De zoektocht naar leven buiten de aarde is meestal gericht op het zoeken naar water, de basis voor het leven zoals we dat kennen. Of het water nu een gas is, vloeistof, of vast, zijn aanwezigheid en samenstelling kunnen onderzoekers veel vertellen over de planeet, maan, komeet, of asteroïde waarop het wordt gedetecteerd en of het leven zou kunnen ondersteunen.

Omdat de interstellaire ruimte zo koud is en voornamelijk een vacuüm is, het water dat we van de aarde detecteren is meestal in de vorm van amorf ijs, wat betekent dat de atomaire structuur niet netjes is gerangschikt in een kristallijn rooster zoals ijs op aarde. Hoe de overgang tussen de kristallijne en amorfe ijsfasen plaatsvindt op ijzige lichamen zoals Europa of op Kuipergordelobjecten voorbij Pluto, is moeilijk om te studeren - tenzij je de kou kunt nabootsen, donker vacuüm van de ruimte, onder intense straling, in een laboratorium.

Dat is precies wat wetenschappers van het Oak Ridge National Laboratory (ORNL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) en het Jet Propulsion Laboratory van NASA in Pasadena, Californië, werken aan de ORNL Spallation Neutron Source (SNS). Ze verlaagden de temperatuur van een eenkristal-saffierplaat tot 25 K (ongeveer min 414 graden Fahrenheit), plaatste het in een vacuümkamer, en slechts een paar moleculen per keer water toegevoegd - in dit geval, zwaar water (D2O)–naar de plaat. Vervolgens observeerden ze hoe de ijsstructuur veranderde met variërende temperatuur voordat het uiteindelijk kristallijn ijs vormde. Het team is van plan om de ijzige lichamen van het zonnestelsel te simuleren door het monster te bombarderen met elektronenstraling om te bepalen hoe dit de ijsstructuur beïnvloedt.

"Het experiment produceerde een laag amorf ijs vergelijkbaar met het ijs dat het grootste deel van het water in het universum vormt, " zei Chris Tulk, ORNL neutronenverstrooiingswetenschapper. "Dit is hetzelfde type ijs dat zich had kunnen vormen op de extreem koude permanent beschaduwde gebieden van de maan, op de poolgebieden van Jupiters maan Europa, en in het materiaal tussen de sterren in onze melkweg, bekend als dichte moleculaire wolken. Hoewel veel van het ijs inmiddels waarschijnlijk is uitgekristalliseerd op de warmere lichamen, het verse ijs op koudere lichamen en in de diepe ruimte is waarschijnlijk nog amorf."

De wetenschappers hopen vragen te beantwoorden zoals hoeveel van het ijs op het oppervlak van Europa, de op een na kleinste maan van Jupiter, zou amorf ijs kunnen zijn als gevolg van het oppervlak dat wordt bestraald door geladen deeltjes geproduceerd door het magnetische veld van Jupiter.

"Deze informatie zou ons kunnen helpen de wetenschappelijke gegevens van het Europa Clipper-ruimtevaartuig beter te interpreteren en ook enkele aanwijzingen te geven over hoe waterijs evolueert in verschillende delen van het universum, " zei Murthy Gudipati, senior onderzoeker bij JPL. "Met een lanceringsdatum gepland voor 2024, het doel van de Europa Clipper-missie is om de bewoonbaarheid van Europa te beoordelen door de atmosfeer te bestuderen, oppervlakte, en interieur, inclusief vloeibaar water onder de ijzige korst dat mogelijk leven zou kunnen ondersteunen."

De eerste experimenten van het team werden uitgevoerd op de Spallation Neutrons and Pressure (SNAP) diffractometer bij SNS, een instrument dat doorgaans wordt gebruikt voor experimenten met hoge druk, maar die de wetenschappers hebben geconfigureerd om de lage druk na te bootsen, extreem koude en hoge stralingsomgeving van de ruimte. Toekomstige experimenten zullen gebruik maken van inelastische neutronenverstrooiing op het VISION-instrument om de dynamiek van het amorfe ijs te bestuderen terwijl het zich vormt. De experimenten zullen ook elektronenbombardement gebruiken om de veranderingen in deze exotische ijsvormen in een ruimtestralingsomgeving te bestuderen.