Staubpartikel als Katalysator bei der Bildung von Wasserstoff im Weltraum

Juniorprofessor belegt jahrzehntealte Theorie mithilfe von Computersimulation

(PresseBox) (Stuttgart, ) Dass Wasserstoffmoleküle H2 im Weltraum vorkommen, ist bekannt. Wie diese jedoch gebildet werden, dazu fehlten bislang die passenden Antworten. Johannes Kästner, Juniorprofessor für Computational Biochemistry im Exzellenzcluster SimTech, ist dies gemeinsam mit einem Kollegen der niederländischen Universität Leiden jetzt gelungen. Den entscheidenden Beitrag leisten demnach Tunneleffekte und Staubpartikel.

Tunneleffekte sind in der Physik und der Chemie hinreichend bekannte Phänomene. Dabei durchdringt ein quantenmechanisches Teilchen eine Barriere, die höher als seine eigene Energie ist. Ohne Tunneleffekt würde es von der Barriere zurückgeworfen. Verantwortlich ist das Tunneln unter anderem für den Zerfall von Atomen. Dass der quantenmechanische Effekt auch zur Bildung von Wasserstoffmolekülen im Weltraum entscheidend beiträgt, hat Jun.-Prof. Johannes Kästner vom Institut für Theoretische Chemie der Universität Stuttgart mit seinem niederländischen Partner Dr. Theodorus P. M. Goumans belegt. "Den Wasserstoffatomen gelingt es bei den niedrigen Temperaturen, die im interstellaren Medium vorherrschen, durch eine Energiebarriere zu tunneln. Mit anderen Worten: Mit Hilfe des Tunneleffekts überwinden sie die letzte Hürde, die der Molekülbildung entgegensteht", erklärt Kästner den Vorgang. Als Katalysator bei der Bildung der H2-Moleküle fungieren dabei feinste Staubpartikel. "Die Wasserstoffatome lagern sich zunächst an aromatischen Kohlenwasserstoffen an, bevor sie sich mit Hilfe der Tunneleffekte zu Molekülen zusammenschließen", beschreibt der 32-jährige die von ihm untersuchte Reaktion.

Bestätigen konnten Kästner und sein Forschungspartner den Effekt mithilfe von Computersimulationen, wie sie im Exzellenzcluster SimTech auf vielfältige Weise eingesetzt werden. Kästner: "Die Temperaturen und Zeitskalen, die im interstellaren Raum vorherrschen, lassen sich experimentell nicht ausreichend nachbilden. So ist es in diesem Fall unumgänglich, auf Simulationen zurückzugreifen. Die notwendige Rechenleistung zur Durchführung dieser komplexen Simulationen ist erst seit kurzem zugänglich." So erklärt sich auch, dass, obwohl die zugrunde liegende Methode schon seit Mitte der 1960er Jahre existiert, bisher nicht hinreichend verifiziert werden konnte, wie die Anlagerung der Wasserstoffatome vor sich geht.

Von seinem Forschungsausflug in den Bereich der Kosmologie erhofft sich der SimTech-Juniorprofessor vor allem methodische Impulse für die Arbeit in seinem eigentlichen Fachgebiet, der Biochemie. "Bei der Erforschung von Enzymen haben wir es nicht wie hier mit 13, sondern gleich mit mehreren Tausend Atomen zu tun", sagt Kästner. Allerdings ist er zuversichtlich, mit der eingesetzten Methodik auch in seinem Spezialbereich wichtige Fortschritte in der Grundlagenforschung zu erzielen.

Der Artikel zur Forschungsarbeit von Kästner und Goumans wurde veröffentlicht in der Zeitschrift "Angewandte Chemie International Edition", einer der renommiertesten wissenschaftlichen Publikationsorgane in der Chemie. Den Beitrag gibt es im Internet unter http://dx.doi.org/10.1002/anie.201001311 oder in der deutschsprachigen Version unter http://dx.doi.org/10.1002/ange.201001311.

Über SimTech:

Die Universität Stuttgart war mit SimTech im November 2007 beim Forschungscluster-Wettbewerb erfolgreich, der im Rahmen der Exzellenzinitiative von Bund und Ländern initiiert wurde. Die Exzellenzcluster werden auf Bundesebene von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) betreut. Der SimTech-Exzellenzcluster ist zentraler Kern des "Stuttgart Research Centre for Simulation Technology" (SRC SimTech), das die Universität Stuttgart bereits im April 2007 mit hochschuleigenen Mitteln eingerichtet hat. SimTech ist ein Querschnittszentrum und damit ein verbindendes Element zwischen den Fakultäten. Im Cluster werden die vielfältigen Expertisen der Universität Stuttgart auf dem Gebiet der Simulationstechnologien gebündelt und weiterentwickelt. Damit soll Stuttgart nachhaltig als international führender Standort auf diesem Gebiet positioniert werden. Neben der breit angelegten Grundlagenforschung, dem Lehrbetrieb mit eigenen Studiengängen und einer Graduiertenschule mit mehr als 80 Doktoranden wird auch der Transfer in die industrielle Anwendung gefördert. Namhafte Firmen, darunter Daimler und Bosch, unterstützen SimTech ideell und finanziell.

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