Forscher haben einen spektakulären Fund im Erdkern gemacht. Dort verbirgt sich etwas, das wohl schon seit der Entstehung der Erde dort schlummert: Helium-3.
Helium-3 kennt man aus vielen Science-Fiction-Filmen als begehrte Ressource auf dem Mond. Jetzt haben Forscher eine gigantische Menge davon im Inneren unserer Erde gefunden. Rund zwei Milliarden Tonnen des primordialen Isotops Helium-3 sind im Metall unseres Erdkerns gebunden. Und das ist wirklich eine erstaunliche Entdeckung, denn, obwohl Helium das zweithäufigste Element im Kosmos ist, kommt es auf der Erde relativ selten vor.
Woher kommt Helium?
Helium wird in Sternen wie unserer Sonne ausgebrütet – dort wird bei der sogenannten Kernfusion Wasserstoff zu Helium fusioniert. Aber auf der Erde ist Helium rar und der Grund dafür ist offensichtlich: Helium ist extrem flüchtig. Wenn es freigesetzt wird, steigt es nach oben und wird auch von der Erdschwerkraft nicht festgehalten. Ihr kennt das alle von Helium-Luftballons. In unterirdischen Hohlräumen können sich irdische Heliumvorräte aber halten. Dass im Inneren der Erde aber derart viel Helium-3 gelagert ist, das hätte wohl niemand gedacht. Es war zwar bekannt, dass es dort eine gewisse Menge an Helium gibt. Denn immerhin dringt aus vielen Vulkanen jede Menge Helium nach außen – aber mit zwei Milliarden Tonnen hat niemand gerechnet.
Helium-3: Schon immer dabei
Da stellt sich die Frage, wie diese Menge an Helium da hin kommt? Die Atome des Isotops Helium-3 entstanden schon kurz nach dem Urknall. Solche Isotope bezeichnet man auch als primordial. Sie waren von Anfang an dabei. Das bedeutet, dass das Helium-3 nicht durch Prozesse im Erdinneren entstanden ist, sondern dass die Erde es bei ihrer Entstehung eingesammelt haben muss. Vor etwa fünf Milliarden Jahren ist die Erde in einer gigantischen protoplanetaren Scheibe entstanden, eine riesige Ansammlung von Gas, Steinchen und Staub um die noch junge Sonne. In dieser protoplanetaren Scheibe hat sie dann auch riesige Mengen an Helium-3 eingesammelt, die seitdem in ihrem Inneren schlummern. So weit, so unmysteriös.
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Aber jetzt wirds knifflig: Die Erde hat in der Vergangenheit einen kleinen Unfall erlitten. Sie stieß mit einem Planeten namens Theia zusammen, der etwa die Größe des Mars besaß. Bei dieser Kollision ist ein großes Stück der Erde abgebrochen, aus dem sich schließlich der Mond geformt hat. Hätte sich bei diesem planetaren Crash, der schon viele Milliarden Jahre in der Vergangenheit liegt, nicht das gesamte innerhalb der Erde gespeicherte Helium nicht verflüchtigen müssen? Immerhin hatte die Erde nach dem Zusammenstoß ein riesiges Loch.
Wie konnte also das riesige Helium-3-Reservoir im Erdkern den Zusammenstoß mit Theia überstehen? Die Antwort fanden nun Forscher der University of New Mexico in Albuquerque, die mithilfe von Laborexperimenten und geophysikalischen Modellen herausgefunden haben, dass der Helium-3-Vorrat sich sehr tief im Kern der Erde befinden muss, so tief, dass es vor der Kollision mit Theia geschützt war. Und der Grund für diese Tiefenlage ist in den Verhältnissen der damals noch sehr jungen Erde zu suchen.
Das Helium der Ur-Erde
Damals war es auf unserem Planeten unangenehm heiß. Die Erde war bedeckt von riesigen Lava-Ozeanen, von Leben weit und breit keine Spur. Vermutlich hatte unser Planet damals Ähnlichkeit mit dem Lavaplaneten Mustafar aus Star Wars Episode 3, auch wenn es natürlich auf der Erde keine spektakulären Lichtschwert-Duelle gibt. Damals sah nicht nur die Oberfläche der Erde anders aus als heute, sondern auch ihre Atmosphäre – die war wesentlich heliumhaltiger. Und andauernd vermischte sich Helium aus der dichten Uratmosphäre der jungen Erde mit den Lavaozeanen, also in das geschmolzene Gestein. Als der Lavaozean abkühlte, blieb eine Menge Helium im nun festen Gestein gebunden.
Aber ein Teil des Heliums sank wohl noch tiefer hinab. Die Forscher der University of New Mexico beschreiben es so: „Experimente zeigen, dass nur ein kleiner Anteil des in der Silikatschmelze gelösten Heliums in die eisenreichen Flüssigkeiten überging, während diese durch den Magmaozean in die Tiefe sanken. Aber dieses Wenige war genug, um substanzielle Mengen an Helium-3 in den Proto-Erdkern zu transportieren.“ Das bedeutet: Ein kleiner Anteil des Helium-3 verblieb nicht im Gestein, sondern sank mit schwereren Elementen wie Eisen tiefer in den Erdkern hinab. Und während der Großteil des im Gestein gebundenen Heliums durch den Crash mit Theia in den Weltraum geschleudert wurde, überdauert der Teil des Heliums, der in den Erdkern gesunken ist, dort bis heute.
Aber die genauen Prozesse zwischen Erdkern und Erdmantel sind immer noch relativ mysteriös. Findet zum Beispiel ein Austausch des Heliums zwischen Kern und Mantel statt? Die Forscher denken, dass das neben Faktoren wie der Temperatur und der Beschaffenheit der Kern-Mantel-Grenze vor allem vom Konzentrationsgefälle zwischen beiden Erdschichten abhängt. Zwischen dem Erdkern und dem Erdmantel findet also ein stetiger Helium-Austausch statt und das Helium, das irgendwann von Vulkanen emittiert wird, stammt vermutlich ursprünglich aus dem Kern.
Es ist doch wirklich faszinierend, sich vorzustellen, dass in unserer Erde noch direkte Rückstände der Zeit kurz nach dem Urknall zu finden sind. Und so sieht es auch das Forscherteam, das schreibt: “Es ist ein Wunder der Natur und ein Schlüssel zur Geschichte der Erde, dass noch immer signifikante Mengen dieses primordialen Isotops im Erdinneren vorhanden sind”.
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