Auffallend sind die roten Streifen, die die Oberfläche von Europa, einem der Jupitermonde, durchziehen. Wissenschaftler vermuten, dass es sich um eine gefrorene Mischung aus Wasser und Salzen handelt, aber ihre chemische Signatur ist mysteriös, da sie mit keiner bekannten Substanz auf der Erde übereinstimmt.
Ein Team unter der Leitung der University of Washington könnte das Rätsel mit der Entdeckung einer neuen Art von festen Kristallen gelöst haben, die entstehen, wenn sich Wasser und Kochsalz unter Kälte- und Hochdruckbedingungen verbinden. Forscher glauben, dass sich die neue Substanz, die in einem Labor auf der Erde hergestellt wurde, an der Oberfläche und am Grund der tiefen Ozeane dieser Welten bilden könnte.
Die Studie, veröffentlicht am 20. Februar in der Proceedings of the National Academy of Scienceskündigt eine neue Kombination für zwei der häufigsten Substanzen der Erde an: Wasser und Natriumchlorid oder Kochsalz.
„Es ist heutzutage selten, grundlegende Entdeckungen in der Wissenschaft zu machen“, sagte der Hauptautor Baptiste Journaux, ein stellvertretender UW-Assistenzprofessor für Erd- und Weltraumwissenschaften. „Salz und Wasser sind unter Erdbedingungen sehr gut bekannt. Aber darüber hinaus tappen wir völlig im Dunkeln. Und jetzt haben wir diese planetaren Objekte, die wahrscheinlich Verbindungen haben, die uns sehr vertraut sind, aber unter sehr exotischen Bedingungen. Wir müssen alle grundlegenden mineralogischen Wissenschaften wiederholen, die die Menschen im 18. Jahrhundert betrieben haben, aber unter hohem Druck und niedriger Temperatur. Es ist eine aufregende Zeit.
Bei kalten Temperaturen verbinden sich Wasser und Salze zu einem starren gesalzenen Eisgitter, bekannt als Hydrat, das durch Wasserstoffbrückenbindungen an Ort und Stelle gehalten wird. Das einzige bisher bekannte Hydrat für Natriumchlorid war eine einfache Struktur mit einem Salzmolekül für je zwei Wassermoleküle.
Aber die beiden neuen Hydrate, die bei mäßigem Druck und niedrigen Temperaturen gefunden werden, sind auffallend unterschiedlich. Auf 17 Wassermoleküle kommen zwei Natriumchloride; der andere hat ein Natriumchlorid für jeweils 13 Wassermoleküle. Dies würde erklären, warum die Signaturen von der Oberfläche der Jupitermonde „wässriger“ sind als erwartet.
„Es hat die Struktur, auf die Planetenwissenschaftler gewartet haben“, sagte Journaux.
Die Entdeckung neuer Arten von Salzeis ist nicht nur für die Planetenwissenschaft von Bedeutung, sondern auch für die physikalische Chemie und sogar die Energieforschung, die Hydrate zur Energiespeicherung verwendet, sagte Journaux.
Das Experiment bestand darin, ein winziges bisschen Salzwasser zwischen zwei Diamanten von der Größe eines Sandkorns zu komprimieren und die Flüssigkeit auf das 25.000-fache des normalen atmosphärischen Drucks zusammenzudrücken. Die transparenten Diamanten ermöglichten es dem Team, den Prozess durch ein Mikroskop zu beobachten.
„Wir haben versucht zu messen, wie sich die Menge an Eis, die wir bekommen können, durch das Hinzufügen von Salz verändert, da Salz als Frostschutzmittel wirkt“, sagte Baptiste. „Überraschenderweise sahen wir, als wir den Druck ausübten, dass diese Kristalle, die wir nicht erwartet hatten, zu wachsen begannen. Es war eine sehr zufällige Entdeckung.“
Solche im Labor erzeugten kalten Hochdruckbedingungen wären auf den Jupitermonden üblich, wo Wissenschaftler glauben, dass fünf bis zehn Kilometer Eis Ozeane mit einer Dicke von bis zu mehreren hundert Kilometern bedecken würden, wobei am Grund sogar noch dichtere Eisformen möglich wären.
„Druck bringt die Moleküle nur näher zusammen, sodass sich ihre Wechselwirkung ändert – das ist der Hauptmotor für die Vielfalt in den Kristallstrukturen, die wir gefunden haben“, sagte Journaux.
Nachdem sich die neu entdeckten Hydrate gebildet hatten, blieb eine der beiden Strukturen auch nach Druckentlastung stabil.
„Wir haben festgestellt, dass es bei Normaldruck bis etwa minus 50°C stabil bleibt. Wenn Sie also einen sehr salzigen See haben, zum Beispiel in der Antarktis, der diesen Temperaturen ausgesetzt sein könnte, könnte dieses neu entdeckte Hydrat dort vorhanden sein.“ sagte Journaux.
Das Team hofft, eine größere Probe entweder machen oder sammeln zu können, um eine gründlichere Analyse zu ermöglichen und zu überprüfen, ob die Signaturen von Eismonden mit den Signaturen der neu entdeckten Hydrate übereinstimmen.
Zwei bevorstehende Missionen werden Jupiters Eismonde erforschen: die der Europäischen Weltraumorganisation Jupiter-Eismond-Explorer Mission, die im April startet, und die der NASA Europa Clipper Mission, Start für Oktober 2024. NASAs Libellen-Mission startet im Jahr 2026 zum Saturnmond Titan. Das Wissen, auf welche Chemikalien diese Missionen stoßen werden, wird dazu beitragen, ihre Suche nach Lebenssignaturen besser zu zielen.
„Dies sind neben der Erde die einzigen Planetenkörper, auf denen flüssiges Wasser in geologischen Zeitskalen stabil ist, was für die Entstehung und Entwicklung von Leben entscheidend ist“, sagte Journaux. „Meiner Meinung nach sind sie der beste Ort in unserem Sonnensystem, um außerirdisches Leben zu entdecken, also müssen wir ihre exotischen Ozeane und ihr Inneres untersuchen, um besser zu verstehen, wie sie entstanden, sich entwickelt haben und flüssiges Wasser in kalten Regionen des Sonnensystems zurückhalten können , so weit weg von der Sonne.“
Mehr Informationen:
Journaux, Baptiste, Über die Identifizierung von hyperhydratisierten Natriumchloridhydraten, die bei eisigen Mondbedingungen stabil sind, Proceedings of the National Academy of Sciences (2023). DOI: 10.1073/pnas.2217125120