14.12.2021 - Università di Bologna

Können Diamanten Methan erzeugen?

"Es ist bekannt, dass die Zersetzung von Methan zur Bildung von Diamanten führen kann. Was bisher weniger bekannt war, ist, dass auch der umgekehrte Prozess möglich ist"

Es scheint keine gute Idee zu sein, einen der schönsten Edelsteine der Welt - Diamanten - in eines der schlimmsten Treibhausgase - Methan - zu verwandeln. Doch dies ist einer Gruppe von Forschern der Universitäten Bologna und Edinburgh (Vereinigtes Königreich), des Centre National de la Recherche Scientifique (Frankreich) und HPSTAR (China) gelungen. Dieses in der Zeitschrift Nature Communications veröffentlichte Ergebnis war kein ungeschickter Laborfehler. Vielmehr könnte diese Studie mehr Aufschluss über den tiefen Kohlenstoffkreislauf und die Bildung von Kohlenwasserstoffen durch abiotische Prozesse (d. h. ohne Bezug zu biologischen Aktivitäten) in der Tiefe der Erde geben.

Der Kohlenstoffkreislauf in der Tiefe der Erde macht etwa 90 % des gesamten Kohlenstoffkreislaufs aus. Trotzdem ist der Kreislauf, der sich unter der Erdoberfläche abspielt, bisher nur wenig bekannt. Dieses Phänomen ist für das Leben auf unserem Planeten von entscheidender Bedeutung, da es dem Kohlenstoff in der Tiefe der Erde ermöglicht, in die Atmosphäre zurückzukehren.

"Es ist bekannt, dass die Zersetzung von Methan zur Bildung von Diamanten führen kann. Was bisher weniger bekannt war, ist, dass auch der umgekehrte Prozess möglich ist. Das Methan, das durch die Reaktion zwischen Diamanten und Wasserstoff entsteht, war das fehlende Element für ein umfassenderes Verständnis des tiefen Kohlenstoffkreislaufs", erklärt Alberto Vitale Brovarone, Professor an der Fakultät für Biologie, Geologie und Umweltwissenschaften der Universität Bologna und ebenfalls einer der Autoren der Studie.

Der tiefe Kohlenstoffkreislauf umfasst auch die Bildung von Kohlenwasserstoffen wie Methan als Ergebnis von Prozessen, an denen keine biologischen Aktivitäten beteiligt sind. Diese Theorie wird schon seit über einem Jahrhundert diskutiert. Um diese Theorie zu überprüfen, gingen die Forscher von Diamanten aus, die im Wesentlichen Edelsteine im Erdmantel sind und aus festen Kohlenstoffatomen in einer Kristallstruktur bestehen.

Die Wissenschaftler verwendeten eine "Diamant-Amboss-Zelle", eine Hochdruck-Versuchsapparatur, mit der zwei Diamantkugeln gegeneinander gepresst werden, um die Druckbedingungen des oberen Erdmantels in über 70 km Tiefe nachzubilden. Dann drückten die Forscher eine Atmosphäre reinen Wasserstoffs bei 300 °C und beobachteten, wie sich rasch Methan bildete, dessen Moleküle aus einem Kohlenstoff- und vier Wasserstoffatomen bestehen (CH4).

"Wir haben eine Umgebung geschaffen, die in Bezug auf Temperatur und Druck mit der äußeren Schicht des Erdmantels vergleichbar ist, und konnten beobachten, dass Diamant und Wasserstoff innerhalb weniger Sekunden zu Methan reagierten", erklärt Vitale Bovarone. "Dies zeigt, dass sich Kohlenwasserstoffe wie Methan in abiotischen Tiefen bilden können. Dieses Phänomen könnte eine Schlüsselrolle im tiefen Kohlenstoffkreislauf der Erde spielen".

Die Forscher wiederholten dieses Experiment, indem sie Graphit, das ebenfalls aus reinem Kohlenstoff besteht, und ein glasartiges Kohlenstoffmaterial hinzufügten. In beiden Fällen beobachteten sie, dass sich Methan schneller und in größerer Menge bildete, als wenn sie nur Diamanten verwendeten. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass graphitische Materialien auf Kohlenstoffbasis sehr effiziente Reagenzien sein könnten und daher als Energiequellen für die Methanreserven im oberen Erdmantel dienen könnten.

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