EIN WASSER-ION NACH DEM ANDEREN: IN DER KÄLTE SCHLÄGT WASSERSTOFF DEUTERIUM

Zwischen den Sternen, in Wolken, in denen die Temperatur auf wenige Kelvin sinken kann – wenige Grad über dem absoluten Nullpunkt –, läuft die Chemie vor allem über Reaktionen zwischen geladenen und neutralen Molekülen, die oft keine Energie brauchen, um in Gang zu kommen. Eine Schlüsselrolle spielt das Wasser-Kation (ein positiv geladenes Wassermolekül) H₂O⁺, eine Zwischenstufe auf dem Weg zu Wasser im interstellaren Gas. Trifft es auf HD – ein Wasserstoffmolekül, in dem ein Atom Deuterium ist, die schwere Form des Wasserstoffs –, kann es eines der beiden Atome stehlen:

das H nehmen und zu H₃O⁺ werden, wobei ein D frei wird;
das D nehmen und zu H₂DO⁺ werden, wobei ein H frei wird.

Welcher Weg genommen wird, bestimmt, wie sich Deuterium im All auf die Moleküle verteilt, seine „Fraktionierung“. Frühere Experimente zeigten, dass dieses Gleichgewicht stark von der Stoßenergie abhängt – also von der örtlichen Temperatur.

Die Labore hörten bei 350 Kelvin auf

Bisherige Messungen deckten Stoßenergien von 0,03 bis 10 Elektronenvolt ab. Die niedrigste, 0,03 eV, ist die typische Stoßenergie in einem Gas von etwa 350 Kelvin: um Größenordnungen wärmer als kalte Molekülwolken. Nach unten zu extrapolieren ist riskant, argumentieren die Autoren: In der Kälte können Quanteneffekte wie der Tunneleffekt entscheidend werden. Der einzige Tieftemperaturwert, den sie kennen, 57 % zu 43 % zugunsten von H₃O⁺, stammt aus einer Falle, die 13 Kelvin erreichen konnte – doch die genaue Temperatur jener Messung wurde nie angegeben.

Ein Ion, ein Partner

Nanditha Sunil Kumar, Prerna Paliwal, Stefan Willitsch und Kollegen von der Universität Basel haben zusammen mit Anyang Li von der Northwest University in Xi’an (China), Hua Guo von der University of New Mexico (USA) und weiteren Forschenden einen Weg gefunden, die Reaktion Molekül für Molekül zu beobachten.

Ihre Hochfrequenz-Ionenfalle sitzt bei 5,4 Kelvin in zwei kalten Strahlungsschilden, in einem Vakuum von etwa 4 × 10⁻¹⁴ Millibar. Jeder Durchgang beginnt mit einigen Dutzend Calcium-Ionen, die mit Lasern gekühlt werden, bis sie zu einem geordneten Muster erstarren, einem sogenannten Coulomb-Kristall. Ein Laserpuls verwandelt dann ein Molekül aus einem Wasserdampfstrahl in ein einzelnes H₂O⁺-Ion im Kristall. Die Calcium-Ionen leuchten unter den Lasern; das Wasser-Ion nicht, daher erscheint es als dunkler Fleck. Allein durch die Wechselwirkung mit den kalten Calcium-Ionen wird es auf wenige Tausendstel Kelvin gekühlt. Dann wirft das Team Calcium-Ionen hinaus, bis nur noch ein Paar übrig ist: ein Calcium-Ion, ein Wasser-Ion.

Links eine Schnittzeichnung der zylindrischen kryogenen Falle mit ihren Laserstrahlen; in der Mitte leuchtende Calcium-Ionenkristalle, die auf ein einzelnes Ion schrumpfen; rechts eine Aufzeichnung der Position des Calcium-Ions, die zwischen zwei Niveaus springt und sich nach der Reaktion beruhigt.

Der Aufbau (links), der auf ein Calcium-Ion und das dunkle Wasser-Ion geschrumpfte Calciumkristall (Mitte) und der Moment der Reaktion: Das Calcium-Ion hört auf zu zittern (rechts). — Abbildung 1, Sunil Kumar et al. (2026), arXiv:2610.32904.

HD-Gas mit etwa 97 % Reinheit wird eingelassen. Bevor seine Moleküle das Ion erreichen, prallen sie viele Male an den kalten Wänden ab und bleiben daran haften, bis sie deren 5,4 Kelvin angenommen haben. Die Stoßenergie stammt fast ganz aus der Bewegung der HD-Moleküle, das Ion trägt nur sehr wenig bei: Im Mittel beträgt sie 0,6 Millielektronenvolt (das Elektronenvolt ist eine Energieeinheit für einzelne Teilchen), was etwa 7 Kelvin entspricht, auf derselben Skala wie die 350 Kelvin weiter oben.

Das Produkt wiegen, ohne es zu berühren

Wie erkennt man, welches Produkt entstanden ist? An seiner Masse. Das Ionenpaar schwingt entlang der Falle mit einer Frequenz, die von der Masse des dunklen Ions abhängt: 531,9 Kilohertz mit H₂O⁺, 529,2 mit H₃O⁺, 526,4 mit H₂DO⁺. Das Team rüttelt das Paar bei 531,9 kHz; das Bild des Calcium-Ions verschwimmt. Reagiert das Wasser-Ion, ändert sich seine Masse, das Rütteln wirkt nicht mehr, und das Bild wird scharf. Das Ausprobieren der beiden anderen Frequenzen verrät das Produkt.

Eine Reaktion erfolgt typischerweise nach etwa 100 Sekunden. Restwasserstoff im Vakuum kann das Ion ebenfalls in H₃O⁺ verwandeln, im Mittel aber erst nach etwa 4,5 Stunden, sodass er die Zählung kaum beeinflusst.

271 zu 170

In 16 Tagen zeichnete das Team 441 Reaktionen auf: 271 H₃O⁺ und 170 H₂DO⁺. Weil etwa 3 % des Gases gewöhnlicher Wasserstoff waren, H₂, der nur H₃O⁺ liefern kann, zogen die Forschenden dessen erwarteten Anteil ab. Das Ergebnis: ein Verhältnis von 1,50 ± 0,15, also etwa 60 % H₃O⁺ gegenüber 40 % H₂DO⁺. Der Wasserstofftransfer gewinnt in der Kälte, wie es auch bei höheren Energien beobachtet wurde, wenn auch weniger deutlich als bei manchen von ihnen.

Links gestapelte Balken mit den täglichen Produktzahlen und den täglichen Verhältnissen; rechts das Verhältnis gegen die Stoßenergie auf logarithmischer Skala, mit dem neuen Punkt weit links von den früheren Daten.

Links die an jedem der 16 Tage gezählten Produkte und das tägliche Verhältnis. Rechts das Verhältnis gegen die Stoßenergie: Die neue Messung (blaues Quadrat) liegt bei weit niedrigerer Energie als frühere Experimente (grau) und neben neuen Simulationen (rote Dreiecke). — Abbildung 2, Sunil Kumar et al. (2026), arXiv:2610.32904.

Gefangen in einer Mulde

Um das Ergebnis zu deuten, ließ das Team Computersimulationen des Stoßes laufen: 20.000 simulierte Stöße (Trajektorien) je Stoßenergie, von 0,9 Millielektronenvolt bis 0,9 Elektronenvolt. Das vorhergesagte Verhältnis steigt mit der Energie, erreicht um 40 bis 80 Millielektronenvolt ein Maximum und fällt dann.

Zwei Mechanismen konkurrieren. Bei hoher Energie verläuft die Reaktion direkt: Das Atom wird in einem einzigen schnellen Vorbeiflug geschnappt, ohne dass die Partner beieinander verweilen. Bei niedriger Energie bleiben die meisten Stöße eine Weile in einer Senke der Energielandschaft gefangen – durch ihre gegenseitige Anziehung zusammengehalten wie eine Murmel in einer Mulde –, bevor sie reagieren. Dort verteilt sich die Energie des Aufpralls auf die Schwingungen des vorübergehenden Komplexes, und die Vorliebe für Wasserstoff verblasst. Je länger der Komplex lebt, desto schwächer die Vorliebe: In den Simulationen bei etwa 10 Kelvin sinkt das Verhältnis unter den gefangenen Stößen von 1,35 für die kürzesten Aufenthalte auf 1,21 für die längsten.

Eine offene Lücke

Die Simulationen ergeben 1,15 bei 0,9 Millielektronenvolt (etwa 10 Kelvin); das Experiment ergibt 1,50. Die Autoren sprechen von qualitativer Übereinstimmung. Die Lücke könnte von Quanteneffekten stammen, die die Simulationen weglassen, etwa dem Tunneln von Wasserstoff, oder von Fehlern in der berechneten Energielandschaft. Sie könnte auch am Gas selbst liegen: Unterhalb von etwa 10 Kelvin haften H₂ und HD womöglich unterschiedlich an den Wänden und an der Aktivkohle, die Restgas abpumpt; wie sich die Kohle bei diesen Temperaturen verhält, ist unbekannt. Gelangt mehr H₂ zum Ion als die angenommenen 3 %, schreiben die Autoren, könnte das gemessene Verhältnis von 1,50 eine Überschätzung sein.