Het regent diamanten, niet op aarde helaas, wel op Neptunus en Uranus. Volgens een nieuwe studie komen diamantregens zelfs nog vaker voor dan gedacht.

De wetenschappers ontdekten dat zuurstof de vorming van diamantregen stimuleert. Ook vonden ze bewijs dat door de diamanten een hele vreemde toestand van water zou kunnen ontstaan, die wordt omschreven als ‘superheet, zwart ijs’.

Dit superionische ijs ontstaat onder hoge druk en hoge temperaturen. Onder deze extreme omstandigheden breken watermoleculen uit elkaar en vormen zuurstofatomen een kristalrooster waarin de waterstofkernen vrij rondzweven. Omdat deze vrij zwevende kernen elektrisch geladen zijn, kan superionisch water elektrische stroom geleiden en de ongebruikelijke magnetische velden op Uranus en Neptunus verklaren.

Zwart, zwaar en superheet ijs
Een zwart ijsblokje is vier keer zo zwaar als een gewoon ijsblokje en heeft een temperatuur van duizenden graden Celsius. Deze vorm van water is misschien wel een van de meest voorkomende in het universum. De kernen van ijsreuzen als Neptunus en soortgelijke exoplaneten zouden weleens vol kunnen zitten met het zwarte goedje.

De studie, die in Science Advances verscheen, simuleert de omstandigheden op ijsreuzen door in het laboratorium met een enorm sterke laser op een stuk PET-plastic te schieten. Wonderlijk genoeg lijken deze processen chemisch gezien erg op elkaar en ontstaan er op deze manier nanodiamantjes en superionisch ijs. De bevindingen vormen een basis voor een nieuwe manier om nanodiamanten te fabriceren, die nuttig zijn voor het toedienen van medicijnen, om medische sensoren te maken, voor niet-invasieve chirurgie, duurzame productie en kwantumelektronica.

Schieten op plastic
In het vorige experiment bestudeerden de onderzoekers een plastic materiaal gemaakt van een mengsel van waterstof en koolstof, belangrijke componenten van de algehele chemische samenstelling van Neptunus en Uranus. Maar naast koolstof en waterstof bevatten de ijsreuzen ook andere elementen, zoals grote hoeveelheden zuurstof.

In het meer recente experiment gebruikten de onderzoekers PET-plastic – vaak gebruikt in voedselverpakkingen, plastic flessen en containers – om de samenstelling van deze planeten nauwkeuriger te reproduceren. “PET heeft een goede balans tussen koolstof, waterstof en zuurstof om de activiteit in ijsplaneten te simuleren”, zegt Dominik Kraus, professor aan de Universiteit van Rostock.

Schokgolf
Er werd dus met een laser op een dun vel PET-plastic geschoten. De sterke laserflitsen die het folie-achtige materiaal raakten, verhitten het kort tot 6000 graden Celsius en genereerden zo een schokgolf die de materie gedurende enkele nanoseconden tot miljoenen keren de atmosferische druk comprimeerde. De wetenschappers konden vaststellen dat kleine diamanten, zogenaamde nanodiamanten, zich onder extreme druk vormden.

“Het effect van de zuurstof was een versnelling van de splitsing van koolstof en waterstof om zo de vorming van nanodiamanten te stimuleren”, zei Kraus. “Het betekende dat de koolstofatomen gemakkelijker konden combineren en diamanten konden vormen.”

De onderzoekers voorspellen dat diamanten op Neptunus en Uranus veel groter worden dan de nanodiamanten die in deze experimenten werden geproduceerd. In de loop van duizenden jaren zouden de diamanten langzaam door de ijslagen van de planeten kunnen zinken en samenkomen in een dikke laag rond de vaste planetaire kern. Het team vond ook bewijs dat zich in combinatie met de diamanten superionisch water zou kunnen vormen, ook wel ‘heet, zwart ijs’ genoemd.

Veel ijsreuzen
De bevindingen kunnen ook van invloed zijn op ons begrip van planeten in verre sterrenstelsels, te meer omdat wetenschappers nu denken dat ijsreuzen de meest voorkomende planeten buiten ons zonnestelsel zijn. “We weten dat de kern van de aarde voornamelijk uit ijzer bestaat, maar veel experimenten onderzoeken nog steeds hoe de aanwezigheid van lichtere elementen de omstandigheden van smelting en andere faseovergangen kan veranderen”, zegt onderzoeker Silvia Pandolfi. “Ons experiment laat zien hoe deze elementen de omstandigheden kunnen veranderen waarin diamanten zich vormen op ijsreuzen. Als we planeten nauwkeurig willen modelleren, moeten we zo dicht mogelijk bij de werkelijke samenstelling van de planeten komen.”

Ruwe diamanten
Het onderzoek helpt ons niet alleen om andere planeten beter te begrijpen, het is ook een stap vooruit in de productie van nanodiamanten op aarde. “De manier waarop nanodiamanten momenteel worden gemaakt, is door een hoop koolstof of diamant te nemen en die op te blazen met explosieven”, zegt wetenschapper Benjamin Ofori-Okai. “Dit creëert nanodiamanten van verschillende groottes en vormen en is moeilijk te controleren. Wat we in dit experiment zien, is een andere reactiviteit van dezelfde soort diamant onder hoge temperatuur en druk. In sommige gevallen lijken de diamanten sneller gevormd te worden dan in andere gevallen, wat suggereert dat de aanwezigheid van de andere chemicaliën dit proces kan versnellen. Laserproductie zou een schonere en gemakkelijker gecontroleerde methode kunnen zijn om nanodiamanten te produceren. Als we manieren kunnen bedenken om sommige dingen aan de reactiviteit te veranderen, kunnen we ook veranderen hoe snel ze vorm krijgen en dus hoe groot ze worden.”

Ethanol
Vervolgonderzoek is al in de maak: de onderzoekers willen soortgelijke experimenten uitvoeren met vloeibare monsters die ethanol, water en ammoniak bevatten – waar Uranus en Neptunus voor een groot gedeelte uit zijn opgebouwd – waardoor ze nog beter kunnen begrijpen hoe de diamantregen precies ontstaat op andere planeten.