The thermodynamic description of molecular systems composed of water, ammonia, and methane at high pressure is the subject of the present cumulative thesis. The focus lies on the calculation of equations of state, phase diagrams, and their characterization by employing the quantum-statistical method density functional theory molecular dynamics (DFT-MD). Complementary to the extensive high-pressure water data existing in literature, we first investigate the thermodynamic properties of ammonia and methane. The resulting equations of state are verified by comparing them to experimental Hugoniot curves. From the simulations of methane, we obtain strong signs of demixing into diamond and hydrogen. Moreover, the properties of the binary and ternary mixtures of the three molecules are investigated. In particular superionic water-ammonia mixtures are proposed for the first time using evolutionary structure searching. Additionally, the linear mixing approximation for ammonia, methane, and water is validated and the diffusive properties of different mixtures are discussed. The obtained simulation results serve as input for modeling the interior structure of giant planets. Especially the pressure-temperature range up to 1 TPa and 20000 K is investigated. These conditions are relevant for Uranus, which is prototypical for the huge class of ice-rich exoplanets.
Die thermodynamische Beschreibung komplexer Gemische bestehend aus Wasser, Ammoniak und Methan unter hohem Druck ist Gegenstand der vorliegenden kumulativen Dissertation. Dabei liegt der Fokus auf der Berechnung von Zustandsgleichungen, Phasendiagrammen und deren Charakterisierung mittels der quantenstatistischen Methode der Dichtefunktionaltheorie-Molekulardynamik (DFT-MD). Ergänzend zu den bereits umfangreich in der Literatur vorhandenen Hochdruck-Wasserdaten, werden zunächst die thermodynamischen Eigenschaften von Ammoniak und Methan untersucht und die resultierenden Zustandsgleichungen mit experimentellen Hugoniot-Kurven verifiziert. Dabei ergeben die Simulationen für Methan erste starke Hinweise auf die seit langem diskutierte Entmischung in Diamant und Wasserstoff. Weiterhin werden die Eigenschaften der binären und ausgesuchter ternärer Mischungen der drei Moleküle untersucht. Insbesondere finden wir erstmals superionische Wasser-Ammoniak-Gemische, die mit Hilfe von evolutionary structure searching vorhergesagt werden. Darüber hinaus wird die Näherung der linearen Mischung für Ammoniak, Methan und Wasser validiert und die Diffusionseigenschaften verschiedener Mischungen diskutiert. Die erhaltenen Simulationsergebnisse dienen als Eingabeparameter für die Modellierung des inneren Aufbaus großer Planeten. Dabei wurde insbesondere der für Uranus relevante Druck-Temperatur-Bereich bis 1 TPa und 20000 K untersucht, da dieser Planet prototypisch für die große Klasse von eisreichen Exoplaneten ist.