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WELTRAUMCHEMIE
Manchmal komplexer als auf der Erde
Redaktion / idw / Pressemitteilung der Ruhr-Universität Bochum
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11. Juni 2019

Auf den ersten Blick erscheint es nicht sonderlich spannend, wie sich Salzsäure bei sehr niedrigen Temperaturen verhält. Allerding verrät das Verhalten der Säure einiges darüber, welche Chemie sich im sehr kalten interstellaren Raum abspielen kann. Und dies lässt dann Rückschlüsse darauf zu, ob und wie sich Vorläufer für Leben dort bilden konnten.

NGC 6559

Im Weltraum, hier ein Aufnahme von NGC 6559, kann die Chemie manchmal offenbar komplexer sein, als auf der Erde. Bild: ESO [Großansicht]

Wie Säuren bei extrem tiefen Temperaturen mit Wassermolekülen interagieren, haben Bochumer Forscherinnen und Forscher vom Exzellenzcluster "Ruhr Explores Solvation" (Resolv) gemeinsam mit Kooperationspartnern aus Nimwegen untersucht. Mit spektroskopischen Analysen und Computersimulationen gingen sie der Frage nach, ob Salzsäure (HCl) unter Bedingungen, wie sie im interstellaren Raum herrschen, ihr Proton abgibt oder nicht. Die Antwort war weder Ja noch Nein, sondern ist abhängig davon, in welcher Reihenfolge das Team Wasser- und Salzsäuremoleküle zusammenbrachte.

Trifft Salzsäure unter normalen Bedingungen, zum Beispiel bei Zimmertemperatur, auf Wassermoleküle, dissoziiert die Säure sofort: Sie gibt ihr Proton (H+) ab, es bleibt ein Chloridion (Cl-) übrig. Ob der gleiche Prozess auch bei extrem tiefen Temperaturen unter zehn Kelvin – also unter minus 263,15 Grad Celsius – stattfindet, wollte das Forschungsteam herausfinden. "Wir möchten wissen, ob es unter den extremen Bedingungen im interstellaren Raum die gleiche Säure-Base-Chemie gibt, die wir von der Erde kennen", erklärt Martina Havenith, Sprecherin des Exzellenzclusters Resolv. "Die Ergebnisse sind entscheidend, um verstehen zu können, wie sich komplexere chemische Moleküle im All gebildet haben – noch lange bevor die ersten Vorläufer für Leben entstanden."

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Um die extrem tiefen Temperaturen im Labor nachzustellen, ließen die Forscher die chemischen Reaktionen in einem Tropfen aus superflüssigem Helium ablaufen. Die Vorgänge verfolgten sie mit einer besonderen Form der Infrarot-Spektroskopie, welche Molekülschwingungen mit niedrigen Frequenzen detektieren kann. Dazu braucht es einen Laser mit besonders starker Leuchtkraft, wie er in Nijmegen zur Verfügung steht. Computersimulationen erlaubten den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern, die experimentellen Ergebnisse zu interpretieren.

Zunächst gaben die Forscher zu dem Salzsäure-Molekül nacheinander vier Wassermoleküle hinzu. In diesem Prozess dissoziierte die Salzsäure, sie gab ihr Proton an ein Wassermolekül ab, es entstand ein Hydroniumion. Das übriggebliebene Chloridion, das Hydrioniumion und die drei weiteren Wassermoleküle bildeten ein Cluster.

Erzeugten die Forscher jedoch zunächst einen eis-ähnlichen Cluster aus den vier Wassermolekülen und gaben dann die Salzsäure hinzu, erhielten sie ein anderes Ergebnis: Das Salzsäure-Molekül dissoziierte nicht; das Proton blieb am Chloridion gebunden. "Unter den Bedingungen, wie sie in interstellaren Wolken herrschen, kann es also zur Dissoziation von Säuren kommen, es muss aber nicht notwendigerweise passieren – die beiden Prozesse sind quasi zwei Seiten derselben Medaille", fasst Havenith zusammen.

Die Forscher gehen davon aus, dass sich das Ergebnis auch auf andere Säuren übertragen lässt, also das Grundprinzip der Chemie bei ultrakalten Bedingungen darstellt. "Die Chemie im Weltall ist also keineswegs einfach, sie könnte sogar komplexer sein als die Chemie unter planetaren Bedingungen", sagt Prof. Dr. Dominik Marx vom Lehrstuhl für Theoretische Chemie der Ruhr-Universität Bochum . Denn es komme nicht nur auf die Mischungsverhältnisse der reagierenden Substanzen an, sondern auch auf die Reihenfolge, in der sie zueinander gegeben werden. "Dieses Phänomen muss bei künftigen Experimenten und Simulationen unter ultrakalten Bedingungen bedacht werden", so der Forscher.

Über ihre Ergebnisse berichtet das Team in einem Fachartikel der in der Zeitschrift Science Advances erschienen ist.

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siehe auch
Weltraumchemie: Besondere Schneebälle aus dem Labor - 25. November 2016
Molekülphysik: Weltraumchemie im Speicherring - 31. März 2016
Links im WWW
Fachartikel in Science Advances
Ruhr-Universität Bochum
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