Wetenschappers hebben de unieke chemische omstandigheden op Titan, de grootste maan van Saturnus, nagebootst in kleine glazen cilinders hier op aarde, en het experiment heeft voorheen onbekende kenmerken van de minerale samenstelling van de maan onthuld.
Titan is de op één na grootste satelliet in het zonnestelsel na Ganymedes, dat tot Jupiter behoort, het heeft een dichte atmosfeer die voornamelijk bestaat uit stikstof met een mengsel van methaan. Deze geelachtige waas handhaaft een temperatuur van ongeveer -180°C. Onder de atmosfeer bevinden zich meren, zeeën en rivieren van vloeibaar methaan en ethaan die de ijzige korst van Titan bedekken, vooral bij de polen. Net als vloeibaar water op aarde nemen deze natuurlijke gassen deel aan een cyclus waarin ze verdampen, wolken vormen en vervolgens neerregenen op het oppervlak van de maan.
De dichte atmosfeer, het vloeibare oppervlak en de seizoensgebonden weerscycli van Titan maken deze koude maan een beetje zoals de aarde, en net als onze planeet heeft hij organische moleculen die koolstof, waterstof en zuurstof bevatten. Vanwege deze organische chemie die op Titan plaatsvindt, geloven wetenschappers dat de maan zou kunnen dienen als een enorm laboratorium om de chemische reacties te bestuderen die op aarde plaatsvonden voordat het leven op de planeet verscheen.
Maar slechts één ruimtevaartuig, Cassini, heeft Saturnus en zijn manen in detail waargenomen, waardoor het moeilijk is om op de grond onderzoek te doen naar de vreemde chemische samenstelling die op Titan is ontdekt. Daarom heeft een groep wetenschappers onlangs besloten om Titan in een reageerbuis te modelleren.
Eerst plaatste de groep vloeibaar water in kleine glazen cilinders en verlaagde de temperatuur tot omstandigheden vergelijkbaar met die van de titanic. Het water bevroor en deed de ijzige korst van Titan na. Het team voegde vervolgens ethaan toe aan de buis, die vloeibaar werd zoals de meren op het oppervlak van Titan. Ten slotte voegden ze stikstof toe om de atmosfeer van Titan te creëren en veranderden vervolgens de temperatuur in de buis enigszins om temperatuurschommelingen op het oppervlak van Titan en in de verschillende lagen van zijn atmosfeer te simuleren.
In hun laatste studie, gepresenteerd op 26 augustus tijdens de American Chemical Society Fall Meeting, voegde het team twee verbindingen toe, acetonitril (ACN) en propionitril (PCN). Gegevens van de Cassini-missie geven aan dat deze verbindingen overvloedig aanwezig zijn op Titan. De meeste eerdere studies hebben de twee verbindingen afzonderlijk bestudeerd, in hun pure vorm, maar het team wilde zien wat er zou gebeuren als de verbindingen zouden worden gemengd, zoals het geval zou kunnen zijn op Titan. In tegenstelling tot het werken met elke verbinding afzonderlijk, kun je, als je ze samen mengt, een heel ander resultaat krijgen in de structuur, dat wil zeggen, hoe de moleculen zullen worden georganiseerd en hoe de moleculen zullen kristalliseren of in een vaste vorm veranderen.
Het team ontdekte dat ACN en PCN zich onder titaniumachtige omstandigheden heel anders gedragen dan beide verbindingen alleen. De temperaturen waarbij verbindingen smelten of kristalliseren veranderen namelijk dramatisch, in de orde van honderden graden Celsius.
Deze smelt- en kristallisatiepunten zouden relevant zijn in de wazige gele atmosfeer van Titan. Verschillende lagen van de atmosfeer variëren in temperatuur, afhankelijk van de hoogte boven het oppervlak van de maan, dus om te begrijpen hoe de chemicaliën in de nevel zich gedragen, suggereert de nieuwe studie dat met deze temperatuurschommelingen rekening moet worden gehouden.
Bovendien ontdekten de wetenschappers dat wanneer ACN en PCN kristalliseren, ze verschillende kristalstructuren aannemen, afhankelijk van of ze alleen zijn of in de aanwezigheid van een andere verbinding. Kristallen worden gevormd wanneer individuele moleculen van een verbinding worden gecombineerd tot een sterk georganiseerde structuur. Hoewel de bouwstenen van deze structuur - de moleculen - hetzelfde blijven, kunnen ze, afhankelijk van factoren zoals temperatuur, in iets andere configuraties samenkomen.
Deze variaties in kristalstructuur staan bekend als: polymorfenen wanneer ACN en PCN op zichzelf bestaan, nemen ze de ene polymorf aan bij hoge temperaturen en de andere bij lage temperaturen. Maar wetenschappers merkten op dat als er een mengsel is, de stabiliteit van hoge temperatuur en lage temperatuur in zekere zin kan worden veranderd. Deze fijne details over wanneer en hoe de verbindingen een gestabiliseerde structuur bereiken, zouden het begrip van welke mineralen op Titan kunnen worden gevonden, echt veranderen.
NASA's Dragonfly-missie, gepland voor lancering in 2026 en aankomst bij Saturnus in 2034, kan meer informatie geven over de minerale samenstelling van Titan in situ.
Lees ook: