Er bestaan tientallen verschillende ijssoorten. De aanwezigheid van twee exotische soorten verklaart mogelijk de bijzondere magneetvelden van Uranus en Neptunus.
IJs is meer dan bevroren water. Watermoleculen die bevriezen tot ijs kunnen zich namelijk op allerlei verschillende manieren rangschikken. Op aarde komt de zeshoekige kristalstructuur – die je ook ziet in de sneeuwkristallen – verreweg het meest voor. Maar er bestaan meer dan twintig verschillende kristalstructuren van ijs, elk met net andere eigenschappen.
IJs bij hoge druk en hoge temperatuur
Sommige van deze ijsfases ontstaan niet wanneer het vriest, maar wanneer de druk en temperatuur extreem hoog zijn. Onlangs heeft een internationale onderzoeksgroep twee van die soorten onderzocht: ijs-XVIII en ijs-XX.
Thomas Hertog werkte samen met Stephen Hawking en onderzoekt de oerknal
Tijd en natuurwetten zijn voortgekomen uit de oerknal, in een chaotisch proces van toevalligheden, zegt theoretisch natuurkun ...
Beide ijssoorten zijn ‘superionisch ijs’. ‘Het is niet gemakkelijk om je superionisch ijs voor te stellen’, mailt Vitali Prakapenka van de Universiteit van Chicago. ‘Maar je kunt denken aan een blokje helder ijs, zoals je gebruikt om je drankje te koelen. Stel je nu voor dat wanneer je dat ijsblokje opwarmt, het niet smelt maar donker wordt. Als je superogen zou hebben, zou je waterstofatomen door dit ijsblokje kunnen zien bewegen.’
Watermoleculen bestaan uit twee waterstofatomen en één zuurstofatoom. In deze ijsfase vormen de zuurstofatomen als het ware een stevig rooster dat drijft in een zee van heen en weer deinende waterstofatomen.
‘Superionische ijsfases hebben een aantal interessante eigenschappen’, vertelt Prakapenka. ‘Ze zijn zwart, nemen meer ruimte in dan de bekende ijssoorten en geleiden elektriciteit. Wij denken dat de geleidende superionische fases die we in ons onderzoek zien, kunnen bestaan onder de omstandigheden diep in het binnenste van ijsreuzen.’
Een groot deel van het binnenste van de ijsreuzen Uranus en Neptunus bestaat namelijk uit water. En er heerst waarschijnlijk een druk en temperatuur waarbij de superionische ijsfases kunnen ontstaan.
Diamanten drukpers
Het is niet eenvoudig om ijs-XVIII en ijs-XX op aarde te maken. De onderzoekers creëerden de benodigde druk en temperatuur door water bij kamertemperatuur tussen twee diamanten samen te persen. Diamant is zo hard, dat je de druk op het water hiermee flink kunt opvoeren. Zo bereikten ze een druk van 150 gigapascal. Hierdoor ontstond er ijs-VII of ijs-X.
Vervolgens verhoogden de onderzoekers de temperatuur van het waterijs tot ruim 6200 °C door er een krachtige laser op te richten. Dit creëerden de omstandigheden die je vindt op duizenden kilometers diepte in het binnenste van Uranus en Neptunus.
Met röntgendiffractie-technieken – waarbij de verstrooiing van röntgenstralen je iets over een materiaal vertelt – en optische technieken achterhaalden de onderzoekers de kristalstructuur en de eigenschappen van dit samengeperste, hete ijs.
Het onderzoek van Prakapenka en zijn collega’s is vooruitgang, maar er zijn nog een aantal openstaande vragen, schrijft Simone Anzellini van het Engelse onderzoeksinstituut Diamond Light Source in een bijbehorend News & Views artikel in Nature. Zo is de geleidbaarheid en de viscositeit (stroperigheid) van de ijsfases nog niet in detail in kaart gebracht. Anzellini noemt het verder verbeteren van de apparatuur en methode de grootste uitdaging. Dit is nodig om de precieze ijseigenschappen onder deze extreme omstandigheden te achterhalen.
Neptunus en Uranus
Aanwezigheid van ijs-XVIII en ijs-XX kan de bijzondere magneetvelden van Uranus en Neptunus verklaren. Die lijken namelijk niet uit het midden van de planeet te komen, zoals bij de aarde. Daarnaast zijn ze veranderlijk en staan ze scheef ten opzicht van de rotatie-as van de planeten.
De rondklotsende waterstofatomen in ijs-VII en ijs-X kunnen hiervoor verantwoordelijk zijn. Ze zijn namelijk positief geladen en bewegende lading wekt een magneetveld op. Meer onderzoek zal moeten uitwijzen of superionisch ijs in de ijsreuzen inderdaad hun uitzonderlijke magneetveld tot stand kan brengen.
