Optischer Pump-Probe-Aufbau für Wärmeleitfähigkeitsmessungen in planetaren Materialien

• Fachliche Zuordnung: Mineralogie, Petrologie und Geochemie
• Förderung: Förderung in 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 460605205

Die Wärmeleitfähigkeit von planetaren Materialien ist eine grundlegende Eigenschaft, welche die Abkühlungsraten und die thermische Entwicklung von planetaren Körpern, und damit deren heutige Struktur und innere Dynamik, bestimmt. Die Wärmeleitfähigkeit von Materialien im tiefen Inneren von planetaren Körpern ist jedoch bei relevanten Druck-Temperatur-Bedingungen, d.h. jenseits des Mbar-Druckbereiches und bei mehreren tausend Kelvin, bisher ungenügend verstanden. Um diese Wissenslücke zu schließen, werden am Institut für Mineralogie der WWU Münster neue experimentelle Einrichtungen für Wärmeleitfähigkeitsmessungen unter Verwendung ultraschneller optischer „Pump-Probe“ Techniken in Verbindung mit Diamantstempelzellen entwickelt. Gegenwärtig gibt es jedoch keine etablierte Technik, die Messungen der Gitterwärmeleitfähigkeit über einen breiten Bereich von interessanten Temperaturen ermöglicht, z.B. von 230 K im Inneren kleiner Eiskörper bis über 5000 K im Mantel von felsigen oder eisigen (Exo-)Planeten. Daher werden zwei Teilsysteme, die auf den “Time-domain thermo-reflectance“ (TDTR) und „Flash heating“ Techniken basieren, in einem einzigen Instrument kombiniert, das es derzeit in keiner Einrichtung im In- oder Ausland gibt. Das neue Instrument wird in den nächsten Jahrzehnten eine zentrale Rolle in den Forschungsaktivitäten der federführenden Arbeitsgruppe spielen und die interdisziplinäre Zusammenarbeit an den Grenzen zwischen Geowissenschaften und Materialwissenschaften fördern. Das Instrument soll grundlegende, neue Daten zu den thermischen Eigenschaften einer Vielzahl relevanter Verbindungen liefern; darunter Mantelsilikate und -oxide, Eisenlegierungen, Schmelzen und planetare Eismaterialien, um unter anderem die Wärmeleitfähigkeit von Planetenkernen, die Wärmeflüsse an der Kern-Mantel-Grenze, oder die thermische Entwicklung planetarer Eiskörper weiter zu erforschen. Darüber hinaus sind Anwendungen zur Untersuchung der Wärmeströme in einer Vielzahl technischer und funktioneller Materialien in Zusammenarbeit mit materialwissenschaftlichen Forschungsgruppen an der federführenden Institution vorgesehen.

• DFG-Verfahren: Forschungsgroßgeräte
• Großgeräte: Optischer Pump-Probe-Aufbau für Wärmeleitfähigkeitsmessungen in planetaren Materialien
• Gerätegruppe: 8690 Sonstige Meßgeräte für thermische Größen (außer 860-868)
• Antragstellende Institution: Universität Münster
• Leiterin: Professorin Carmen Sanchez-Valle, Ph.D.