssiger Zustand. Dieser Prozess ähnelt dem einer Geburt eines Planetensystems.
Für das jetzige Experiment wurde das amorphe Eis rekristallisiert. Die Kristallstrukturen, die das Eis annahm, entstanden abhängig davon, wie das amorphe Eis ursprünglich gebildet worden war. Das Ergebnis: Ein rein amorphes, völlig ungeordnetes Eis dürfte laut der Forschungsgruppe keine Erinnerung an seine frühere Form haben - es sei denn, es gäbe noch eine kristalline Struktur.
Zur Studie
Die Studie wurde am 7. Juli 2025 in der Fachzeitschrift Physical Review B veröffentlicht: Low-density amorphous ice contains crystalline ice grains(öffnet im neuen Fenster) (Amorphes Eis mit geringer Dichte enthält kristalline Eiskörner).