Kernisomere als Energiespeicher

Energie kontrolliert speichern und wieder entnehmen zu können, zählt zu den wichtigen Herausforderungen unserer Zeit. Eine Möglichkeit dafür bieten langlebige, angeregte Zustände von Atomkernen, sogenannte Kernisomere. Was geschieht, wenn man die Energie solcher Kernisomere mithilfe eines Röntgenlasers freisetzt, hat jetzt ein Forscherteam um Jonas Gunst vom Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg theoretisch untersucht. Zu ihrer Überraschung stellten die Wissenschaftler fest, dass ein zuvor als Nebeneffekt angesehener, elektronischer Prozess stärker auf die angeregten Kerne wirkt als die Röntgenstrahlung selbst.

In der Mitte ein Klumpen aus Kugeln in zwei Farben, die Protonen und Neutronen, also den Atomkern von Molybdän darstellen. Darüber parallele Kreisbögen, deren Abstände von unten nach oben kleiner werden, bis sie in ein Kontinuum aus dichtliegenden Kreisbögen münden. Zwei kleine Kreisscheiben auf dem untersten Kreisbogen symbolisieren Elektronen, die direkt um den Atomkern kreisen. Der Einfang eines freien Elektrons – dargestellt durch eine dritte Kreisschreibe im Kontinuum – wird durch einen Pfeil auf die näher am Atomkern liegenden Kreisbögen symbolisiert. Unterhalb des Atomkerns befinden sich vier parallele Linien, die verschiedene Energieniveaus des Atomkerns selbst darstellen. Ein Pfeil nach oben zeigt die Anregung vom dritthöchsten Zustand, dem Isomerzustand, zum höchsten Anregungszustand, auch Triggerzustand genannt. Von dort weist ein zweiter, langer Pfeil nach unten auf die zweithöchste Linie. Ein dritter gestrichelter Pfeil zeigt von dort senkrecht nach unten auf die unterste Linie, den Grundzustand.
Zerfallsschema von Molybdän-93

Gunst und seine Kollegen betrachteten ein hypothetisches Szenario, in dem eine Folie aus metallischem Niob mit Wasserstoffkernen beschossen wird. Aus den Niobkernen entstehen dabei angeregte Molybdänkerne, die 93 Protonen und 93 Neutronen enthalten. Eine solche Probe könnte für einige Stunden gelagert und dann mit Röntgenlicht bestrahlt werden, um die gespeicherte Energie freizusetzen. Der Zerfall der Molybdän-Kernisomere lässt sich jedoch nicht ohne Weiteres beeinflussen oder kontrollieren. Daher wählten die Forscher einen Umweg: In ihrer Simulation regten sie die Kernisomere mit externen Feldern weiter an, bis ein noch höherer, kurzlebiger Anregungszustand erreicht war. Mit einer verhältnismäßig geringen Energie kann dann die gesamte Anregungsenergie des Kerns auf einen Schlag freigesetzt werden.

Die Forscher haben berechnet, dass im Fall der Molybdänkerne eine Energie von fünf Kiloelektronenvolt genügt, damit die Kerne Gammastrahlung mit einer Energie von 2,4 Megaelektronenvolt aussenden. Photonen mit fünf Kiloelektronenvolt können heute bereits von sogenannten Freie-Elektronen-Lasern erzeugt werden. Treffen die Strahlen eines solchen hochenergetischen Röntgenlasers auf ein Material wie Molybdän, so entsteht ein Plasma: Die Elektronen werden von ihren Atomen getrennt und schwingen frei um die verbliebenen Ionen herum. Unter bestimmten Bedingungen können einige Ionen die freien Elektronen wieder einfangen, sodass gleichzeitig ihr Atomkern angeregt wird. Die theoretischen Rechnungen deuten darauf hin, dass die Photonen aus dem Röntgenlicht genau die passende Energie dazu liefern. Zu ihrer Verblüffung stellten die Forscher fest, dass der Elektroneneinfang – ein bisher wenig beachteter Nebeneffekt – um Größenordnungen mehr Kerne anregt als die Röntgenstrahlung allein.

„Diese Schlussfolgerung ist keineswegs nur für den Fall von Molybdän-93 relevant. Bei fast allen Kernanregungen, die man heutzutage mit dem Röntgenlaser erreichen könnte, wird die Kernanregung durch Elektroneinfang statt Nebenwirkung den Hauptbeitrag liefern“, erläutert Erstautor Jonas Gunst vom Max-Planck-Institut für Kernphysik. „Das kann von großer Bedeutung für zukünftige Kernphysikexperimente mit Röntgenlasern sein.“ Die Wahrscheinlichkeit, mit dem die Energie des Kernisomers freigesetzt wird, ist allerdings noch zu gering, um von effizienter Kontrolle zu sprechen. „Wir sind leider noch weit weg von der Kernbatterie der Zukunft“, gibt Koautorin Adriana Pálffy vom Max-Planck-Institut für Kernphysik zu, „aber unsere Ergebnisse zeigen, dass auch positive, in unserem Fall verstärkende Überraschungen auftreten können.“