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Laborversuche unter extremem Druck zeigen, dass Wasserstoff bei der Erdentstehung zusammen mit Silizium und Sauerstoff in den Erdkern gelangte.
Damit könnte der Erdkern das grösste Wasserstoffreservoir des Planeten sein, grösser als Ozeane, Mantel und Atmosphäre zusammen.
Der tief gespeicherte Wasserstoff könnte Prozesse wie Magnetfeld, Manteldynamik und den globalen Wasserkreislauf beeinflussen.
Seit Jahrzehnten diskutieren Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler darüber, wie viel Wasserstoff (H) der Erdkern enthält und wie er dorthin gekommen ist. Einige Theorien besagen, dass Wasser (H2O) erst nach der Entstehung des Kerns von Kometen und Asteroiden auf die Erde gebracht wurde. Andere halten es für wahrscheinlicher, dass die Erde schon während ihrer Entstehung wasserreich war, und dass ein Grossteil dieses Wasservorrats während der Kernbildung als elementarer Wasserstoff (H) im tiefsten Inneren des Planeten versank.
Wie viel Wasserstoff aber wirklich im Erdkern steckt, lässt sich nicht direkt messen. Und indirekte Messungen über seismische Wellen sind ebenfalls schwierig, weil im Erdkern völlig andere Druck- und Temperarturbedingungen herrschen als im Erdmandel.
Ein Forschungsteam um Motohiko Murakami, Professor am Departement Erd- und Planetenwissenschaften der ETH Zürich, konnte nun in einem Experiment zeigen, in welcher Form Wasserstoff im Erdkern vorliegt. Die Ergebnisse halfen ihm, damit auch die Wasserstoffmenge im Kern zu berechnen. Seine Studie ist soeben in der Fachzeitschrift Nature Communications (https://www.nature.com/articles/s41467-026-68821-6) erschienen.
Wasserstoff mit Silizium und Sauerstoff eingeschlossen
Im Experiment bildeten die Forscher die Bedingungen nach, wie sie bei der Erdentstehung herrschten. So konnten sie zeigen, dass Wasserstoff im Kern nicht allein vorliegt, sondern mit Silizium und Sauerstoff Nanostrukturen bildet, die sich im geschmolzenen Eisen einlagern. Der Wasserstoff liegt im Kern also nicht als Gas oder als Wassermolekül (H2O) vor, sondern als sogenanntes Eisenhydrid direkt im geschmolzenen Metall.
Bedingungen wie im Erdinnern
Für ihren Versuch nutzen die ETH-Forscher eine lasererhitzte Diamantstempelzelle. In diesem Gerät können die Wissenschaftler einen Druck erzeugen, der mehr als eine Million Mal höher ist als der Atmosphärendruck, und Temperaturen, die heisser sind als die auf der Sonnenoberfläche.
Um den Erdkern zu simulieren, verwendeten die Forschenden eine wasserhaltige Kristallkapsel, in der ein winziges Stück metallisches Eisen eingebettet war. Mit Laser erhitzten sie dann diese Kapsel, bis das Eisen flüssig wurde und sich die Elemente Silizium, Sauerstoff und Wasserstoff aus der Kapsel in das geschmolzene Eisen hinein bewegten. Anschliessend kühlten die Forscher die Kapsel sofort ab und machten die einzelnen Atome dreidimensional sichtbar.
«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, ehemaliger Postdoktorand in Murakamis Forschungsgruppe und Erstautor der Stude.
Wasserstoffgehalt grösser als erwartet
Um den gesamten Wasserstoffgehalt des Kerns zu bestimmen, nutzten die Forschenden zwei Werte: einerseits das Verhältnis von Wasserstoff zu Silizium, das sie im Experiment ermittelten, andererseits den aus anderen Studien bekannten Siliziumanteil des Erdkerns.
Das Ergebnis: 0,07 bis 0,36 Prozent der Kernmasse bestehen aus Wasserstoff. Wenn man daraus Wasser herstellen/bilden würde, entspräche das etwa 9- bis 50-mal der Wassermenge aller heutigen Ozeane. Der Erdkern dürfte also deutlich mehr Wasserstoff enthalten als ältere Modelle annehmen.
Wasserstoff kam früh hinzu
Die Resultate verändern auch das Bild davon, wie die Erde entstanden ist. Wenn so viel Wasserstoff schon während des Wachstums der Erde in den Kern gelangte, dann muss der Grossteil davon sehr früh 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 Ergebnisse deuten zudem darauf hin, dass der Kern das grösste Wasserstoffreservoir des Planeten sein könnte – grösser als Ozeane, Atmosphäre und Mantel zusammen.
«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.
Wasserstoff im Kern beeinflusst Magnetfeld
Verborgener Wasserstoff im Kern könnte viele Prozesse im Erdinnern beeinflussen: vom Entstehen des Magnetfeldes bis zum langfristigen Austausch von Wasserstoff zwischen Kern und Mantel. Über Milliarden Jahre könnte ein Teil dieses tief gespeicherten Wasserstoffs langsam zur Oberfläche zurückkehren und Vulkanismus und die Dynamik des Erdmantels beeinflussen.
Zudem helfen die Ergebnisse, Exoplaneten zu modellieren, da die Verteilung von Wasserstoff und anderen Elementen entscheidend dafür ist, ob ein Planet einen Metallkern besitzt oder kernlos bleibt. Und nicht zuletzt liefert die Studie neue Grundlagen für geochemische Modelle des Erdmantels und 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.
Prof. Dr. Motohiko Murakami
motohiko.murakami@eaps.ethz.ch
Huang D, Murakami M, Gerstl S, Liebske C: Experimental quantification of hydrogen content in the Earth’s core, Nat Commun 17, 1211 (2026). doi: 10.1038/s41467-026-68821-6
https://ethz.ch/de/news-und-veranstaltungen/eth-news/news/2026/02/der-erdkern-is...
Die Proben werden während des Versuchs zwischen zwei einen Zehntel Millimeter grosse Diamantspitzen ...
Source: M. Murakami
Copyright: ETH Zürich
Criteria of this press release:
Journalists, Scientists and scholars
Chemistry, Geosciences, Physics / astronomy
transregional, national
Research results, Transfer of Science or Research
German
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