Wasser – mehr als ein Molekül

Wasser ist unverzichtbar für das Leben auf der Erde. Es ist essenziell für eine Vielzahl von biochemischen, physikalischen und technologischen Prozessen. Angefangen von den komplexen Vorgängen in Zellen, die in wässriger Umgebung stattfinden, über die Bildung von Wolken in der Atmosphäre bis hin zu katalytischen Prozessen und Energie­gewinnung in der Industrie, überall spielt Wasser eine entscheidende Rolle.

Vielfach sprechen wir auch vom Wasser-Energie-Nexus, der Verknüpfung von Wasser-Ressourcen und unserer Fähigkeit, Energie zu gewinnen, oder wir betrachten den Wettbewerb zwischen Agrarwirtschaft, Energie­wirtschaft und Wasser­verfügbarkeit. Klima­veränderungen und Umwelt­schäden gefährden aber nicht nur die Balance zwischen diesen Wettbewerbern, sondern bedrohen das Leben auf unserem Planeten schlechthin. Um diesen Heraus­forderungen zu begegnen, braucht es Strategien für nachhaltige Agrar­wirtschaft, kohlenstoff­freie Energie­produktion und die Sicherung sauberer Wasser-Ressourcen.  Ein Meistern dieser Heraus­forderungen erfordert aber insbesondere das Verstehen der zugrundeliegenden physikalischen, chemischen und biologischen Prozesse auf molekularer Ebene. Dies wiederum bedeutet, dass wir Wasser auf molekularer Ebene verstehen müssen.

Mit dem interdisziplinären „Centre for Molecular Water Science“ (CMWS) beim Helmholtz Forschungszentrum DESY in Hamburg wollen wir die Erforschung der fundamentalsten aller Flüssigkeiten nun entscheidend vorantreiben. Seit 2018 treffen sich Wissen­schaftlerinnen und Wissenschaftler verschiedener Disziplinen aus Universitäten, Forschungs­zentren und Industrie aus 18 Partnerländern, um die wichtigsten Fragen im Bereich der molekularen Wasser­forschung und Lösungs­ansätze zu diskutieren. Die Ergebnisse wurden jetzt in einem Gründungspapier, dem White Paper, zusammengefasst.

Ein ganz besonderer Aspekt betrifft das Verhalten von Wasser unter extremen und planetarischen Bedingungen, das heißt Wasser im Inneren der Erde und in kosmischen Eiswelten. Diese Thematik behandeln Thomas Lörting und Hanns-Peter Liermann in dieser Ausgabe. Es ist einerseits unstrittig, dass Wasser durch wasserhaltige Minerale mittels Subduktions­zonen ins Erdinnere transportiert wird, zugleich ist es jedoch unklar, ob es dort gespeichert wird oder aber durch Vulkanismus wieder an die Oberfläche gelangt. Modernste Experimente erlauben es, mit Hochdruck­pressen im Labor die extremen Bedingungen im Erdinneren nachzustellen und die dortigen Prozesse durch Untersuchung der physikalischen Eigenschaften mittels neuster Röntgen­techniken zu entschlüsseln. Sie weisen darauf hin, dass auch die innere Struktur vieler Himmels­körper nach wie vor ungeklärt ist. Die Frage, ob es unterirdische Ozeane auf Eismonden gibt oder feste Schichten von verschiedenen Eis­polymorphen, ist genauso ungeklärt wie die Frage, ob das Magnetfeld der Eisriesen durch Eis bei Ultra­hochdruck entsteht.

Die gesamte Bandbreite des CMWS-Forschungs­portfolios ist im Zusatz­material zu Liermanns und Lörtings Artikel zusammengefasst. Viele Fragestellungen betreffen die Struktur und Dynamik des Wassers im flüssigen Zustand unter speziellen Bedingungen (unterkühlt, überhitzt, unter Druck, unter Beschränkung und reduzierter Dimensionalität) oder in den kondensierten (Eis-) Zuständen (kristallin und amorph) auf molekularen Längenskalen.

Zur Beantwortung dieser Fragen sind photonen­basierte Messmethoden besonders gut geeignet. Groß­geräte wie der hoch­leistungs­fähige Röntgenlaser European XFEL, die brillante Röntgen­lichtquelle PETRA III oder das zukünftige 3D-Röntgen­mikroskop PETRA IV eröffnen unvergleichliche Einblicke in die Struktur und Dynamik von Wasser: Sie machen sichtbar und nachvollziehbar, wie sich die komplexen Netzwerke der Wassermoleküle entwickeln, die das Verhalten von Wasser letztlich bestimmen und ihm seine besondere Funktion verleihen.

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  T. Loerting & H-.P. Liermann: Wasser in der Erde und in kosmischen Eiswelten – H2O unter extremen planetarischen Bedingungen, Phys. Unserer Zeit 53(3), 116 (2022); DOI: https://doi.org/10.1002/piuz.202201636
• Mai-Ausgabe von „Physik in unserer Zeit“
• Center for Molecular Water Science