Planetaire wetenschapper Dr. Helen Maynard-Casely en medewerkers hebben voor het eerst gerapporteerd hoe vast methaan en stikstof uitzetten als reactie op temperatuurveranderingen en hebben een historische dubbelzinnigheid met betrekking tot de structuur van stikstof opgelost.

Het onderzoek is geïnspireerd op de missie van New Horizons, die vijf jaar geleden tijdens zijn vlucht langs Pluto, ontdekte gletsjers van vast methaan en stikstof op het oppervlak van de dwergplaneet.

In onderzoek gepubliceerd in het IUCrJ-tijdschrift, ze leverden ook bewijs van onverwachte veranderingen in de oriëntatie van de korrels van het vaste methaan en stikstof bij opwarming, wat aangaf dat de korrels zouden kunnen groeien.

Pluto, die is gekanteld tot 120 graden om zijn as, ervaart seizoensgebonden temperatuurschommelingen van 24 tot 54 Kelvin (-250 tot -220 Celsius) tijdens zijn 248 jaar durende reis rond de zon.

"Het feit dat methaan- en stikstofmoleculen bij zulke extreem lage temperaturen kunnen stromen, heeft te maken met hoe de methaan- en stikstofmoleculen in hun kristalstructuren zijn gerangschikt, daarom kan kristallografie misschien vragen beantwoorden over deze ongewone landschappen, ’ zei Maynard-Casely.

"In de warmere seizoenen van Pluto, nog steeds ongeveer -220 C, zowel de methaan- als stikstofmoleculen draaien vrij rond in de vaste stoffen - de moleculen zijn niet goed aan elkaar gebonden, " ze zei.

"Studies naar de mechanische eigenschappen van deze materialen bij zeer lage temperaturen zijn echt een uitdaging, dus waar ontbreekt nuttige informatie voor de ongebruikelijke omstandigheden op de buitenste planetaire lichamen."

Maynard-Casely, die de oppervlakken van de buitenste ijzige planeten en hun manen bestudeert, herschept die omstandigheden met behulp van de Wombat-diffractometer met hoge intensiteit en cryogene ovens. Ze deed de thermische uitzettingsstudie van methaan en stikstof zoals dat nog niet eerder was gedaan.

Aangenomen wordt dat veranderingen in de dichtheid van beide moleculen nuttig zijn bij het verklaren van de glaciologie van Pluto.

Wat naar verwachting een eenvoudig kristallografie-onderzoek zou zijn van de thermische uitzetting bij een reeks temperaturen, had enkele onverwachte resultaten.

"Stikstof heeft eigenlijk twee kristalstructuren in het temperatuurbereik dat we op Pluto zien, en ik was verrast dat het meest geaccepteerde model voor de alfavorm bij lagere temperatuur niet bij onze gegevens paste. Het bleek dat dit een onderwerp is dat sinds de jaren zeventig nooit is opgelost, hoewel het meest geciteerde model van de eenheidscel de asymmetrische P213-ruimtegroep van vier moleculen is, ’ zei Maynard-Casely.

Gegevens werden verzameld op Wombat op een ander monster, daarna werden vijf verschillende mogelijke structuren opnieuw getest.

"De gegevens passen in de Pa3̅-ruimtegroep, waarin het centrum van het molecuul aan de oorsprong van de kristalstructuur ligt. Dit is belangrijk omdat de ruimtegroep de fysieke eigenschappen beïnvloedt."

In het alternatieve model zijn de stikstofatomen versprongen van de oorsprong.

"Een structuur in de P213-ruimtegroep kan pyro-elektrisch zijn, wat betekent dat er energie kan vrijkomen als je het opwarmt. Dit zou relevant zijn voor glaciologie, maar de Wombat-gegevens suggereren dat dit niet het geval is, ’ zei Maynard-Casely.

"Het stikstofverhaal is echt interessant omdat de moleculen het vermogen hebben om af te koelen tot een geordende structuur, dat is de alfa-stikstoffase en op dit punt is er een grote volumedaling, " legde Maynard-Casely uit.

"Terwijl bij een iets hogere temperatuur, rond 44 Kelvin, de stikstofmoleculen draaien vrij rond in een plastische toestand."

Fase I van het methaan wordt ook wel beschreven als een plastische fase, waarin werd gedacht dat de zwak interagerende aard van de moleculen en oriëntatievrijheid een mechanische zachtheid gaven.

Het onderzoek werd gemotiveerd door de opvallende beelden van het oppervlak van Pluto die vijf jaar geleden werden vastgelegd door de New Horizons-missie. die torenhoge ijzige bergen afbeeldde omringd door lager terrein met schijnbare vloeiende kenmerken.

"Verdwenen is de gedachte dat Pluto een dode wereld is. New Horizons heeft bewijs gevonden dat de dwergplaneet gedurende zijn 4 miljard jaar bestaan ​​geologisch actief is geweest."

"Het was ook interessant om te zien hoe weinig de waterstofgebonden structuur, water, uitgebreid over hetzelfde temperatuurbereik, ’ zei Maynard-Casely.

"Je ziet water als een bijna rechte lijn in de dataplot, overwegende dat methaan en stikstof aanzienlijk uitzetten bij stijgende temperaturen, " ze zei.