Natuurkundigen ontdekken dat ijs in de ruimte kleine kristallen bevat en daardoor niet zoals vloeibaar water is.

IJs is op aarde door de warme temperatuur best bijzonder qua structuur. De watermoleculen zitten namelijk in een prachtig kristalrooster. Je kunt de symmetrie ervan goed zien als je in de winter naar een sneeuwvlokje op het raam kijkt.

In de ruimte is dat anders. De watermoleculen in space ice zitten wanordelijk door elkaar, zoals vloeibaar water. Althans, dat werd decennialang gedacht. Maar nu komen wetenschappers van de University College London en de University of Cambridge in het vakblad Physical Review B tot de conclusie dat ruimteijs tóch kristallen bevat.

Lees ook:

• Picture Perfect: ’s werelds grootste ijsberg
• Talloze kleine ijsbevingen in ijsrivier ontdekt
• Vloeibaar water ontdekt op Mars – en het is enorm veel

Geen tijd

Bij bevriezing zullen watermoleculen zich normaal gesproken in een regelmatig, hexagonaal rooster rangschikken. Maar wanneer het water zeer snel aan hoge druk en zeer lage temperatuur wordt blootgesteld, neemt het een glasachtige vorm aan, zonder enig kristalrooster. De watermoleculen hebben door de snelle afkoeling geen tijd en energie om zich te ordenen. Je krijgt dan ijs zonder kristallen, ofwel amorf ijs.

Op aarde komt amorf ijs bijna niet voor, in de ruimte wel veelvuldig, was het idee. Daar speelt het een rol in vele processen, zoals planeetvorming en de beweging van materie. Maar is space ice wel volledig amorf? Dat wilde het team, onder leiding van Michael Davies, graag nagaan.

Virtuele ijsboxen

Eerste maakten de onderzoekers twee computermodellen. Ze ‘bevroren’ virtuele ‘boxen’ van watermoleculen door ze naar -120 graden Celsius te laten afkoelen op verschillende snelheden. Dat proces leidde vervolgens tot ijs met verschillende verhoudingen aan kristallijne en amorfe regio’s.

Davies en zijn team zagen dat ijs dat tot 20 procent kristallen bevatte (en dus 80 procent amorf was) het beste overeenkwam met röntgenmetingen aan echte monsters van ruimte-ijs.

In een tweede computersimulatie maakten de onderzoekers boxen met ijskristallen die dicht op elkaar gepropt waren. Toen vervolgens het algoritme de regio’s tussen de kristallen verstoorde, ontstond er een gedeeltelijk kristallijne structuur, en dus was het ijs niet volledig amorf – net zoals in de eerste simulatie.

Niet wanordelijk

Ook deden Davies en collega’s een experiment in het lab. Ze maakten verschillende soorten ijs, waaronder ijs dat ontstaat onder hoge druk en lage temperatuur. Dit laatste zou dan volledig amorf moeten zijn (en daarmee moeten lijken op ruimte-ijs). Ten slotte warmden de onderzoekers de soorten ijs langzaam een beetje op zodat er genoeg tijd en energie was om kristallen te vormen – het ijs bleef hierbij bevroren.

Het idee achter het experiment was dat de uiteindelijk verkregen ijsstructuur afhankelijk is van de oorsprong. Was het oorspronkelijke ijs écht volledig amorf, dan zou het later ontstane ijs geen enkel kristal meer moeten bevatten.

Maar dit bleek niet het geval. Ook het ijs dat volledig amorf zou moeten zijn (want er zou geen tijd en energie moeten zijn voor kristalvorming) bleek tóch kristallen te bevatten. Dit is volgens Davies en collega’s indirect bewijs dat space ice dus niet geheel wanordelijk qua structuur is. En daarmee iets meer lijkt op aards ijs dan gedacht.

Panspermie

De nieuwe kennis is van belang voor het begrip van bepaalde kosmische processen, zoals planeetvorming en de vorming van ijs op ijsmanen zoals Ganymedes (zie hierboven). Maar ook voor de theorie van panspermie. Deze hypothese stelt dat de bouwstenen van het leven op aarde zijn gekomen via ijskometen.

Maar als ruimte-ijs kristallen bevat, dan zou er minder ruimte zijn voor aminozuren, de bouwstenen van eiwitten. En dat maakt panspermie dan weer minder aannemelijk. Hoewel, er kunnen natuurlijk wel degelijk voldoende amorfe regio’s in de brokken ijs hebben gezeten, geeft Davies toe. Dus de theorie hoeft hiermee nog niet de prullenbak in.

Amorf glasvezel

Verder kan de ontdekking van belang zijn voor de materiaalindustrie. Glasvezel moet bijvoorbeeld zo amorf mogelijk zijn. Want kristallen kunnen het datatransport hinderen. Manieren om die kristallen weg te weg te halen, kan de werking van dit materiaal verbeteren.

Natuurlijk moeten de resultaten van de studie nog worden bevestigd door andere onderzoekers. Ook zijn er nog vele vragen te beantwoorden. Bijvoorbeeld welke processen de grootte van de ijskristallen in het (toch niet volledige) amorfe ruimte-ijs bepalen. En is 100 procent amorf ijs überhaupt wel mogelijk?

Bronnen: Physical Review B, University College London via EurekAlert!

Ben je geïnteresseerd in de wereld van wetenschap & technologie en wil je hier graag meer over lezen? Word dan lid van KIJK!