Nimm Wasser. Natriumchlorid hinzufügen. Kühlen und in salziges Eis pressen.

Mar 07, 2023

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Die im Labor hergestellten Verbindungen – noch nie zuvor gesehen – könnten natürlich auf eisigen Monden im äußeren Sonnensystem vorkommen.

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Von Kenneth Chang

Wissenschaftler haben zwei neue Formen von Salzeis entdeckt, die auf der Erde wahrscheinlich nicht natürlich vorkommen, aber auf eisigen Monden weiter draußen im Sonnensystem gefunden werden könnten.

„Diese Strukturen ähneln nichts, was zuvor beschrieben wurde“, sagte Baptiste Journaux, stellvertretender Assistenzprofessor für Erd- und Weltraumwissenschaften an der University of Washington.

In der Ausgabe der Proceedings of the National Academy of Sciences vom 20. Februar beschreiben Dr. Journaux und seine Kollegen zwei neue feste, eisige Kombinationen von zwei der am häufigsten auf der Erde vorkommenden Substanzen: Wasser und Natriumchlorid, besser bekannt als Tafel Salz.

Die neu entdeckten Kristalle bildeten sich unerwartet, als Salzwasser auf niedrige Temperaturen abgekühlt und auf hohen Druck gepresst wurde.

Salzwasser gibt es auf der Erde in Hülle und Fülle – es füllt schließlich die Ozeane – und Chemiker wissen seit langem, wie es sich unter den Bedingungen auf der Erde verhält. Eis auf diesem Planeten ist selten salzig.

Tatsächlich wird Natriumchlorid – jedes Molekül besteht aus einem Natriumatom und einem Chloratom – oft zunächst als Frostschutzmittel betrachtet, das die Gefriertemperatur von Wasser senkt. Deshalb wird es bei Schneestürmen auf Straßen verteilt. Wenn Salzwasser gefriert, bilden sich Eiskristalle aus reinem Wasser, wobei die Natrium- und Chloridionen in die verbleibende Flüssigkeit verdrängt werden.

Bei ausreichend kalten Temperaturen beginnt das restliche Supersalzwasser zu erstarren und bildet Hydrohalit, einen starren, wasserhaltigen Kristall oder Hydrat. Hydrohalit besteht aus zwei Wassermolekülen pro Natriumchlorid.

In den letzten Jahrzehnten haben Planetenforscher eine Reihe von Welten im äußeren Sonnensystem entdeckt, die unter ihren Eiskrusten Ozeane mit flüssigem Wasser besitzen. Dazu gehören Europa und Ganymed, zwei Jupitermonde, sowie Titan und Enceladus, zwei Saturnmonde. Dr. Journaux wollte untersuchen, welche Rolle Salz dabei spielen könnte, die Ozeane auf diesen Welten vor dem Einfrieren zu bewahren.

Um diese Bedingungen zu reproduzieren, wurde ein bisschen Salzwasser auf Temperaturen von bis zu minus 190 Grad Fahrenheit abgekühlt und zwischen zwei Diamantstücken auf einen Druck gepresst, der bis zum 25.000-fachen der üblichen 14,7 Pfund pro Quadratzoll betrug, die die Luft an der Erdoberfläche gegen uns drückt .

„Ursprünglich haben wir diese Experimente durchgeführt, weil wir die Frostschutzwirkung von Natriumchlorid und Salz untersuchen wollten, da es vermutlich der häufigste gelöste Stoff in außerirdischen Ozeanen ist, ebenso wie in den Ozeanen der Erde“, sagte Dr. Journaux. „Wir hatten erwartet, etwas Ähnliches zu sehen wie auf der Erde, nämlich dass die Salze beim Wachsen vom Eis abgestoßen würden.“

Stattdessen fror das Frostschutzmittel ein.

„Wir hatten einen neuen Kristall, der aus dem Nichts kam, womit wir überhaupt nicht gerechnet hatten“, sagte Dr. Journaux. „Das war also ein sehr glücklicher Zufall.“

Die Kristalle waren winzig, höchstens etwa 1/250 Zoll breit oder ungefähr so ​​breit wie ein menschliches Haar.

Von den Kristallen reflektierte Röntgenstrahlen zeigten den Wissenschaftlern, dass sie zwei neue Hydrate erzeugt hatten. Einer hatte eine Kristallstruktur aus zwei Natriumchloridmolekülen pro 17 Wassermolekülen. Dieser entstand bei einer Temperatur von etwa minus 100 Grad Fahrenheit und einem Druck, der dem 5.000-fachen des üblichen Atmosphärendrucks entspricht. Bei höheren Drücken bildete sich ein weiteres, weniger salziges Hydrat, eines mit 13 Wassermolekülen pro Natriumchloridmolekül.

Die Wissenschaftler sahen auch Anzeichen einer dritten Form, aber die nadelförmigen Kristalle waren zu dünn, um die Kristallstruktur zu untersuchen. „Es ist sehr hübsch“, sagte Dr. Journaux, „aber es ist so dünn, dass es schwierig ist, die Daten zu bekommen.“

Die neuen Hydrate könnten zur Aufklärung eines Rätsels auf Europa beitragen. Beobachtungen im Jahr 2019 mit dem Hubble-Weltraumteleskop identifizierten eindeutig Natriumchlorid in gelblichen Streifen auf der Mondoberfläche. Es ist höchst unwahrscheinlich, dass es sich um reine Salzkörner handelt, aber andere Beobachtungen – Farben des von der Oberfläche absorbierten Infrarotlichts, die als Fingerabdrücke zur Identifizierung bestimmter Verbindungen dienen – lieferten keine überzeugenden Hinweise auf Hydrohalit, das bekannte Salzhydrat.

Die Wissenschaftler zeigten, dass das neue Hydrat, das sich bei 5.000-fachem Atmosphärendruck bildete, stabil blieb, nachdem der Druck entfernt wurde und möglicherweise bei Temperaturen von bis zu minus 40 Grad Fahrenheit. Das deutet darauf hin, dass sich dieses Hydrat im Untergrund Europas gebildet haben könnte und in dieser Form verbleiben würde, wenn es an die Oberfläche gedrückt würde.

„Wir wissen seit langem, dass irgendeine Art von Material mit dem Wassereis vermischt ist“, sagte Michael E. Brown, Professor für Planetenastronomie am California Institute of Technology und einer der Wissenschaftler, die die Hubble-Beobachtungen zur Identifizierung von Natriumchlorid machten auf Europa. „Und wir haben schon lange vermutet, dass es sich tatsächlich nur um Salz handelt, das aus dem inneren Ozean stammt, aber wir konnten nie eine genaue Aussage treffen. Vielleicht ist es diese neue Form von Salz.“

Natriumchlorid „ist eines der einfachsten und am besten verstandenen Dinge der Welt“, sagte Dr. Brown. „Und doch hat Journaux gerade eine neue Form davon entdeckt, die noch nie zuvor gesehen wurde.“

Die Stabilität des Hydrats deutet auch darauf hin, dass es möglicherweise eine Möglichkeit gibt, es ohne hohe Drücke herzustellen, was möglicherweise das Wachstum größerer Kristalle ermöglicht. Das wiederum könnte zu Experimenten führen, die die Absorption von Infrarotlicht messen und diese dann direkt mit den Europa-Messungen vergleichen würden.

Dr. Journaux hat sich an Christoph Salzmann gewandt, einen Chemieprofessor am University College London in England, der zu den Wissenschaftlern gehörte, die diesen Monat über eine neue glasartige Form von Wassereis berichteten, die entsteht, wenn normales Eis mit Stahlkugeln geschüttelt wird.

Ausgehend von Salzwasser könnte dieselbe Technik vielleicht auch das neue Hydrat erzeugen. „Wir werden es auf jeden Fall versuchen“, sagte Dr. Salzmann. „Wenn das neue Hydrat bei niedrigen Temperaturen stabil ist, ist möglicherweise nur die Durchmischung durch das Mahlen in der Kugelmühle ausreichend, damit es sich bildet.“

Dr. Journaux sagte, das Hydrat könnte sogar natürlicherweise auf der Erde vorkommen. In einigen Teilen der Antarktis wird es kalt genug, und das Hydrat könnte sich in Salzseen verfestigen.

Das andere Hydrat mit 13 Wassermolekülen pro Natriumchlorid könnte sich auf dem Grund der Ozeane der eisigen Welten befinden, sagte Dr. Journaux.

Mehrere Roboter-Raumschiffe werden in den kommenden Jahren in das äußere Sonnensystem fliegen, um diese faszinierenden Eiswelten zu untersuchen, die nach Ansicht vieler Wissenschaftler die vielversprechendsten Orte im Sonnensystem für die Suche nach außerirdischem Leben sind. Der Start der Juice-Mission der Europäischen Weltraumorganisation – eine Verkürzung des Jupiter Icy Moons Explorers – ist für April geplant. Die NASA plant, ihre Raumsonde Europa Clipper im Oktober 2024 zu starten, um Europa und die Libelle im Jahr 2026 zu untersuchen und sich auf den Weg zu Titan, dem größten Saturnmond, zu machen.

Die Hydrate könnten sich sogar als Möglichkeit erweisen, von Sonnenkollektoren und Windturbinen erzeugte Energie zu speichern und sie dann zu nutzen, wenn die Sonne nicht scheint oder der Wind still ist. „Das könnte also auch Auswirkungen auf das wirkliche Leben haben“, sagte Dr. Journaux.

Kenneth Chang ist seit 2000 bei The Times und schreibt über Physik, Geologie, Chemie und die Planeten. Bevor er Wissenschaftsjournalist wurde, war er ein Doktorand, dessen Forschung sich mit der Kontrolle des Chaos befasste. @kchangnyt

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