Bij sneeuwvlokken denken we aan symmetrie, orde en regelmaat. Maar ijs in de ruimte? Dat werd lang beschouwd als het tegenovergestelde: rommelig, amorf, zonder vaste structuur. Toch zit het anders in elkaar. Uit nieuw Brits onderzoek blijkt dat ruimte-ijs verrassend geordend is en zelfs piepkleine kristallen bevat.
“Ruimte-ijs is dus niet zomaar een bevroren poeltje water zonder vorm”, legt hoofdonderzoeker Michael B. Davies van University College London (UCL) en de University of Cambridge uit. “We hebben nu een veel beter beeld van hoe het meest voorkomende ijs in het heelal er op atomaire schaal uitziet.” In het nieuwe onderzoek richtten de onderzoekers zich op de meest voorkomende vorm van ijs in het heelal: het zogenaamde ‘low-density amorphous ice‘ (amorf ijs met lage dichtheid). Dit ijs vind je overal, van de oppervlakken van kometen tot stofwolken waarin sterren en planeten ontstaan.
Nanokristallen
Tot nu toe werd gedacht dat dit type ijs volledig amorf is, oftewel een wanordelijke bevroren brij van watermoleculen. Maar de nieuwste computersimulaties laten een heel ander beeld zien. De structuur van het ijs komt veel beter overeen met bestaande meetgegevens als er kleine kristalletjes in voorkomen van ongeveer drie nanometer breed, iets dikker dan een DNA-streng. “Onze resultaten tonen aan dat zelfs het meest chaotisch geachte ijs in de ruimte kleine stukjes orde bevat”, aldus Davies.
Om hun hypothese te testen, gebruikten de wetenschappers twee computermodellen die het gedrag van water voorspellen. Ze bevroren virtuele watermoleculen door ze af te koelen tot -120 graden Celsius, en varieerden daarbij de snelheid van het afkoelen. Hierdoor ontstonden ijsstructuren met verschillende verhoudingen van kristallijn en amorf ijs. De simulaties die ongeveer 20 procent kristallijne structuur bevatten, bleken het beste overeen te komen met experimentele data.
Amorf en gerekristalliseerd ijs
Tegelijkertijd staken de onderzoekers de handen uit de mouwen in het lab. Het team maakte echte monsters van amorf ijs, onder andere door waterdamp op extreem koude oppervlakken te laten neerslaan, zoals dat ook in de ruimte gebeurt, en door ander ijs gecontroleerd te verhitten. Tijdens deze experimenten ontdekten ze dat het eindresultaat sterk afhing van de oorsprong van het ijs. De structuur van het ‘gerekristalliseerde’ ijs bleek een soort geheugen te hebben voor hoe het ontstaan was. Dit is een sterke aanwijzing dat het oorspronkelijke ijs dus niet volledig structuurloos was.
De studie heeft niet alleen gevolgen voor hoe we over ijs in de ruimte denken, maar raakt ook aan vragen over het ontstaan van leven. Volgens de panspermietheorie zouden de bouwstenen van het leven via een komeet vol ruimte-ijs op aarde zijn terechtgekomen. Maar: “Onze bevindingen suggereren dat dit ijs mogelijk minder geschikt is als transportmiddel voor levensmoleculen”, zegt Davies. “Een gedeeltelijk kristallijne structuur laat namelijk minder ruimte over waarin die moleculen kunnen worden opgeslagen.” Toch sluit hij de theorie niet uit. “Er blijven genoeg amorfe gebieden over waar die bouwstenen zich wél in zouden kunnen nestelen.”
Daarnaast werpt het onderzoek nieuw licht op toepassingen van amorfe materialen op aarde, zoals glasvezels. “Als die ook kleine kristallen bevatten en we weten hoe we die kunnen verwijderen, dan zijn we in staat om zulke technologieën te verbeteren”, zegt onderzoeker Christoph Salzmann van UCL.
Nog lang niet uitgekristalliseerd
De ontdekking roept nieuwe vragen op: is volledig amorf ijs eigenlijk wel mogelijk? Hoe beïnvloedt de manier waarop het gevormd wordt de kristalgrootte? En hoe gedragen deze mengvormen zich in de praktijk? “Water is de basis van het leven zoals we dat kennen, maar we begrijpen nog steeds niet exact hoe dit prachtige goedje in elkaar steekt”, maakt professor Angelos Michaelides van Cambridge duidelijk. En daarom is vervolgonderzoek ook zo belangrijk. Amorf ijs zou weleens de sleutel kunnen zijn tot een verklaring voor de vreemde eigenschappen van water.
Davies besluit: “IJs is een krachtig goedje in de ruimte. Het kan bescherming bieden tegen straling of zelfs dienstdoen als brandstof. Des te belangrijker is het dat we precies weten waar we mee te maken hebben.”
