Ein internationales Forschungsteam unter Leitung der Universität Rostock und des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) hat 2023 erstmals den Hochleistungslaser DIPOLE 100-X am European XFEL in Schenefeld bei Hamburg eingesetzt, um flüssigen Kohlenstoff unter extremem Druck zu untersuchen. Die Ergebnisse, veröffentlicht in der Fachzeitschrift „Nature“ DOI: 10.1038/s41586-025-09035-6, markieren einen Durchbruch in der Materialforschung, da dieser Zustand von Kohlenstoff im Labor bisher nicht zugänglich war. Flüssiger Kohlenstoff spielt eine Schlüsselrolle in Planetenmodellen und Zukunftstechnologien wie der Kernfusion.
Kohlenstoff wird unter Normalbedingungen nicht flüssig, sondern sublimiert direkt vom festen in den gasförmigen Zustand. Nur unter extremen Bedingungen – Drücken, wie sie im Inneren von Planeten herrschen, und Temperaturen von etwa 4.500 Grad Celsius – schmilzt Kohlenstoff. Kein Behälter hält diesen Bedingungen stand, weshalb flüssiger Kohlenstoff bisher kaum erforscht war. Durch Laserkompression lässt sich festes Kohlenstoffmaterial jedoch für Nanosekunden verflüssigen, was präzise Messungen ermöglicht.
Das Experiment kombinierte den weltgrößten Röntgenlaser, den European XFEL, mit dem DIPOLE 100-X, entwickelt vom britischen Science and Technology Facilities Council und bereitgestellt durch das HIBEF-Nutzerkonsortium. An der Experimentierstation HED-HIBEF (High Energy Density) wurden hochenergetische Laserpulse genutzt, um Kompressionswellen durch eine Kohlenstoffprobe zu treiben und diese kurzzeitig zu verflüssigen. In dieser Nanosekunde wurde die Probe mit ultrakurzen Röntgenpulsen des XFEL durchleuchtet. Die Ablenkung des Röntgenlichts durch die Kohlenstoffatome erzeugte Beugungsmuster, die Aufschluss über die atomare Anordnung im flüssigen Zustand gaben.
Durch wiederholte Messungen mit variierenden Zeitpunkten, Drücken und Temperaturen entstand eine Art Film, der den Übergang von festem zu flüssigem Kohlenstoff detailliert abbildete. Die Analyse zeigte, dass flüssiger Kohlenstoff eine komplexe Struktur ähnlich der von Wasser aufweist, mit jeweils vier nächsten Nachbarn, vergleichbar mit der Struktur von festem Diamant. Diese Beobachtung bestätigte aufwendige Computersimulationen und lieferte erstmals experimentelle Daten zur Struktur von flüssigem Kohlenstoff. Zudem konnte der Schmelzpunkt präzise bestimmt werden, was bisherige theoretische Modelle, die stark voneinander abwichen, korrigiert. Diese Erkenntnisse sind essenziell für die Modellierung planetarer Prozesse und die Weiterentwicklung von Kernfusionskonzepten.
Das Experiment eröffnet neue Möglichkeiten für die Hochdruck-Materialforschung. Die Kombination aus Laserkompression, ultraschneller Röntgenanalytik und großflächigen Detektoren ermöglicht die Untersuchung von Materie unter extremen Bedingungen mit bislang unerreichter Präzision. Die Technologie ist jedoch noch nicht ausgereift: Während die Messungen aktuell mehrere Stunden dauern, könnten zukünftige Verbesserungen in der automatischen Steuerung und Datenverarbeitung Ergebnisse in Sekundenschnelle liefern. Die Forschungskollaboration, zu der führende internationale Institute gehören, sieht großes Potenzial für weitere Anwendungen, etwa in der Untersuchung anderer Materialien unter extremen Bedingungen.
Die Ergebnisse markieren nicht nur einen Meilenstein in der Kohlenstoffforschung, sondern auch den Beginn einer neuen Ära in der Hochdruckphysik. Sie liefern fundamentale Daten für die Wissenschaft und könnten langfristig Technologien wie die Kernfusion voranbringen, die eine nachhaltige Energiequelle der Zukunft sein könnte.
