Wat gebeurt er binnen planeten als Neptunus en Uranus? Om daar achter te komen, voerde een internationaal team onder leiding van het Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), de universiteit van Rostock en de Franse École Polytechnique een nieuw experiment uit. Ze vuurden een laser af op een dunne film van eenvoudig PET-plastic en onderzochten met intensieve laserflitsen wat er gebeurde. Een resultaat was dat de onderzoekers hun eerdere stelling konden bevestigen dat het echt diamanten regent in de ijsreuzen aan de rand van ons zonnestelsel. En een andere was dat deze methode een nieuwe manier zou kunnen zijn om nanodiamanten te produceren, die bijvoorbeeld nodig zijn voor zeer gevoelige kwantumsensoren. De groep heeft haar bevindingen gepresenteerd in het tijdschrift Science Advances .

De omstandigheden in het binnenste van ijzige reuzenplaneten zoals Neptunus en Uranus zijn extreem:temperaturen bereiken enkele duizenden graden Celsius en de druk is miljoenen keren groter dan in de atmosfeer van de aarde. Toch kunnen dergelijke toestanden kort in het laboratorium worden gesimuleerd:krachtige laserflitsen raken een filmachtig materiaalmonster, verhitten het in een oogwenk tot 6.000 graden Celsius en genereren een schokgolf die het materiaal gedurende enkele nanoseconden comprimeert tot een miljoen keer de atmosferische druk.

"Tot nu toe gebruikten we koolwaterstoffilms voor dit soort experimenten", legt Dominik Kraus, natuurkundige bij HZDR en professor aan de Universiteit van Rostock, uit. "En we ontdekten dat deze extreme druk minuscule diamantjes produceerde, ook wel nanodiamanten genoemd."

Met behulp van deze films was het echter slechts gedeeltelijk mogelijk om het binnenste van planeten te simuleren - omdat ijsreuzen niet alleen koolstof en waterstof bevatten, maar ook enorme hoeveelheden zuurstof. Bij het zoeken naar geschikt filmmateriaal stuitte de groep op een alledaagse stof:PET, de hars waarvan gewone plastic flessen worden gemaakt. "PET heeft een goede balans tussen koolstof, waterstof en zuurstof om de activiteit in ijsplaneten te simuleren", legt Kraus uit.

Het team voerde zijn experimenten uit in het SLAC National Accelerator Laboratory in Californië, de locatie van de Linac Coherent Light Source (LCLS), een krachtige, op versneller gebaseerde röntgenlaser. Ze analyseerden wat er gebeurt als intensieve laserflitsen een PET-film raken, waarbij ze twee meetmethoden tegelijk gebruikten:röntgendiffractie om te bepalen of nanodiamanten werden geproduceerd en zogenaamde kleine-hoekverstrooiing om te zien hoe snel en hoe groot de diamanten groeiden.

Een grote hulp:zuurstof

"Het effect van de zuurstof was om de splitsing van koolstof en waterstof te versnellen en zo de vorming van nanodiamanten aan te moedigen", zegt Dominik Kraus, die over de resultaten rapporteert. "Het betekende dat de koolstofatomen gemakkelijker konden combineren en diamanten konden vormen." Dit ondersteunt verder de veronderstelling dat het letterlijk diamanten regent in de ijsreuzen. De bevindingen zijn waarschijnlijk niet alleen relevant voor Uranus en Neptunus, maar ook voor talloze andere planeten in onze melkweg. Terwijl zulke ijsreuzen vroeger als zeldzaamheden werden beschouwd, lijkt het nu duidelijk dat ze waarschijnlijk de meest voorkomende vorm van planeet buiten het zonnestelsel zijn.

Het team kwam ook andere hints tegen:in combinatie met de diamanten zou er water moeten worden geproduceerd, maar in een ongebruikelijke variant. "Er kan zich zogenaamd superionisch water hebben gevormd", zegt Kraus. "De zuurstofatomen vormen een kristalrooster waarin de waterstofkernen vrij kunnen bewegen."

Omdat de kernen elektrisch geladen zijn, kan superionisch water elektrische stroom geleiden en zo helpen om het magnetische veld van de ijsreuzen te creëren. In hun experimenten kon de onderzoeksgroep het bestaan ​​van superionisch water in het mengsel met diamanten echter nog niet ondubbelzinnig bewijzen. Dit is gepland in nauwe samenwerking met de Universiteit van Rostock aan de Europese XFEL in Hamburg, 's werelds krachtigste röntgenlaser. Daar leidt HZDR het internationale gebruikersconsortium HIBEF, dat ideale omstandigheden biedt voor dit soort experimenten.

Precisiefabriek voor nanodiamanten

Naast deze vrij fundamentele kennis opent het nieuwe experiment ook perspectieven voor een technische toepassing:de op maat gemaakte productie van diamanten ter grootte van nanometers, die al in schuur- en polijstmiddelen zitten. In de toekomst zouden ze moeten worden gebruikt als zeer gevoelige kwantumsensoren, medische contrastmiddelen en efficiënte reactieversnellers, voor het splitsen van CO₂ bijvoorbeeld. "Tot nu toe zijn dit soort diamanten voornamelijk geproduceerd door explosieven te laten ontploffen", legt Kraus uit. "Met behulp van laserflitsen zouden ze in de toekomst veel schoner kunnen worden vervaardigd."

Een high-performance laser vuurt tien flitsen per seconde af op een PET-film, die met tussenpozen van een tiende van een seconde door de straal wordt verlicht. De zo ontstane nanodiamanten schieten uit de film en komen terecht in een met water gevulde opvangbak. Daar worden ze afgeremd en kunnen ze vervolgens worden gefilterd en effectief worden geoogst. Het essentiële voordeel van deze methode in tegenstelling tot productie door explosieven is dat "de nanodiamanten op maat kunnen worden gesneden met betrekking tot de grootte of zelfs doping met andere atomen", zegt Dominik Kraus. "De röntgenlaser betekent dat we een laboratoriumtool hebben die de groei van de diamanten nauwkeurig kan regelen." + Verder verkennen

'Diamantregen' op gigantische ijzige planeten kan vaker voorkomen dan eerder werd gedacht