Forschungsschwerpunkte - Prof. Dr. Daniel James Frost (pdf

Forschungsschwerpunkte – Professor Daniel Frost
Die Forschungen von Daniel „Dan“ Frost befassen sich mit dem physikalischen und chemischen Zustand des tiefen Erdinneren sowie der Entstehung und frühen Entwicklung der Erde
und der inneren Planeten. Er verwendet Hochdruck- und Hochtemperatur-Experimente, um
Vorgänge zu erforschen, die sich in großer Erdtiefe abspielen, und er untersucht die Prozesse der frühen Erdgeschichte, die zur Auftrennung des Erdinneren in separate Schichten geführt haben.
Die Zusammensetzung und der thermische Zustand des Erdinneren sind der Schlüssel zum
Verständnis der plattentektonischen Prozesse, die die Oberfläche über geologische Zeiträume geprägt und die Erde mit einer lebensfreundlichen Umwelt ausgestattet haben. Darüber
hinaus hatten die Prozesse, die sich in der Erde während ihrer Bildung abspielten, einen
großen Einfluss auf ihren geochemischen Zustand und waren entscheidend für ihre spätere
Entwicklung in einen bewohnbaren Planeten. Trotz seiner Bedeutung bleibt das tiefe Erdinnere aufgrund seiner Unzugänglichkeit eine der großen Herausforderungen in den Geowissenschaften. Während der Mittelpunkt der Erde über 6000 Kilometer von der Oberfläche
entfernt ist, erreichen die tiefsten Bohrungen nicht mehr als 12 Kilometer und die tiefsten
Gesteinsproben – durch vulkanische Magmen an die Oberfläche gebracht – stammen aus
weniger als 200 Kilometer Tiefe.
Dan Frost simuliert daher die hohen Drücke und Temperaturen im Erdinneren in experimentellen Vorrichtungen und reproduziert so die Materialien und Prozesse, die dort auftreten.
Seine Arbeit umfasst die Messung von Mineral-, Gesteins- und Schmelzeigenschaften im
Labor sowie die Interpretation von geophysikalischen und geochemischen Beobachtungen
mithilfe dieser Daten. Zu diesem Zweck hat er umfangreiche Entwicklungsarbeit im Bereich
der Hochdrucktechnik geleistet und dabei neue Geräte für Experimente unter den extremen
Bedingungen der tiefen Erde entworfen und gebaut. Die Ergebnisse seiner Studien wurden
verwendet, um seismische Beobachtungen des Erdinneren zu interpretieren und die physikochemischen Bedingungen für die Entstehung und Entwicklung der Erde und der inneren
Planeten schärfer einzugrenzen. Insbesondere hat er in seiner Forschung entscheidende
Prozesse identifiziert, die den Kohlenstoffkreislauf im Erdinneren, die Natur der vulkanischen
Gase und die Zusammensetzung des metallischen Erdkerns betreffen.
Kohlenstoff und der Kohlenstoffkreislauf sind von wesentlicher Bedeutung für das Leben auf
der Erde, und die flüchtige Verbindung Kohlendioxid ist ein wichtiges Treibhausgas, das das
Klima der Erde stark beeinflusst. Der Kohlenstoffkreislauf beschreibt in der Regel den Austausch von Kohlenstoff zwischen Tieren, Pflanzen, Ozeanen und der Atmosphäre. Frost ist
dagegen an dem Kohlenstoffkreislauf interessiert, der sich im Inneren der Erde abspielt, wo
weit mehr Kohlenstoff vorliegt als an der Oberfläche. Dies ist in gewisser Weise rätselhaft, da
Kohlenstoff in Form von Kohlendioxid flüchtig ist und daher recht einfach über geologische
Zeiträume durch vulkanische Aktivität aus dem Inneren entweichen sollte. Frosts Forschung
hat jedoch gezeigt, dass bei hohen Drücken Kohlendioxid dazu neigt, mit eisenhaltigen Mineralien des Erdmantels zu reagieren und Graphit oder Diamant zu bilden. In dieser Form ist
der Kohlenstoff nicht mehr flüchtig, sondern verbleibt als festes Material im Inneren der Erde.
Dieser Prozess hat über geologische Zeiträume die Freisetzung von Kohlenstoff in die Atmosphäre bestimmt.
Frost und Kollegen untersuchten außerdem die Bildung des metallischen Erdkerns, um herauszufinden, wie dieser Prozess die Geochemie der Erde als Ganzes im Vergleich zu andeForschungsschwerpunkte – Gottfried Wilhelm Leibniz-Preis 2016
Professor Daniel Frost
Februar 2016
DFG
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ren Planeten beeinflusst. Die äußere Grenze des metallischen Eisenkerns liegt in knapp
3000 Kilometer Tiefe, sodass der Kern völlig unzugänglich für eine chemische Analyse ist.
Während das flüssige Eisen bei der Bildung der Erde zum Kern hin absank, müssen ein oder
mehrere leichte Elemente aus der silikatischen Umgebung in dem schweren Metall gelöst
worden sein. Als Ergebnis zeigen nämlich geophysikalische Messungen, dass der heutige
Erdkern leichter ist, als er sein sollte, wenn er nur aus reinem Eisen bestünde.
Frosts Experimente zeigten, dass bei den hohen Temperaturen und Drücken der Kernbildung Sauerstoff in dem flüssigen Eisenmetall gelöst wurde. Dieser Prozess führte gleichzeitig zu einer Verarmung an Eisenoxid in den umgebenden Gesteinen, die den äußeren Erdmantel bilden. Die Drücke und Temperaturen während der Kernbildung auf dem kleineren
Mars waren dagegen deutlich niedriger als auf der Erde, sodass relativ wenig Sauerstoff im
Kern des Mars gelöst ist. Dadurch ist deutlich mehr Eisenoxid in den äußeren Schichten des
Mars vorhanden, das ihm sein rotes Aussehen gibt, obwohl er grundsätzlich aus Material mit
der gleichen chemischen Zusammensetzung wie die Erde gebildet wurde.
Dan Frost verwendet für seine Forschung große hydraulische Pressen, die Kräfte von bis zu
5000 Tonnen (die Hälfte der Masse des Eiffelturms) auf Bereiche wenig mehr als der Größe
einer Reißzwecke konzentrieren. Diese Kräfte sind sehr destruktiv und extrem harte Materialien sind erforderlich, um sie zu übertragen. In nahezu allen Werkstoffen verursacht der resultierende hohe Druck eine Änderung der Art der chemischen Bindung. Veränderungen der
chemischen Bindung führen wiederum zur Bildung neuer Materialien mit neuen Eigenschaften. Frost hat daher zahlreiche neue Hochdruckmaterialien in Zusammenarbeit mit Forscherinnen und Forschern aus den Materialwissenschaften, Physik und Chemie synthetisiert.
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Professor Daniel Frost
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