Wie Fullerenen zur Bildung von molekularem Wasserstoff im Weltraum beitragen

MÜNCHEN (IT BOLTWISE) – Im kalten Vakuum des Weltraums ist die Bildung von molekularem Wasserstoff eine der grundlegendsten chemischen Prozesse, die das Universum prägen. Trotz der unwirtlichen Bedingungen gibt es eine überraschende Fülle dieses Moleküls in interstellaren Wolken. Wissenschaftler haben nun einen neuen Mechanismus identifiziert, der helfen könnte, dieses Phänomen zu erklären.

Die Entdeckung, dass Fullerenen die Bildung von Wasserstoffmolekülen in interstellaren Wolken katalysieren können, bietet neue Einblicke in die Chemie des Weltraums. Diese sphärischen Moleküle, die aus 60 Kohlenstoffatomen bestehen und wie winzige Fußballkugeln geformt sind, könnten eine entscheidende Rolle bei der Entstehung von molekularem Wasserstoff spielen. Dies ist besonders bemerkenswert, da die kalten Bedingungen im Weltraum die Bildung solcher Moleküle eigentlich unwahrscheinlich machen.

Der Prozess der Wasserstoffbildung im Weltraum ist von grundlegender Bedeutung für die Entwicklung komplexerer chemischer Strukturen. Nigel Mason, ein Molekularphysiker an der University of Kent, betont, dass die Bildung von molekularem Wasserstoff unter astronomischen Bedingungen eine der schwierigsten chemischen Herausforderungen darstellt. Die Wahrscheinlichkeit, dass zwei Wasserstoffatome im kalten Vakuum des Weltraums aufeinandertreffen und eine Bindung eingehen, ist extrem gering. Selbst wenn dies geschieht, würde die freigesetzte Energie die Moleküle schnell wieder trennen.

David McKenzie von der University of Sydney und sein Kollege Yuzhen Guo haben nun herausgefunden, dass Fullerenen als Katalysatoren wirken können, indem sie eine Oberfläche bieten, auf der sich Wasserstoffatome leichter verbinden können. Diese Erkenntnis könnte erklären, warum es im Weltraum so viel molekularen Wasserstoff gibt. Die Forscher verwendeten Fullerenen als Modelloberfläche, da sie viele Eigenschaften mit dem Kohlenstoff teilen, der interstellaren Staub bildet.

Durch computergestützte Modellierung untersuchten Guo und McKenzie zwei Mechanismen der Wasserstoffbildung auf Fullerenen. Im ersten Mechanismus bewegen sich zwei schwach an die Oberfläche gebundene Wasserstoffatome, bis sie kollidieren. Im zweiten Mechanismus trifft ein ankommendes Wasserstoffatom auf ein bereits chemisch gebundenes Atom und bildet direkt H₂. Diese Oberflächen fördern nicht die Rückreaktion, bei der molekularer Wasserstoff wieder in einzelne Atome zerlegt wird.

Die Ergebnisse zeigen, dass die Energie, die bei der Bindungsbildung freigesetzt wird, von den Fullerenen absorbiert wird, was verhindert, dass der molekulare Wasserstoff mit der Oberfläche interagiert. Dies ist das erste Mal, dass dieser Effekt nachgewiesen wurde, und es ist wichtig, um das chemische Gleichgewicht in H₂-Reaktionen zu definieren. Die Modellierung zeigte auch, dass die Wasserstoffbildung bei Temperaturen von bis zu 10K stattfinden kann, was eine langjährige Lücke in der Temperatur abdeckt, in der bisher kein Mechanismus als wirksam galt.

Diese Entdeckung bietet Einblicke in die Bildung von molekularem Wasserstoff unter energetischen Ereignissen im Weltraum, wie Supernova-Schocks oder intensiver Strahlung von jungen Sternen, wo Wasserstoffatome sehr hohe Energien erreichen können. Nigel Mason bezeichnet die Studie als interessanten Beitrag zu einem komplexen und noch nicht vollständig verstandenen astrochemischen Prozess. Er weist jedoch darauf hin, dass in vielen Regionen des Weltraums Staubkörner mit Eis bedeckt sind, sodass die Modellierung der Reaktion auf eisigen Oberflächen die Ergebnisse realistischer machen würde.

Guo und McKenzie argumentieren, dass die chemische Absorption von Wasserstoff möglicherweise stattfindet, bevor sich Eis vollständig bildet. Mason fügt hinzu, dass der Vergleich der Ergebnisse mit beobachtbaren Spektraldaten helfen würde, das Modell zu untermauern. Simulationen allein sind nicht ausreichend, um den Prozess zu entschlüsseln; Experimente sind notwendig, um den Produktionsmechanismus zu validieren.

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