Nukleare Entsorgung: Nanometergroße „Fußbälle“ aus Plutonium

Karlsruher Forschende klären Struktur neuartiger kugelförmiger Käfigmoleküle aus Plutonium und lösen zugleich einen 80 Jahre alten Cold Case

Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) forschen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler seit mehr als vier Jahrzehnten zur Chemie von Actiniden, zu denen auch Plutonium gehört. Diese Elemente spielen eine wichtige Rolle hinsichtlich der sicheren Entsorgung radioaktiver Abfälle. In einer gemeinsamen Studie mit dem Joint Research Centre Karlsruhe gelang Forschenden des KIT nun ein wichtiger Fortschritt bei der Untersuchung von Plutonium(VI), einem chemischen Zustand von Plutonium.
„Wir haben untersucht, wie sich gelöste Plutoniumverbindungen bei unterschiedlichen pH-Werten verhalten“, erläutert Dr. David Fellhauer vom Institut für Nukleare Entsorgung des KIT. In wässrigen Lösungen dominieren dabei Komplexe mit drei Plutoniumatomen. Unter stark alkalischen Bedingungen bildeten sich daraus innerhalb weniger Tage kleine Kristalle, deren Struktur die Forschenden nun aufklären konnten.

Pu₆₀ – Nano-Fußball der Superlative

„Dabei haben wir zwei Kristallarten gefunden, die aus kugelförmigen Käfigeinheiten bestehen, in denen 60 Plutoniumatome über Sauerstoff verknüpft sind“, stellt Fellhauer fest. „Diese Pu₆₀-Cluster sind die größten bekannten Käfigverbindungen von Plutonium.“

Besonders ist ihre Geometrie: Die Anordnung der Atome entspricht einem Dodekaederstumpf, einem seltenen geometrischen Körper in der Strukturchemie. Damit unterscheidet sie sich deutlich vom bekannten Kohlenstoffmolekül C₆₀, das ebenfalls eine Kugelform annimmt und an einen Fußball erinnert.

Die neuen Ergebnisse liefern wichtige Einblicke in die Chemie der Actiniden. Gleichzeitig lösen sie ein jahrzehntealtes Rätsel: Bereits während des Manhattan-Projekts beobachteten Forschende ähnliche Kristalle. Mit den damaligen Methoden ließ sich ihre Struktur jedoch nicht bestimmen. Erst jetzt konnte das Team des KIT diesen Befund eindeutig erklären.

jho, 13.07.2026

Grafische Darstellung eines PU60-Moleküls, eines Fußballs als Vergleichsmodell und eines C60-Moleküls,, die deren kugelförmige Struktur veranschaulicht.

Vergleich der Struktur: Die 60 Plutoniumatome bilden einen Käfig mit ungewöhnlicher Geometrie. Die Anordnung der 32 Panels im Fußball entspricht der Struktur eines Ikosaederstumpfs, wie im C₆₀ (rechts), die der schwarzen Überstruktur hingegen der Dodekaederstumpf-Topologie des Pu₆₀ (links).