Der Erdkern ist ein riesiges verstecktes Wasserstoffreservoir

Die wissenschaftliche Debatte darüber, wie viel Wasserstoff der Erdkern enthält und auf welchem Weg er dorthin gelangte, hält seit Jahrzehnten an. Während einige Theorien davon ausgehen, dass Wasser erst nachträglich durch Kometen und Asteroiden auf die Erde kam, vermuten andere, dass unser Planet bereits bei seiner Entstehung wasserreich war und ein Großteil dieses Vorrats während der Kernbildung als elementarer Wasserstoff im Inneren versank. Da direkte Messungen im Kern unmöglich sind und seismische Daten aufgrund der extremen Druck- und Temperaturbedingungen – die sich stark von denen im Erdmantel unterscheiden – schwer zu interpretieren bleiben, herrschte lange Unklarheit.
Ein Forschungsteam um Motohiko Murakami konnte nun jedoch experimentell nachweisen, in welcher Form Wasserstoff im Erdkern vorliegt, was erstmals eine präzise Berechnung der dort gebundenen Wasserstoffmenge ermöglichte.

Wasserstoff mit Silizium und Sauerstoff eingeschlossen

Durch die experimentelle Nachbildung der Bedingungen während der Erdentstehung konnte das Forschungsteam zeigen, dass Wasserstoff im Erdkern nicht isoliert existiert, sondern gemeinsam mit Silizium und Sauerstoff Nanostrukturen bildet, die im geschmolzenen Eisen eingelagert sind. Somit liegt der Wasserstoff dort weder in gasförmiger Form noch als Wassermolekül (H2​O) vor; stattdessen ist er als sogenanntes Eisenhydrid unmittelbar im flüssigen Metall gebunden.

Bedingungen wie im Erdinnern

Für ihre Untersuchungen nutzten die Forschenden eine lasererhitzte Diamantstempelzelle, mit der sie einen Druck von über einer Million Atmosphären und Temperaturen jenseits der Sonnenoberfläche erzeugten. Um den Erdkern präzise zu simulieren, betteten sie ein winziges Stück metallisches Eisen in eine wasserhaltige Kristallkapsel ein und erhitzten diese mittels Laser bis zur Schmelze des Eisens. In diesem Zustand wanderten die Elemente Silizium, Sauerstoff und Wasserstoff aus der Kapsel in das flüssige Metall, woraufhin die Probe schlagartig abgekühlt wurde, um die Position der einzelnen Atome dreidimensional zu fixieren. „Die größte Herausforderung bestand darin, Wasserstoff unter solch extremen Bedingungen im Nanobereich nachzuweisen. Mithilfe modernster Tomografie konnten wir schließlich visualisieren, wie sich diese Atome innerhalb des metallischen Eisens verhalten“, sagt Dongyang Huang.

Wasserstoffgehalt grösser als erwartet

Zur Bestimmung des globalen Wasserstoffgehalts im Erdkern kombinierte das Forschungsteam zwei entscheidende Datensätze: das im Experiment präzise ermittelte Verhältnis von Wasserstoff zu Silizium sowie den aus bestehenden Fachstudien bekannten Siliziumanteil des Kerns. Die Berechnungen ergeben, dass Wasserstoff etwa 0,07 bis 0,36 Prozent der gesamten Kernmasse ausmacht. Rechnet man diesen Anteil in Wassermengen um, entspräche dies dem 9- bis 50-Fachen des Volumens aller heutigen Weltmeere. Damit beherbergt das Innerste unseres Planeten offensichtlich deutlich größere Wasserstoffreserven, als es ältere wissenschaftliche Modelle bisher vermuteten.

Wasserstoff kam früh hinzu

Die aktuellen Resultate revidieren das bisherige Bild der Erdentstehung grundlegend: Sollte bereits während der Wachstumsphase des Planeten derart viel Wasserstoff in den Kern gelangt sein, muss dieser chemische Baustein schon sehr früh in großen Mengen vorhanden gewesen sein. „Das spricht eher dagegen, dass der Wasserstoff von Kometen stammt, die erst nach der Entstehung in die junge Erde einschlugen“, betont Murakami. Die Daten legen zudem nahe, dass der Erdkern das gewaltigste Wasserstoffreservoir des gesamten Planeten darstellt und damit die Bestände in den Ozeanen, der Atmosphäre und dem Erdmantel zusammengenommen übertrifft. „Die Ergebnisse verbessern unser Verständnis der tiefen Erde. Sie liefern Hinweise darauf, wie Wasser und andere flüchtige Stoffe im frühen Sonnensystem verteilt wurden und wie die Erde zu ihrem Wasserstoff kam“, erklärt Murakami abschließend.

Wasserstoff im Kern beeinflusst Magnetfeld

Der verborgene Wasserstoff im Erdkern könnte maßgebliche Prozesse im Erdinneren beeinflussen, die von der Entstehung des Magnetfeldes bis hin zum langfristigen Austausch von Elementen zwischen Kern und Mantel reichen. Über Zeiträume von Milliarden Jahren hinweg besteht die Möglichkeit, dass Anteile dieses tief gespeicherten Wasserstoffs allmählich an die Oberfläche zurückkehren und dort sowohl den Vulkanismus als auch die allgemeine Dynamik des Erdmantels prägen. Darüber hinaus liefern diese Erkenntnisse wichtige Grundlagen für die Modellierung von Exoplaneten, da die Verteilung von Wasserstoff entscheidend dafür ist, ob ein Himmelskörper einen Metallkern ausbildet. Letztlich bietet die Studie neue Ansätze für geochemische Modelle des globalen Wasserkreislaufs. „Das Wasser, das wir heute an der Erdoberfläche sehen, ist vielleicht nur die sichtbare Spitze eines gigantischen Eisbergs, tief im Inneren der Erde“, betont der ETH-Professor.

Quelle

Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich) (02/2026)