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Blick ins Kraftwerk

erstellt von holgerkroker zuletzt verändert: 29.04.2012 16:32

Die Erde ist ein ausgesprochen lebendiger Planet. Erdbeben, Vulkanausbrüche, Tsunamis erinnern die Lebewesen an der Oberfläche immer wieder daran, dass sich unter ihnen kein unbeweglicher Fels befindet. Angetrieben wird all das von einer für menschliche Begriffe ungeheuren Energie. Rund 46 Terawatt beträgt die Leistung dieses Kraftwerks, dreimal so viel wie die gesamte Menschheit an Energie verbraucht. Auf der Jahrestagung der Europäischen Union für Geowissenschaften EGU in Wien wurden Einblicke in den Aufbau dieses Kraftwerks präsentiert.

Entstehungszonen der von Kamland gemessenen Neutrinos (l.) und Struktur der Erde (r.) (Bild: Kamland Collaboration/Stanford University).Die Erde verfügt über zwei Energiequellen: Einerseits ist tief in ihrem Inneren immer noch gewaltige Hitze aus ihrer Entstehungszeit gespeichert, doch kommt die radioaktive Zerfallshitze hinzu, die seither immer wieder Energie zuführt. "Die Frage ist: Wie viel Treibstoff für dieses Kraftwerk ist noch übrig", meint Bill McDonough, Professor für Geologie an der Universität von Maryland. Denn dieses Kraftwerk treibt auch die Plattentektonik an, die die Bestandteile der Erdkruste mit allen Bewohnern darauf mit Geschwindigkeiten zwischen zwei und zehn Zentimetern pro Jahr über die Planetenoberfläche bewegt. "Wir denken, dass Plattentektonik eine Grundvoraussetzung für die Bewohnbarkeit eines Planeten ist", erklärt Linda Elkins-Tanton, Chefin der Abteilung für Geophysik am Carnegie Institut in Washington.

Plattentektonik sorgt nicht nur für ein immer neues Aussehen des Planeten, sie dient auch der Energieabfuhr aus dem Planeteninneren und heizt über diesen Weg die Oberfläche. "Plattentektonik hält die Temperatur an der Erdoberfläche bei rund null Grad", sagt Bill McDonough. Je nach Sonneneinstrahlung und Atmosphärenzusammensetzung kommen dann noch einmal im globalen Mittel zehn bis 20 Grad hinzu und sorgen für lebensfreundliche Bedingungen. Da dieser Mechanismus schon seit Milliarden von Jahren arbeitet, herrschen auf unserem Planeten ziemlich stabile Verhältnisse. Und so etwas zählt zu den Grundvoraussetzungen, damit Leben sich zu immer größerer Vielfalt entwickeln kann.

Test für geochemische Modelle

Innenansicht des Neutrino-Detektors Borexino im Gran-Sasso-Massiv (Bild: Borexino Collaboration).Aus diesem Grund haben Geochemiker seit über 60 Jahren herauszufinden versucht, wie denn der Energiehaushalt der Erde aussieht. "Ich gehöre zu denjenigen, die Modelle darüber konstruiert haben", erklärt McDonough, "aber in meinen wildesten Träumen hätte ich nie daran gedacht, dass wir irgendwann einmal die Gelegenheit haben würden sie zu testen." Die Gelegenheit ist da: Mit je einem Detektor in Japan und in Italien können die Wissenschaftler sogenannte Geoneutrinos auffangen - im kommenden Jahr kommt eine weitere Anlage in Kanada dazu. Geoneutrinos sind Elementarteilchen aus dem Erdinneren, die Informationen aus dem verschlossenen Kern unseres Planeten herausschmuggeln. Sie entstehen beim radioaktiven Zerfall im Erdinneren und fliegen mit Windeseile davon, während die anderen Zerfallsprodukte zurückbleiben müssen. Damit sind Geoneutrinos die einzigen Spuren der Vorgänge, die tief unter unseren Füßen im Erdinneren ablaufen.

Nahaufnahme der Fotozellen in der Wand des Kamland-Detektors (Bild: Kamland Collaboration/LBL).Weil sie fast gar nicht mit herkömmlicher Materie reagieren, sondern einfach durch sie hindurchfliegen, werden Geoneutrinos auch Geisterteilchen genannt. "Ein solches Teilchen könnte ein Lichtjahr lang durch massives Blei fliegen und hätte doch nur eine 50:50-Chance, ein Atom zu treffen", erklärt McDonough. Zwar strahlt die Erde in jeder Sekunde zwischen sechs und zehn Millionen Geoneutrinos pro Quadratzentimeter Oberfläche ab, "aber trotzdem", so der Geochemiker, "brauchen wir sehr große Detektoren, um überhaupt eins einzufangen". Der Kamland-Detektor in Japan ist beispielsweise eine Kugel mit 13 Metern Durchmesser, in der 1000 Tonnen einer speziellen Detektor-Flüssigkeit auf die Neutrinos warten. Das Ganze liegt 1000 Meter tief im Kamioka-Massiv mitten auf der japanischen Hauptinsel Honshu, um es möglichst gut abzuschirmen. "Dieser Detektor zählt etwa zwölf Neutrinos im Jahr, der italienische im Gran-Sasso-Massiv kommt auf sechs Ereignisse", erklärt Bill McDonough. Insgesamt hat Kamland in den fast zehn Jahren seines Betriebes 106 Geoneutrinos aufgefangen. "Es gibt nur einen sehr langsamen Fortschritt in diesem Geschäft", sagt McDonough.

Modelle bestätigt

Aufbau des Geoneutrino-Detektors Kamland (Bild: Kamland Collaboration/LBL).Trotzdem haben die wenigen Signale den Geochemikern bereits eine Menge verraten, vor allem über ihre Modellvorstellungen. "Es sieht so aus, als ob im Mittel 40 Prozent der Erdwärme durch den radioaktiven Zerfall produziert wird", erklärt McDonough, "allerdings gibt es große Meinungsunterschiede unter uns Geochemikern über den genauen Anteil, und die Angaben gehen von 20 bis zu 70 Prozent." Mit zunehmenden Geoneutrino-Messungen wird sich diese Spanne immer mehr verringern - und dieser Prozess hat bereits eingesetzt. Die Zerfallshitze rührt im Wesentlichen von den radioaktiven Isotopen dreier Elemente: Uran-238 und Thorium-232 produzieren jeweils rund 40 Prozent der Zerfallswärme, Kalium-40 steht für knapp 20 Prozent.

Mit viel Mühe und aus vielen verstreuten Indizien haben die Geochemiker ermittelt, dass Uran-238 einen Anteil von rund 20 ppb, also 20 auf eine Milliarde Teile, im Planetenmaterial haben sollte, Thorium-232 etwa die vierfache Menge. Was jetzt noch fehlt, ist eine unabhängige Bestätigung dieser Modellvorstellungen. "Wir sind noch nicht soweit, dass die Geoneutrino-Messungen uns sagen können, wie die exakte Verteilung zwischen beiden Isotopen ist", sagt Bill McDonough, "aber sie sagen uns, dass unsere Annahmen Sinn machen." Das gilt allerdings auch für Uran-Anteile von 10 ppb oder aber 30 ppb, die Messinformationen müssen also noch wesentlich verbessert werden. Je mehr Geoneutrinos eingefangen werden, desto besser wird jedoch die Messstatistik - daher ist Bill McDonough zuversichtlich, dass sich die Spannbreite der Modelle immer weiter verringern wird.

Der Aufbau der Erde (Bild: Nasa/MPIK).Zumal man auch die einzelne Information einer Neutrinomessung noch verbessern kann. "Eine Richtungsinformation über die Neutrinoflugbahn wäre sehr nützlich", erklärt der US-Geochemiker, "denn dann könnten wir verschiedene Regionen tief in der Erde identifizieren und so etwas wie eine Quellengeographie für Uran und Thorium im Planeteninneren erstellen." Dann könnte man auch endlich genau bestimmen, wie viele der radioaktiven Isotope im Erdmantel sind und dort als Motor der Plattentektonik wirken und wie viele in der Kruste stecken. Bis diese Richtungsinformation erhältlich ist, wird es allerdings noch geraume Zeit dauern. Dafür muss die Zahl der Detektoren erst vergrößert werden. Im kommenden Jahr kommt SNO+ im kanadische Sudbury zu den beiden Detektoren in Japan und Italien hinzu und Bill McDonough ist recht zuversichtlich, dass er mit seinem Vorschlag eines marinen Geoneutrino-Detektors Glück bei den US-Förderagenturen haben wird. "Eine ganze Menge Wissenschaftler und eine Anzahl von Bundesbehörden haben Interesse an dieser Technologie", meint er, "aber es ist sehr risikoreiche Forschung und viele Leute fragen sich derzeit, wie gut wir unser Pläne umsetzen können."

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