Ein natürlicher Radiator unter unseren Füßen
Wenn Sie an einem kalten Winterabend einen 1000-Watt-Heizstrahler einschalten, gibt die Erde Tausende Kilometer unter Ihren Füßen ebenfalls kontinuierlich Wärme ab. Würde man die gesamte aus dem Erdinneren freigesetzte Wärmeenergie gleichmäßig auf die Oberfläche verteilen, strahlte jeder Quadratmeter kontinuierlich Energie ins All ab. Diese unterirdische Wärmequelle ist der grundlegende Motor unseres aktiven Planeten, der die Plattentektonik antreibt und das Geodynamo speist, welches das Erdmagnetfeld erzeugt.
Geophysiker schätzen, dass die interne Wärme der Erde hauptsächlich aus zwei Quellen stammt: der primordialen Restwärme aus der Entstehungszeit des Planeten vor 4,5 Milliarden Jahren und der radiogenen Wärme aus dem radioaktiven Zerfall von Elementen wie Uran, Thorium und Kalium im Erdmantel. Ohne die ständige Wärmezufuhr durch den Zerfall wäre das Erdinnere längst abgekühlt und erstarrt – ähnlich wie der Mond, der weder Vulkane noch Erdbeben noch ein schützendes Magnetfeld besitzt. Die Zerfallswärme radioaktiver Elemente macht etwa die Hälfte des gesamten Wärmeverlusts der Erde aus, was der Leistung von Zehntausenden gleichzeitig betriebenen Kernkraftwerken entspricht.
Traditionell stützt sich die Geophysik auf Seismologie, um das Erdinnere zu erkunden. Durch die Messung der Laufgeschwindigkeiten von Erdbebenwellen durch verschiedene Schichten können Wissenschaftler die Dichte und Festigkeit des Untergrunds kartieren – vergleichbar mit einer Ultraschalluntersuchung der Erde. Seismische Wellen können jedoch die chemische Zusammensetzung nicht unterscheiden. Wie viel Uran und Thorium sich tatsächlich im tiefen Mantel befinden, ließ sich bislang nicht präzise quantifizieren.
„Geisterteilchen“, die durch Wände gehen
Der Durchbruch gelang mit einem Teilchen, das ursprünglich in der Astrophysik erforscht wurde. Neutrinos – Elementarteilchen mit winziger Masse, ohne elektrische Ladung und mit fast keiner Wechselwirkung mit gewöhnlicher Materie, von denen in jeder Sekunde Billionen Ihren Körper durchqueren – besitzen eine erstaunliche Durchdringungskraft. Wenn Uran und Thorium im Erdinneren zerfallen, senden sie eine spezifische Art von Neutrinos aus: Geoneutrinos (Neutrinos, die beim radioaktiven Zerfall natürlicher Elemente wie Uran, Thorium und Kalium im Erdinneren freigesetzt werden).
Geoneutrinos dienen als direkte chemische Botenstoffe aus den Tiefen des Mantels. Unbeeinflusst von kilometerdickem Gestein durchdringen sie den 2900 Kilometer dicken Erdmantel und die Erdkruste geradlinig in Richtung Weltraum. Gelingt es Wissenschaftlern, diese Teilchen an der Erdoberfläche einzufangen, können sie den tatsächlichen Gehalt an radioaktiven Elementen im Untergrund direkt berechnen.
Wie Ryan Bayes, Wissenschaftler beim SNO+-Experiment an der Queen’s University, erklärt, handelt es sich hierbei um die einzige Neutrinostudie, die auf die Erde selbst gerichtet ist, während andere Observatorien Signale aus den Tiefen des Weltalls untersuchen. Das Einfangen dieser Geisterteilchen verleiht der Geologie ein Instrument zur direkten Messung der chemischen Zusammensetzung unseres Planeten.
Eine riesige Detektorkugel zwei Kilometer unter der Erde
Der Nachweis von Geoneutrinos ist extrem schwierig. Da Neutrinos nur äußerst selten mit Materie kollidieren, haben Wissenschaftler weltweit in den letzten Jahrzehnten zwar Hunderttausende gewöhnlicher Neutrinos registriert, aber nur wenige Hundert Geoneutrinos. Um der störenden kosmischen Strahlung an der Erdoberfläche zu entkommen, müssen die Detektoren tief unter der Erde gebaut werden.
Im November 2025 gelang dem SNO+-Experiment in der Creighton-Mine bei Sudbury in Kanada – zwei Kilometer unter der Erdoberfläche – der Nachweis von Geoneutrinos. Dies war die erste Aufzeichnung solcher Neutrinosignale aus dem tiefen Erdinneren in der westlichen Hemisphäre und steuerte etwa 50 wertvolle Ereignisse zur globalen Datenbank bei. Der SNO+-Detektor enthält 780 Tonnen Flüssigszintillator (eine spezielle chemische Flüssigkeit, die bei Kollisionen mit hochenergetischen Teilchen minimale Lichtblitze aussendet), umgeben von knapp 10.000 hochempfindlichen Photomultipliern an der Kugelwand.
Um Verunreinigungen von der Oberfläche zu vermeiden, sind die Sicherheitsbestimmungen beim Betreten des Untertagelabors extrem streng. Das gesamte Personal muss gründlich duschen und Reinraumkleidung anziehen. Der Detektortechniker Matt Depatie erklärt Besuchern häufig, dass die Duschen rein wissenschaftlichen Zwecken dienen: Schon ein einziger Staubpartikel von der Oberfläche enthält genug natürliche Radioaktivität, um das Experiment zu ruinieren. Zuvor hatten nur das KamLAND-Experiment in Japan und das Borexino-Experiment in Italien Geoneutrinos nachgewiesen; der Erfolg von SNO+ markiert einen wichtigen Fortschritt für das globale Beobachtungsnetzwerk.
Abbildung: Mitarbeiter stehen unter dem riesigen kugelartigen Detektor zwei Kilometer unter der Erde beim kanadischen SNO+-Experiment. Quelle: Leo Duquette / SNOLAB
Das ungleichmäßige Mosaik des Erdmantels
Mit der Veröffentlichung der SNO+-Daten stießen Wissenschaftler beim Vergleich der Ergebnisse aller drei globalen Detektoren auf eine unerwartete Anomalie. Der Borexino-Detektor in Italien maß den höchsten Geoneutrinofluss, KamLAND in Japan den niedrigsten, während die Werte von SNO+ in Kanada genau dazwischen lagen.
Diese regionalen Unterschiede stellen bisherige Modelle infrage. In traditionellen Theorien galt der Erdmantel als eine sich durch Konvektion stark durchmischende zähflüssige Schicht, deren Zusammensetzung über Jahrmillionen hinweg homogenisiert worden sein sollte. Die Daten zeigen jedoch deutliche chemische Heterogenitäten im Erdmantel unter verschiedenen Kontinenten.
Weitere Analysen ergaben, dass Regionen mit höherem Geoneutrinofluss grob mit zwei gigantischen Strukturen an der Basis des Erdmantels übereinstimmen: den sogenannten Large Low-Shear-Velocity Provinces (LLSVPs, kontinentgroße, extrem heiße und dichte Gesteinsstrukturen an der Kern-Mantel-Grenze). Eine liegt direkt unter dem afrikanischen Kontinent, die andere unter dem Pazifischen Ozean. Mark Chen, Sprecher der SNO+-Kollaboration, betonte, dies könne der erste direkte Beweis für chemische Unregelmäßigkeiten im tiefen Erdmantel sein und auf bislang unverstandene Elementanreicherungen in der Tiefe hinweisen.
Abbildung: Im Inneren des italienischen Borexino-Detektors stehen Mitarbeiter vor der Innenwand aus Photomultipliern. Quelle: Volker Steger / LNGS-INFN
Das „HD-Zeitalter“ des chinesischen Jiangmen-Giganten
In den vergangenen zwei Jahrzehnten haben alle Detektoren weltweit zusammen nur wenige Hundert Geoneutrinos nachgewiesen – vergleichbar mit dem Versuch, eine riesige Höhle mit einer schwachen Taschenlampe auszuleuchten. Um die Verteilung der radioaktiven Wärme im Erdmantel vollständig zu entschlüsseln, sind wesentlich größere und empfindlichere Instrumente erforderlich.
Diese Aufgabe übernimmt das Jiangmen Underground Neutrino Observatory (JUNO) in Kaiping in der chinesischen Provinz Guangdong. Mit 20.000 Tonnen Flüssigszintillator ging JUNO im August 2025 offiziell in Betrieb und wird voraussichtlich noch 2026 erste Daten zum Geoneutrinofluss veröffentlichen. Aufgrund seiner enormen Größe wird JUNO bereits im ersten Betriebsjahr mehr Geoneutrinos registrieren als alle bisherigen Detektoren weltweit in mehreren Jahrzehnten zusammen.
William McDonough, Geochemiker an der University of Maryland und der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, betonte, dass die Datenflut von JUNO es der Forschung erstmals ermöglichen wird, eine echte chemische Karte des Erdinneren zu zeichnen. Wissenschaftler denken bereits darüber nach, Detektoren in mehreren Tausend Metern Tiefe auf dem Ozeanboden zu platzieren, um die Störeinflüsse der kontinentalen Erdkruste zu umgehen und Neutrinosignale direkt aus dem Mantel zu messen.
Abbildung: Im Inneren des chinesischen JUNO-Detektors ist die Kugelwand mit goldenen Photomultipliern bedeckt. Quelle: JUNO Collaboration / Quanta Magazine
Den wahren Herzschlag des Planeten erlauschen
Die Reifung der Geoneutrino-Detektionstechnologie führt die Erforschung des 2900 Kilometer dicken Erdmantels von indirekten Vermutungen hin zu direkten Messungen. Wo sich die Wissenschaft früher auf seismische Reflektionen stützen musste, kann sie nun über Geisterteilchen, die die Erdkruste durchdringen, den tatsächlichen Elementcode des Erdmantels auslesen.
Der radioaktive Zerfall von Uran und Thorium im Erdmantel bestimmt nicht nur die Wärmeabgabe der Erde, sondern steuert auch die Dynamik der Kontinentalverschiebung und die Entwicklung des Magnetfeldes. Die Kartierung des Geoneutrinoflusses hilft der Menschheit, die Energiequelle unseres Planeten neu zu verstehen.
Während riesige Datenmengen in das globale Beobachtungsnetzwerk einfließen, entfaltet sich Schritt für Schritt eine vollständige unterirdische chemische Karte. Die Menschheit steht auf der Erdoberfläche und hält über die Spuren dieser mikroskopischen Teilchen den Schlüssel zur tiefen Geschichte unseres Planeten in den Händen.
Referenzen:
- Berichterstattung in der Quanta Magazine
- Forschungsbericht der SNO+-Kollaboration
- Veröffentlichte Daten der JUNO-Kollaboration
