Europa, een van Jupiters manen, heeft opvallende rode strepen over het oppervlak lopen. Vermoedelijk gaat het om een bevroren mengsel van water en zouten, maar de chemische structuur komt met geen enkele bekende stof op aarde overeen.
Om te achterhalen wat voor goedje het is, voegden Amerikaanse wetenschappers in het laboratorium keukenzout (natriumchloride) toe aan gedestilleerd water (H2O). Ze verlaagden de temperatuur tot onder de -50 graden en voerden de druk flink op. Zo slaagden zij erin om twee nieuwe typen kristallen te fabriceren, met een afwijkende moleculaire opbouw, vergeleken met een ‘normale’ bevroren substantie van natriumchloride opgelost in water. De onderzoekers denken hiermee de puzzel te hebben opgelost: deze substantie, die naar alle waarschijnlijkheid nooit eerder op aarde heeft bestaan, lijkt de mysterieuze vorm van zout ijs te zijn die het oppervlak van Jupiters maan Europa rood kleurt en ook op de bodem van zijn diepe oceanen te vinden is.
Fundamentele ontdekking
“Het komt tegenwoordig nauwelijks meer voor dat een onderzoeker een fundamentele ontdekking kan doen in de wetenschap”, zegt hoofdonderzoeker Baptiste Journaux van de University of Washington. “Keukenzout en water zijn twee stoffen die heel veel voorkomen op aarde en tot in den treure zijn onderzocht onder aardse omstandigheden. Maar op welke manier een zoutoplossing onder heel exotische condities op een andere planeet of maan is opgebouwd en wat de chemische en fysische kenmerken zijn van zo’n stof, daarover tastten we nog volledig in het duister. Er zijn waarschijnlijk nog veel meer mineralen en kristallen te ontdekken die niet op aarde bestaan, maar wel elders in het heelal. We kunnen sommige van deze stoffen zelfs zien met onze telescopen. Het is een spannende tijd. We gaan de fundamentele wetenschap van onze voorgangers uit de 19de eeuw opnieuw doen, maar dan bij hoge druk en lage temperatuur.”
Waterige patronen
Bij koude temperaturen combineren water en zouten zich tot een rigide gezouten ijsrooster. Deze ijsachtige verbinding, die op zijn plaats wordt gehouden door waterstofbruggen, heet ook wel een hydraat. Tot nog toe was het enige bekende hydraat voor natriumchloride een eenvoudige structuur met één zoutmolecuul voor elke twee watermoleculen. Maar nu zijn in het laboratorium bij hoge druk en lage temperatuur twee nieuwe hydraten gevonden. Ze zijn heel anders opgebouwd dan een gangbare zoutoplossing. Het ene ijsrooster heeft een verhouding van twee natriumchloriden voor elke zeventien watermoleculen, het andere heeft één natriumchloride voor elke dertien watermoleculen. Dit valt mooi samen met de observatie dat de patronen op het oppervlak van de manen van Jupiter ‘wateriger’ zijn dan verwacht. “Het heeft de structuur waar planetaire wetenschappers op hebben gewacht. Het past perfect in het plaatje”, legt Journaux uit.
Topje van de zoute ijsberg
De ontdekking van nieuwe soorten zout ijs is niet alleen belangrijk voor de planetaire wetenschap, maar ook voor de fysische chemie (het grensgebied tussen natuur- en scheikunde) en kan zelfs zorgen voor doorbraken in energieonderzoek, waarbij hydraten gebruikt worden voor energieopslag, schrijven de onderzoekers.
Voor het experiment werd een minieme druppel zoutoplossing tussen twee diamanten ter grootte van een zandkorrel geplaatst en samengeperst tot 25.000 keer de standaard atmosferische druk. De onderzoekers konden het proces aanschouwen door met een microscoop door de transparante diamantjes heen te kijken. “We waren benieuwd wat er zou gebeuren met het water bij het toevoegen van zout, aangezien natriumchloride werkt als antivries. Tot onze verrassing zagen we dat deze onbekende kristallen begonnen te groeien onder de microscoop, toen we de druk opvoerden. Het was een heel toevallige ontdekking”, vertelt Journaux.
Diep in een meer op Antarctica?
De omstandigheden die in het laboratorium werden gecreëerd, zijn waarschijnlijk dagelijkse kost op de manen van Jupiter, waar de oceanen mogelijk bedekt zijn met honderden kilometers dik ijs. “Hoge druk brengt de moleculen gewoon dichter bij elkaar, dus hun interactie verandert. Dat is de belangrijkste motor voor de diversiteit in kristalstructuren die we hebben gevonden.” Een van de twee nieuw gevormde hydraten bleef zelfs stabiel, nadat de hoge druk was weggenomen. “We hebben vastgesteld dat deze hydraat onder standaardomstandigheden stabiel blijft tot ongeveer min 50 graden Celsius. Dus dit nieuw ontdekte hydraat zou in een zeer zout meer op Antarctica bijvoorbeeld aanwezig kunnen zijn”, aldus Journaux.
De onderzoekers willen meer van dit goedje gaan maken en hopen meer bewijs te verzamelen dat de nieuw ontdekte hydraten ook op de ijzige manen van Jupiter aanwezig zijn door de chemische voetafdrukken met elkaar te vergelijken.
Op weg naar de Europa en Titan
In de komende twee jaar zullen twee ruimtemissies de manen van Jupiter gaan verkennen: de Jupiter Icy Moons Explorer-missie van het Europese Ruimteagentschap ESA wordt in april van dit jaar gelanceerd en NASA lanceert in oktober 2024 de Europa Clipper-missie. In 2026 gaat NASA’s Dragonfly-missie ook nog eens op weg naar Saturnus’ maan Titan om meer te weten te komen over de interessante manen in ons zonnestelsel. “Dit zijn behalve de Aarde de enige planetaire objecten waar lange tijd vloeibaar water heeft bestaan of nog steeds aanwezig is. Dit is cruciaal voor het ontstaan en de ontwikkeling van leven”, legt Journaux uit.
“Ik denk dat op deze manen de kans het grootst is om buitenaards leven te ontdekken in ons zonnestelsel. Het is dus belangrijk om hun bijzondere oceanen te bestuderen om beter te begrijpen hoe ze zijn ontstaan en geëvolueerd tot hoe ze nu zijn. Hoe is het gelukt om zo ver weg van de zon, in zulke koude gebieden van het zonnestelsel vloeibaar water vast te houden? Daar willen we heel graag meer over weten.”
