Bis ans Ende der Welt

Menü

In einem sibirischen Flussbett endet nach 30 Jahren die große Jagd des Paul Steinhardt. Der Lohn all seiner Mühen: ein paar Gesteinsbröckchen. Für das bloße Auge nur schnöde Kiesel – für den Physiker der Beweis dafür, dass die Natur ein Material hervorbringt, an dessen Existenz zunächst niemand glaubte.

 

Als Paul Steinhardt endlich wusste, dass seine Suche ein Ende hatte, war von seinem Sehnsuchtsobjekt fast nichts mehr übrig. Nur ein kleines Körnchen blieb ihm von diesem Gesteinsbrocken. Ein winziger Rest, den er auf ein Glasstäbchen kleben musste, um ihn nicht zu verlieren.

Ein langer Weg lag hinter ihm. Aber um die wahre Geschichte dieses einzigartigen Steins aufzudecken, sollte er noch fast bis ans Ende der Welt reisen – und in gewissem Sinne sogar darüber hinaus.

Quasikristalle_portrait_Steinhardt
Paul Steinhardt
Dezent gekleidet, mit Brille und Halbglatze sieht Steinhardt nicht gerade aus wie Indiana Jones. Tatsächlich ist er theoretischer Physiker und Kosmologe. Im Jahr 2011 war Steinhardt 58 Jahre alt und hatte noch nie eine Nacht in einem Zelt verbracht. Dass er sich nun in die Wildnis begeben würde, war die Folge einer Besessenheit, die in den frühen 1980ern als ein mathematisches Gedankenspiel begonnen hatte.

Man stelle sich vor, man wolle sein Badezimmer neu fliesen. Mit einem regelmäßigen, sich wiederholenden Muster aus Quadraten, Rechtecken, Dreiecken, Parallelogrammen oder Sechsecken lässt die Fläche von Wand zu Wand sich lückenlos bedecken. Andere Kachelformen, Fünfecke zum Beispiel, lassen sich so aber nicht anordnen, ohne dass Lücken entstehen.

Es sei denn, man lockert die Regeln etwas. Man legt verschiedene Arten von Fliesen aneinander und bildet ein geordnetes Muster, das jedoch nicht aus einem sich periodisch wiederholenden Grundschema besteht. So lässt sich eine Wand auch komplett mit Fünfecken, Trapezen und anderen regelmäßigen Formen kacheln. In Moscheen aus dem 15. Jahrhundert findet sich bereits diese Art von „quasiperiodisch“ genannten Kachelwerken. Als modernes Beispiel sind die Muster des Physikers Roger Penrose bekannt geworden.

Steinhardt fragte sich damals, ob ähnliche Muster auch in drei Dimensionen möglich wären. Ob Diamant, Silizium oder Graphit: Jeder kristalline Festkörper zeigt – wenn man ihn mit Elektronen- oder Röntgenstrahlen beschießt – ein charakteristisches Beugungsmuster. Es entspricht der regelmäßigen, periodischen Anordnung der Atome im Kristall. Verbindet man diese Atome wie Punkte mit einer Linie, erhält man geometrische Körper wie Würfel, Quader, Tetraeder oder ganz allgemein Polyeder. Diese sind in jedem normalen Kristall als sich wiederholende Strukturen aneinandergereiht. Doch ließen sich womöglich auch Atome im dreidimensionalen Raum als quasiperiodisches Gitter anordnen?

Letzen Endes konnte Steinhardt – zumindest theoretisch – zeigen, dass solche Atomanordnungen möglich sind. Sie würden, beschrieb er, wunderschöne Beugungsmuster erzeugen, die sich jedoch gänzlich von denen regelmäßiger Kristalle unterscheiden würden.

Quasikristalle_portrait_Shechtman
Dan Shechtman
Ein solches Muster erkannte er auf den ersten Blick, als er im November 1984 eine wissenschaftliche Veröffentlichung von Dan Shechtman las, einem israelischen Physiker, der mit neuen metallischen Legierungen experimentierte. „In Shechtmans Veröffentlichung sah ich dieses Muster; und es war das gleiche wie in meinen Unterlagen“, sagt Steinhardt. Zusammen mit seinem Studenten Dov Levine veröffentlichte er im folgenden Monat – mit einem Verweis auf Shechtmans Werk – seine theoretische Studie Quasicrystals: A New Class of Ordered Structures – zu Deutsch: „Quasikristalle: Eine neue Klasse geordneter Strukturen“.

Nicht jeder war über diese Ergebnisse erfreut. Der Chemiker und Nobelpreisträger Linus Pauling kommentierte Steinhardts Arbeit mit den Worten: „Es gibt keine Quasikristalle, nur Quasiwissenschaftler.“ Erst im Jahr 1987 wendete sich das Blatt, als eine Forschergruppe am Massachusetts Institute of Technology (MIT) eine Legierung aus Aluminium, Kupfer und Eisen herstellte, die unbestreitbar ein quasikristallines Beugungsmuster zeigte. Als Shechtman im Jahr 2011 schließlich selbst mit dem Nobelpreis ausgezeichnet wurde, waren bereits mehr als 100 verschiedene künstliche Quasikristalle bekannt.

Und sie sind mehr als nur Kuriositäten: Die besondere Anordnung der Atome innerhalb der Quasikristalle verleiht den Materialien ein ganze Reihe besonderer Eigenschaften. Die Stoffe sind sehr hart, gute Wärmeisolatoren und haben einen geringen Abrieb. Unter anderem wären sie geeignet als thermoelektrische Materialien, die aus Abwärme Strom gewinnen, oder als Beschichtung für alles vom Flugzeug bis zur Antihaftpfanne. „Es tun sich alle möglichen Anwendungen auf, wir müssen nur verstehen, wie sich diese Materialien einfacher herstellen lassen“, sagt Pauls Sohn Will Steinhardt, der an der Harvard-Universität Geologie studiert.

Das war das Problem. Quasikristalle müssen unter exakt kontrollierten Bedingungen hergestellt werden. Ein langsames und kostspieliges Verfahren. Im Labor genügen schon minimale Temperatur- oder Druckschwankungen, um die Atome aus ihrer sorgfältig arrangierten Position in die stabilere Lage eines herkömmlichen Gitters zu schubsen.

Steinhardt senior hatte die Vorstellung, dass es auch einfacher gehen müsste. Und ihm kam eine Idee, wie er dies beweisen konnte: Falls er einen natürlichen Quasikristall finden könnte, wäre dies ein klarer Hinweis auf einen weniger aufwendigen Herstellungsprozess. Ein Prozess, der sich kopieren und ausnutzen ließe.

Es war eine Suche, für die Steinhardt anfangs wenig Zeit hatte. In den frühen 1980ern hatte er entscheidend zu einem fundamental neuen Verständnis der ersten Augenblicke nach dem Urknall beigetragen. Diese Theorie der kosmischen Inflation hatte sich in seinem Alltag ausgedehnt und das meiste seiner Zeit beansprucht. Nur vereinzelt und aufs Geratewohl schrieb er Museen an, bat sie um Gesteinsproben und wertete sie mit dem bloßen Auge aus, immer auf der Suche nach Anzeichen für Quasikristallinität.

Quasikristalle_karte_florence
Als er 1998 an die Universität Princeton ging, begann er, gemeinsam mit Kollegen einen Algorithmus zu entwickeln, um sich durch eine Datenbank mit Tausenden Beugungsmustern verschiedener Gesteinspulver zu arbeiten.

Das Team ließ sich vielversprechende Kandidaten von Museen und Sammlungen zusenden, zersägte die unzähligen Proben zu kleinen Würfeln – und brütete daraufhin vor den Beugungsmustern aus dem Elektronenmikroskop. „Und wir scheiterten“, sagt Steinhardt. „Wieder und wieder und wieder.“

Im Jahr 2001 veröffentlichte die Gruppe eine Studie über ihr Scheitern, in der Hoffnung, dass sich jemand melden würde, der ihnen noch weitere Gesteinsproben geben könnte (Physical Review Letters, vol. 87, p. 275507). Sechs Jahre lang warteten sie vergeblich – bis Steinhardt eines Tages eine E-Mail von Luca Bindi erhielt.

Bindi war Leiter der Abteilung Mineralogie am Naturhistorischen Museum der Universität Florenz und auf natürliche Mineralien mit komplexen Strukturen spezialisiert. „Dass von allen Mineralogen auf der Welt ausgerechnet er sich auf unseren Aufruf hin gemeldet hat, war ein unglaubliches Glück“, sagt Steinhardt. „Er hat sich sofort passioniert unserem Projekt angeschlossen. Er wurde genauso besessen wie ich.“

Bindi begann, sich durch die Steine in seinem Museum zu arbeiten, die bereits in der Datenbank waren, und als er damit fertig war, ging er zu denen über, die es noch nicht waren. Einer davon war ein gefleckter Stein mit weißen, grauen, schwarzen und gelben Einschlüssen, die etwa drei Millimeter maßen. Der Beschriftung zufolge war es ein Mineral mit dem Namen Khatyrkit und stammte aus dem Korjakengebirge weit im Osten Sibiriens.

Die chemische Zusammensetzung des Khatyrkits klang vielversprechend: Es enthält Aluminium und Kupfer, genau wie einige der ersten künstlich hergestellten Quasikristalle. Sein Beugungsbild ergab gute Werte. Anfang 2009 schickte Bindi einige Körner von etwa einem Zehntelmillimeter Durchmesser nach Princeton, damit Steinhardt sie mit dem Elektronenmikroskop genauer vermessen lassen konnte. Da endlich hielten sie das Ergebnis in Händen (Science, vol. 324, p. 1306). „Es war einfach großartig – so einen perfekten Quasikristall hatte ich noch nie gesehen“, erinnert sich Steinhardt.

Leider hatte die Entdeckung ihren Preis: Um das Beugungsmuster des Steins untersuchen zu können, hatte Bindi ihn fast vollständig zermahlen müssen. Das bisschen, was übrig war, lieferte keine Anhaltpunkte mehr auf seinen Ursprung. Besonders Lincoln Hollister, ein Geologe an der Universität Princeton, den Steinhardt mit ins Boot geholt hatte, empörte sich darüber: „Um den natürlichen Quasikristall zu entdecken, musste er alle Hinweise auf seine Entstehung zerstören. Für mich war das Blasphemie“, erinnert sich Hollister.

Im Laufe des nächsten Jahres untersuchten Steinhardt und seine Kollegen jedes verbleibende Körnchen des Steins, um alles herauszufinden, was sie noch konnten. Dabei stellten sie immer wildere Theorien bezüglich seiner Entstehung auf: Blitze, hydrothermale Quellen wie die schwarzen Raucher am Meeresgrund, Vulkane, Schlacke aus der Aluminiumherstellung, Atomexplosionen. Doch keine Erklärung war zufriedenstellend.

Die erste Ahnung vom Ursprung des Steins brachte ein Krümel, den die Forscher ans California Institute of Technology in Pasadena schickten, um seine Sauerstoffisotope vermessen zu lassen: Das Isotopengemisch stimmte exakt mit dem einer bestimmten Klasse von Meteoriten überein, den CV3-kohligen Chondriten.

Sie entstanden vor rund 4,5 Milliarden Jahren während der Geburt des Sonnensystems. Das, zusammen mit der Tatsache, dass die Siliziumverbindung Stishovit im Stein vorkommt, die nur bei hohen Temperaturen und Drücken entsteht, überzeugte die Wissenschaftler, dass ihr Quasikristall beim Zusammenprall zweier Asteroiden im All entstanden und später auf die Erde gefallen war. Es sah ganz danach aus, als wäre der Quasikristall tatsächlich natürlichen Ursprungs – allerdings nicht von dieser Welt.

Das war also der Punkt, an dem Steinhardt 2011 angelangt war. Ein Krümel am Ende eines Glasstäbchens und noch immer eine Menge unbeantworteter Fragen: Wie alt war der Stein? Wie hatte er es geschafft, die Zeit zu überdauern? War er einmalig, oder gab es noch viele andere wie ihn? Um das herauszubekommen, musste Steinhardt in die Wildnis Sibiriens aufbrechen.

Doch vorher galt es, das Rätsel zu lösen, wohin genau die Reise überhaupt gehen sollte. Das Schildchen in Florenz mit der Aufschrift „Korjakengebirge“ war keine große Hilfe – der Gebirgszug ist einer der größten in Sibirien. Ebenfalls keine große Hilfe war die Notiz, die Bindi in den Aufzeichnungen des Museums fand. Demnach war dies einer von 10.000 Steinen, die das Museum im Jahr 1990 von einem Sammler namens Niko Koekkoek aus Amsterdam gekauft hatte. Doch der Mann war nicht auffindbar.

Quasikristalle_karte_route

Umfassende Nachforschungen förderten jedoch ein zweites Gesteinsstück aus Khatyrkit zutage. Es war Teil einer Museumskollektion in Sankt Petersburg und daher für Steinhardt und seine Mikroskopie unzugänglich. Dieser Stein war eine Schenkung von Leonid Razin, einem ehemaligen Leiter des sowjetischen Platin-Instituts, der später nach Israel ausgewandert war. Doch als Steinhardt ihn mithilfe eines Übersetzers anrief, sagte Razin, er wisse nichts über das Khatyrkit. So verlief eine weitere Spur im Sande.

Und dann kam der Tag, an dem sich ein unglaublicher Glücksfall ereignete. Bindi erzählte einem Amsterdamer Bekannten von der Suche nach dem Ursprung des Quasikristalls. Es stellte sich heraus, dass dieser in derselben Straße wohnte wie eine Dame mit dem Nachnamen Koekkoek. Es war niemand anderes als Niko Koekkoeks Witwe. Bindi machte sich auf den Weg nach Amsterdam und überredete sie, ihm die Aufzeichnungen ihres Mannes zu zeigen – und ein zweites, noch intimeres Tagebuch. So konnte Bindi den Khatyrkit zurückverfolgen zu einem Steinhändler namens Tim, der ihn 1987 an Koekkoek verkauft hatte. Und Tim wiederum hatte den Khatyrkit von … Razin.

Es sah also ganz danach aus, als seien Steinhardts Stein und derjenige in Sankt Petersburg Verwandte. Durch diese Erkenntnis angespornt, führte weitere Detektivarbeit die Wissenschaftler zum einzigen Menschen, der den Ursprungsort der Steine kannte, weil er sie gefunden hatte: Valery Kryachko.

Kryachko, heute über 60 Jahre alt, arbeitete 1979 am Platin-Institut und war von Razin an den Fluss Listvenitovyi im Korjakengebirge geschickt worden, um Platin zu suchen. Tagelang hatte Kryachko sich durch den blaugrünen Schlamm des Flussbetts gewühlt, hatte zwar Gold und andere glänzende Steine gefunden, aber kein Platin. Um zu beweisen, dass er nicht untätig gewesen war, brachte er Razin einige der seltsamen Steine mit.

Er sah sie nie wieder. Razin nahm die Steine und verkaufte sie an Sammler. „Razin dachte wohl, er sei ziemlich clever“, sagt Steinhardt, „aber er hat sich den Hauptpreis entgehen lassen.“ Was kein Wunder war, schließlich hatte zu jener Zeit niemand auch nur von Quasikristallen gehört.

Zumindest hatte die Truppe nun ein Ziel für ihre Expedition – und bekam auch bald das Geld dafür zusammen. „Interessanterweise lassen sich reiche Menschen mit zwei Dingen beeindrucken: Dinosaurier und Meteoriten“, sagt Steinhardt. „Wir mussten nur die Meteoritenfans finden.“ Und so fanden sich Steinhardt, Bindi und Kryachko am 22. Juli 2011 in Anadyr wieder, einer abgelegenen Stadt am östlichen Ende Sibiriens. Mit von der Partie waren auch Sohn Will Steinhardt, sechs weitere Wissenschaftler aus Russland und den USA, zwei Lastwagenfahrer, ein Anwalt, der bei den zahlreichen rechtlichen Hürden half und zudem als Koch einsprang, und die Katze des Anwalts namens Bucks.

Quasikristalle_karte_anadyr
Steinhardt senior hatte nicht damit gerechnet, selbst mit auf diese Expedition zu fahren. „Jeder wusste, wie extrem unwahrscheinlich es war, dass wir auch nur einen einzigen weiteren dieser Steine finden würden“, erzählt er. „Aber dann kommt der Punkt, an dem man einfach sagen muss: Ich gebe alles. Ich hatte wirklich keine Ahnung, in was ich mich da hineinbegab.“ Es würde schon ein großer Erfolg sein, wenn sie die Region kartografieren und das geologische Umfeld des Steins verstehen könnten.

Sie hatten ausreichend Gelegenheit, dieses Umfeld zu würdigen, als sie die nächsten vier Tage fern jeder Straße in ausgemusterten Militär-Kettenfahrzeugen durch Wolken von Mücken fuhren. Sie aßen Pilze, Dosenfleisch und Fische, die sie in den Flüssen entlang ihrer Strecke fingen. Endlich erreichten sie die Gegend, in der Kryachko die beiden Steine mehr als 30 Jahre zuvor aus dem Schlamm gespült hatte. „Wir zelteten mitten im Nirgendwo, wühlten uns durch den Matsch und aßen abends frischen Lachs und Kaviar“, erzählt Will Steinhardt. „Es war surreal.“

Surreal – und anstrengend. Der dicke Lehm ließ bereits am ersten Tag zwei ihrer Schaufeln brechen. Schließlich sägten sie ihn stückweise mit Spachteln und Messern aus dem gefrorenen Fluss aus. Dann kochten sie den Matsch auf und siebten ihn durch. Die Ausbeute am Ende jeden Tages war eine kleine Menge feinkörnigen Sandes, die gerade mal einen Fingerhut gefüllt hätte. Bindi spielte trotzdem für alle den Optimisten. „Ich war von Anfang an restlos überzeugt, dass wir noch mal Glück haben könnten“, sagt er. „Ich erinnere mich, wie sie über mich lachten: Luca, du siehst überall nur noch Quasikristalle.“

Es kommt der Punkt, an dem man einfach sagen muss: Ich gebe alles. Ich hatte wirklich keine Ahnung, in was ich mich da hineinbegab.

Paul Steinhardt

Erst nach ihrer Rückkehr nach Princeton stellte sich heraus, dass er recht behalten hatte. Unter den erbeuteten möglichen Kandidaten fanden sich neun Körnchen eines Meteoriten, der etwa vor 15.000 bis 8000 Jahren auf die Erde getroffen war. Und vier bis fünf dieser Körnchen wiederum enthielten Quasikristalle.

Quasikristalle_karte_princeton

Die Proben warfen wieder einmal mehr Fragen auf. Neben Quasikristallen fand sich im Meteoritenmaterial auch pures Aluminium; eine Seltenheit in der Natur, da das Metall sehr leicht Verbindungen mit Sauerstoff eingeht. Noch seltsamer war, dass die Proben auch metallisches Kupfer enthielten, das unter ganz anderen Bedingungen entsteht als Aluminium.

„Der Quasikristall ist der bekannte Teil der Geschichte, aber wie sind all seine Freunde dahin gekommen?“, fragt Steinhardt. Eine mögliche Erklärung ist, dass sie von einem großen Asteroiden stammen, auf den kleinere Brocken einschlugen. Dabei wurden einige Teile so stark erhitzt und dadurch aufgeschmolzen, dass metallisches Aluminium und Kupfer frei wurden und sich schließlich auch die quasikristallinen Körner bildeten. In der eisigen Kälte des Alls kühlte das Gestein dann so schnell wieder ab, dass die Körner schockgefroren wurden und überlebten.

In gewissem Sinne war Steinhardts Suche also gescheitert. Die Geschichte des winzigen Gesteinsstücks – eine kosmische Kollision, ein glutheißer Sturz durch die Erdatmosphäre und einige Tausend Jahre Schlaf im Permafrostboden – ist nicht gerade ein geeignetes Vorbild dafür, wie man einfach im Labor Quasikristalle herstellen kann. Aber wie es sich für eine gute Besessenheit gehört, macht Steinhardt keine Anstalten aufzugeben. Jetzt allerdings will er das nicht mehr unbedingt wie Indiana Jones tun, sondern eher wie Bilbo Beutlin am Ende von Der Hobbit das wilde Reisen sein lassen.

„Wir wissen jetzt, dass es ein Meteorit ist, und der könnte genauso gut hinter meinem Haus gelandet sein“, sagt er. „Wir haben einen natürlichen Quasikristall gefunden. Also muss es auch weitere geben.“

Quasikristalle_wholecrew