Artist impression of molecules in space ice

De geheimen van ruimte-ijs ontrafelen

6 augustus 2025

News

IJs kennen we hier op aarde maar al te goed, maar ook in de ruimte komt het voor. Het is alleen niet bepaald makkelijk te onderzoeken en daarom kent het nog veel geheimen. Met als resultaat dat ijs vaak uit ruimtemodellen en -berekeningen gelaten wordt. Daardoor missen we dus eigenlijk een deel van de benodigde kennis om processen in de ruimte goed te begrijpen, iets waar HFML-FELIX onderzoeker Dian Schrauwen wat aan hoopt te veranderen.

Zij houdt zich in het lab bezig met het proberen te verklaren van fysische processen in de ruimte. ‘Als we dit willen bestuderen kijken we naar het interstellaire medium, dat is de ruimte tussen de sterren’, legt Schrauwen uit. ‘Daar vind je materie in verschillende fases en allerlei soorten moleculen. De ‘vingerafdruk’ van een deel van die moleculen is al gedetecteerd door telescopen. Vanaf de aarde, maar ook vanuit de ruimte door bijvoorbeeld de James Webb telescoop. Als astrochemicus wil ik dan vooral weten: hoe komen die moleculen daar? En waarom zijn ze daar? Maar ook: hoe gaan ze interacties met elkaar aan?’

Nou is de ruimte ontzettend leeg en koud en er is veel straling van sterren. Dat maakt het een moeilijke plek voor iets om te kunnen ontstaan. De meeste moleculen zouden bijvoorbeeld alleen de straling al niet overleven. Toch ontstaat er door interacties tussen moleculen een heleboel. Het kan dus, maar hoe? ‘Om daarachter te komen kun je kijken naar de gasfase van moleculen, want veel van de waarnemingen waar we nu data van hebben zijn gedaan in wolken van gas. Naast het gas bestaat een groot deel van de ruimte-wolken ook uit stofdeeltjes. Dat stof vangt in zulke wolken moleculen, dat plakt als het ware aan elkaar vast en samen vormt dat door de koude omstandigheden een laagje ijs. En in dat ijs ben ik geïnteresseerd.’

Meer kans op reacties in ijs

Op aarde kennen we natuurlijk vooral waterijs, wat ook in de ruimte het meest voorkomende ijs is, maar er zijn vele verschillende soorten. Je hebt bijvoorbeeld ook koolmonoxide-ijs en ammoniak-ijs. Maar welk ijs je ook bekijkt: in de vaste fase zitten deeltjes en moleculen dicht op elkaar voor langere tijd. ‘Dat is een hele andere situatie dan deeltjes die rondzweven als gas in de ruimte-wolk en misschien maar één keer in de twee weken een ander deeltje tegenkomen. De kans op een reactie tussen moleculen is in die situatie behoorlijk klein. In zo’n laagje ijs is de kans dat er iets gebeurt veel groter.’

En vastzitten in ijs doet ook iets met de reactie zelf. Want de energie die daarmee ontstaat kan niet weg. ‘Wat er dan precies met die energie gebeurt: dat probeer ik uit te zoeken. Neemt het ijs die energie op? Wat doet dat met de interactie tussen moleculen? Als we dat kunnen uitleggen – waarom die moleculen er zijn, hoe ze in ijs op elkaar reageren – dan begrijpen we een belangrijk onderdeel van de fysica in deze extreme condities een stuk beter. En ja, dat heeft ook een link met hoe leven kan ontstaan in de ruimte.’

Ruimteomstandigheden in het lab

Om deze processen echt goed te kunnen onderzoeken is het nodig om de ruimteomstandigheden zo goed en gecontroleerd mogelijk na te bootsen. Dat lukt in het lab van HFML-FELIX in een kamer met een ultra hoog vacuüm. Dat betekent dat de ruimte zo leeg mogelijk is gemaakt en er zo min mogelijk ‘storende’ moleculen zijn die de meting kunnen beïnvloeden. Ook kan de kamer extreem koud worden: rond de -263 graden Celsius, of 10 Kelvin. ‘Vervolgens laten we een beetje watergas gecontroleerd de kamer ingaan. Dat slaat neer op een heel koud spiegelplaatje en vormt daar een extreem dun laagje ijs.’

Wat ook nog bepaald kan worden is de structuur van dat laagje ijs. IJs komt namelijk voor in verschillende vormen. Kristallijn is zoals de meeste mensen waterijs bijvoorbeeld kennen. Dan hebben we het over een geordende, herhalende structuur. Daarom is het zo solide en drijft het op water. Maar je hebt ook amorf-ijs, met een willekeurige, ongeordende structuur. ‘De temperatuur in de kamer en de manier waarop je het gas de kamer inlaat bepalen welke structuur het wordt. In ons geval maken we amorf-ijs. Ondanks dat er ook kristallijn-ijs kan voorkomen in de ruimte op plekken waar het in aanraking komt met hogere temperaturen. Wij zijn op dit moment geïnteresseerd in het begin, in de koudere omstandigheden, wanneer het (nog) amorf kan zijn.’

Dansende moleculen

Het laagje ijs dat op het spiegelplaatje vormt is enorm dun. ‘Als je naar binnen kijkt in de kamer, zie je het niet eens liggen op het plaatje. Dat betekent ook dat je een speciale techniek moet gebruiken om het te kunnen bestuderen. Wij gebruiken daarvoor infrarood spectroscopie, want in het infrarood kunnen we wel iets zien. Namelijk de piepkleine bewegingen – vibraties – die de watermoleculen maken. En omdat we een spiegel gebruiken en de laser daarop terugkaatst, meten we eigenlijk twee keer het signaal van die vibraties, zodat we een zo goed mogelijk beeld krijgen van wat er in dat laagje ijs gebeurt.’

Schrauwen kijkt niet alleen naar puur waterijs. Ze gebruikt ook mengsels met daarin andere moleculen, zoals methaan, koolstofdioxide en ammoniak. ‘Want in veel gevallen zullen er in de ruimte ook andere soorten moleculen vastplakken aan dat laagje. Daarnaast vormen zich ook nog allerlei nieuwe moleculen in dat ijs als de omstandigheden ernaar zijn.’

Energie erin pompen

Om de processen in het ijs te kunnen bestuderen, moet eerst worden bepaald wat de ‘vingerafdrukken’ van de aanwezige moleculen zijn. Daarna moet er nog iets anders gebeuren om interessante processen te kunnen nabootsen en onderzoeken: er moet een flinke hoeveelheid energie het ijs ingepompt worden. Dat doen ze bij HFML-FELIX met één van de FELIX-lasers. Die kan verschillende frequenties in het infrarood produceren.

Elke frequentie zet weer andere vibraties in de moleculen in gang. Welke moleculen en onderdelen van moleculen reageren op welke frequentie geeft weer veel informatie over de structuur van, en de interacties tussen de moleculen in het laagje ijs. ‘Daarmee bestuderen we eigenlijk tegelijkertijd nog iets anders. Want UV-straling die veel in de ruimte aanwezig is en vaak wordt gebruikt om ijs te onderzoeken, kan het ijs niet altijd goed bereiken in de ruimte. Vaak zit het materiaal van de wolk waarin het ijs zich bevindt in de weg. Infrarood straling – ook aanwezig in de ruimte – heeft daar geen last van en kan het ijs wel bereiken. Dat maakt het een interessante factor om te bestuderen en mee te nemen in bijvoorbeeld chemische modellen die worden gemaakt.’

Nou is de straal van FELIX vele malen sterker dan de straling waarmee het ijs in de ruimte te maken krijgt. ‘Wat we daarmee doen is eigenlijk de tijd versnellen. Die sterkte staat dan gelijk aan een lange periode blootstelling aan straling. Het zou niet haalbaar zijn om een experiment te doen waarin je daadwerkelijk jarenlang straling toepast op een ijsmonster, dus dit is één van de manieren om dit toch te kunnen bestuderen.’

Nadat de moleculen een flinke bak infraroodlicht voor hun kiezen hebben gehad, wordt nog een keer hun ‘vingerafdruk’ bepaald. ‘En daaraan kunnen we zien wat het effect is geweest. In de grafiek die de spectrale vingerafdruk laat zien kan er ineens een onderdeel zwakker zijn geworden, of juist sterker. Dat vertelt me of er moleculen zijn verplaatst of veranderd. Of ze bijvoorbeeld wat gedraaid zijn, of extra interacties met hun buren zijn aangegaan. Aan de hand daarvan kan ik weer iets zeggen over het proces en de interactie in zo’n ijslaagje, bij verschillende omstandigheden.’

Zowel antwoorden, als meer vragen

Uit de experimenten die Schrauwen tot nu toe heeft gedaan, komen hele interessante, maar soms ook verwarrende resultaten. ‘Als je een mengsel neemt met veel water erin en je stopt er bijvoorbeeld een beetje methaan in en je gaat dan die watermoleculen aanslaan, dan zie je dat methaan daar weinig om geeft. Die moleculen gedragen zich in de buurt van die geactiveerde watermoleculen helemaal niet anders. Het wordt een heel ander verhaal als je een beetje ammoniak aan je waterijs toevoegt. Die moleculen reageren dan wel heel heftig op elkaar. Voeg je kooldioxide (CO2) toe, dan zit dat qua reactie weer een beetje tussen de twee eerder genoemde voorbeelden in. Behalve dat voor kooldioxide de vibratie van kooldioxide zelf door water wordt overgenomen. Iets wat we totaal niet hadden verwacht. En zo leren we beetje bij beetje meer over de manieren waarop verschillende moleculen met elkaar ‘praten’ onder verschillende omstandigheden.’

Eén van de andere interessante dingen die Schrauwen heeft gezien is belangrijk voor toekomstige modellen. ‘Als er nu ijs wordt gevonden in de ruimte, en het is kristallijn, dan gaat men ervan uit dat het verhit is geweest. Dat is namelijk nodig om die structuur te krijgen. Vaak is het idee dan: dit ijs is in de buurt van een nabije ster geweest, en daardoor opgewarmd. Maar wat wij dus zien is dat die structuur ook kan ontstaan met infraroodstraling. De verhitting ontstaat in dat geval door een hele specifieke infraroodfrequentie, die vibraties activeert. Dan kun je dus niet meer aannemen dat kristallijn-ijs altijd in de buurt van een ster is geweest. Als je dan naar de afkomst, of route van ruimte-ijs gaat kijken en je maakt daar een model voor, dan moet je daar wel rekening mee houden. Het kan dus ook onder invloed van infraroodlicht zijn gebeurd.’

Toekomstig onderzoek

Naar dat modelleren en simuleren hebben collega’s van Schrauwen zelf ook al gekeken, op basis van de resultaten uit haar experimenten. Daarbij lopen ze echter wel tegen wat moeilijkheden aan. Het gaat om zoveel rekenkracht en data in simulaties van de eerder genoemde processen en interacties, dat dit slechts enkele nanosecondenlukt. Terwijl het onderzoek van Schrauwen kijkt naar processen van minuten en het in de ruimte soms gaat om processen van maanden, of jaren.

Eén van de uitdagingen voor de toekomst is dus een manier vinden om dat goed genoeg met elkaar te kunnen vergelijken. ‘Want soms zien we hierdoor verschillen in uitkomsten tussen de experimenten en simulaties. Wat we nu onder andere willen proberen is het aantal lichtpulsen van de laser zo aanpassen dat het resultaat dichter bij de simulaties in de buurt komt.’

Momenteel is Schrauwen vooral druk met het analyseren van data uit eerdere experimenten met ammoniak. ‘Daar is eigenlijk bijzonder weinig onderzoek naar gedaan in vergelijking met bijvoorbeeld water. Wat uit die experimenten is gekomen wordt binnenkort het sluitstuk van mijn proefschrift.’