Wijst methaan in de waterpluimen van Enceladus soms op microbacterieel leven?

Impressie van Cassini die door de waterpluimen van Enceladus vliegt. Credits: NASA/JPL-Caltech

Wetenschappers van de Universiteit van Arizona en de Paris Sciences & Lettres University hebben onderzoek gedaan naar de waterpluimen van de Saturnusmaan Enceladus en geconcludeerd dat er in de oceanen onder de dikke ijskorst van Enceladus een proces moet plaatsvinden dat methaan produceert en dat niet een bekend geochemisch proces is. In Nature Astronomy hebben ze er vandaag een vakartikel over gepubliceerd. Dat er op de polen van Enceladus grote geisers zijn, van waaruit pluimen met waterdamp spuiten, is al bekend sinds de scheervluchten van de NASA ruimteverkenner Cassini langs de maan. Cassini vond toen al in die waterdamp (waar een paar keer dwars doorheen werd gevlogen) moleculen zoals diwaterstof, methaan en kooldioxide, moleculen die we op aarde ook aantreffen bij heetwaterbronnen op de bodem van de oceanen. Alleen was de hoeveelheid methaan erg groot.

Voorstelling van de maan Enceladus, waar door scheuren in de ijskorst waterdamp via geisers naar buiten spuit. Credits: NASA/JPL

Vandaar dat Regis Ferriere (UA) en zijn team keken naar de mogelijkheid die we ook op aarde kennen, namelijk dat bepaalde microbacterieën, die we kennen als methanogens, het diwaterstof omzetten in methaan. Een reis naar Enceladus om die mogelijkheid te onderzoeken is voorlopig niet aan de orde, dus vandaar dat de onderzoekers het anders aanpakten: zij stelden wiskundige modellen op om te kijken of de gegevens die door Cassini zijn verzameld van de waterpluimen van Enceladus ook verklaard kunnen worden door eventuele methanogens in de vloeibare oceaan onder de ijskorst van Enceladus. Hun conclusie: de gegevens van Cassini zijn consistent met microbacteriële hydrothermale ventilatie-activiteit óf met processen waarbij geen levensvormen zijn betrokken, maar die verschillen van de processen die we op aarde kennen. Met de bekende niet-biologische processen kon men de hoeveelheid methaan niet verklaren. Bron: Universiteit van Arizona.

Methaan op Mars blijkt zich ’s nachts op te hopen

Marsrover Curiosity in de Gale krater. Credit: NASA

Er lijkt een oplossing in zicht te zijn voor het ‘methaanprobleem’ van Mars. Dat probleem komt er kortweg op neer dat vanaf de grond op Mars gemeten er methaan in de atmosfeer zit, een verbinding die door zonlicht na een zogeheten residentietijd van 340 jaar wordt afgebroken, maar dat vanuit de ruimte bekeken dat methaan er niet is. Marsrover Curiosity heeft vanuit de Gale krater met regelmaat methaan gemeten, maar de Trace Gas Orbiter (TGO) vanuit de ruimte, die sinds 2016 in het kader van de ExoMars missie om Mars cirkelt, kon niets detecteren. Hoe kan dat? Er lijkt nu voor het grootste deel van het methaanprobleem een oplossing gevonden te zijn en die is nog eenvoudig ook. Het blijkt namelijk te maken te hebben met het tijdstip waarop Curiosity en TGO hun metingen doen. Dat meten is een intensief proces dat veel stroom kost. TGO haalt z’n stroom uit zijn zonnepanelen en daarom doet die de metingen overdag. Curiosity heeft een thermo-elektrische radio-isotopengenerator die de stroom levert. Overdag wordt de stroom door andere instrumenten gebruikt, maar ’s nachts doet de methaandetector – dat is het Tunable Laser Spectrometer (TLS) instrument – z’n werk.

TGO analyseert de atmosfeer van Mars. Credit: ESA.

Een team van onderzoekers onder leiding van Christopher Webster heeft die verschillende werkschema’s van Curiosity en TGO onderzocht en het blijkt dat dat het verschil in de metingen deels kan verklaren.’s Nachts als het koel is en de atmosfeer rustig kan methaan zich ophopen. Curiosity meet dan methaan. Maar overdag is het warmer en de atmosfeer meer in beweging, dán wordt het ’s nachts opgebouwde methaan verstrooid tot dermate lage niveaus, dat TGO het niet kan detecteren. Dé manier om dit verschil te checken was door Curiosity een keer toch overdag metingen te laten doen. En wat bleek: overdag kon Curiosity ook geen methaan detecteren, tot twee keer toe nul resultaat. Kennelijk is er alleen ’s nachts voldoende ophoping van methaan om het te kunnen detecteren. Een deel van het methaanprobleem blijft nog wel overeind: er wordt kennelijk toch methaan geproduceerd, vermoedelijk door geologische processen in kraters zoals Gale, en dat zou zich dan in de atmosfeer moeten ophopen tot concentraties die door TGO wel detecteerbaar zijn, ook overdag. Maar kennelijk is er iets dat het methaan toch weer afbreekt in minder dan de residentietijd. Gedacht wordt aan kleine elektrische ontladingen door stof in de atmosfeer of door zuurstof laag boven het oppervlak dat methaan afbreekt. Dat wordt nu verder onderzocht. Hier het vakartikel over de methaanmetingen op Mars, verschenen in Astronomy & Astrophysics. Bron: NASA.

SpaceX Raptor; uniek en ijzersterk werkpaard onder de vloeibare-brandstof raketmotoren (II)

De Raptormotor is een herbruikbare, methaan-aangedreven raketmotor vervaardigd door én voor SpaceX. In deel I werd de bijzondere verbrandingscyclus van de Raptor, en de methalox besproken, de motor gebruikt cryogeen vloeibaar methaan en vloeibare zuurstof (LOX) als brandstof. De Raptor, ontwikkeld voor Starship en Super Heavy, moet volgens Elon Musk de effectiefste raketmotor ooit worden met de gunstigste stuwkracht per kilogram brandstof verhouding. Hier volgt deel II, beide delen zijn een ingekorte versie van Everyday Astronaut’s Tim Dodd zeer uitgebreide artikel/video over de Raptor, en beschrijft de Raptor versus andere gangbare raketmotoren, als o.a. de Merlin, de RS-25 (Spaceshuttle/SLS), de RD-180, Blue Origin’s BE-4 en de F-1-motor. Verder staan Mars en methaan, kosten, motorefficiëntie, herbruikbaarheid en andere praktische overwegingen centraal. Ik hoop met beide artikelen duidelijk te maken waarom SpaceX tot de keuze voor de Raptor is gekomen en misschien in de toekomst wel het beste paard in de stal der raketmotoren kan worden…

Lees verder

Pluto’s bergtoppen – bedekt met methaanijs – ontstaan anders dan die op aarde

Inzet: de besneeuwde bergtoppen op Pigafetta Montes. Rood is veel methaan, blauw weinig. Credits: NASA/JHUAPL/SwRI and Ames Research Center/Daniel Rutter

Op 4 juli 2015 – Independanceday in the VS – vloog de New Horizons ruimteverkenner van de NASA langs Pluto. Uit de waarnemingen die toen zijn gedaan bleek eerder al dat de bergtoppen op Pluto bedekt zijn met methaanijs en dat ze daardoor helder zijn, zoals te zien is op bovenstaande foto, waarop de besneeuwde toppen van Pigafetta Montes te zien zijn, een bergketen op Pluto. Uit simulaties die men heeft gedaan blijkt nu dat die besneeuwde bergtoppen op aan andere manier ontstaan, dan zoals dat op aarde gebeurt met de hoge bergen. Bij ons op aarde neemt de temperatuur af naarmate je hoger komt, hetgeen komt omdat lucht uitzet als het hoger komt en dan afkoelt. Waterdamp condenseert daardoor hoog in de bergen en komt neer als sneeuw. Op Pluto is het precies andersom, daar stijgt de temperatuur van de ijle atmosfeer, naarmate je hoger komt. Die atmosfeer bestaat vooral uit stikstof, maar er komt ook methaan voor. Dat methaan absorbeert de straling van de zon en aangezien het methaan vooral in de hogere ‘luchtlagen’ voorkomt wordt het daar wamer dan bij het oppervlak. Driedimensionale modellen laten nu zien dat het dat methaan is dat hoog in de lucht op de bergtoppen van Pluto condenseert en dan daar neerslaat. Zo komt Pluto aan z’n besneeuwde bergtoppen.

De Tartarus Dorsa regio op Pluto (Credit: NASA).

Men denkt dat het Tartarus Dorsa gebied op Pluto, dat er met z’n spectaculair steile richels uitziet als een slangenvel, op dezelfde manier aan z’n ijsm komt, door condensatie van methaan. In Nature verscheen dit vakartikel over het onderzoek aan de besneeuwde bergtoppen op Pluto. Bron: NASA.

Daar waar men methaan verwachtte is ozon en kooldioxide in de Marsatmosfeer aangetroffen

Impressie van de TGO. Credit: ESA/ATG medialab

Gedurende twee jaar is de atmosfeer van Mars uitgebreid bestudeerd door de Europese Trace Gas Orbiter (TGO), die zich richt op de samenstelling van de atmosfeer van Mars en dan met name op de aanwezigheid van methaan. Eén Marsjaar (687 aardse dagen) lang is de atmosfeer van de Rode planeet onderzocht met de Atmospheric Chemistry Suite (ACS) aan boord van de TGO en dat heeft een verrassing opgeleverd: op de plekken waar men de hoogste hoeveelheid methaan verwachtte daar trof men ozon (O3) en kooldioxide (CO2) aan. Die zijn eerder ook al waargenomen, onder andere met de Europese Mars Express sonde in het UV-gedeelte, maar niet in dit gedeelte van het spectrum, het infrarode gedeelte. Met infrarood kan men dieper in de atmosfeer kijken, dus biedt dit de gelegenheid om beter te zien in welke hoeveelheden ozon op de verschillende hoogtes boven Mars voorkomt. Zowel op aarde als op Mars zorgt ozon er voor dat de chemische samenstelling van de atmosfeer stabiel blijft.

Het spectrum door TGO gemeten met daarin de lijnen van ozon en kooldioxide. Credit: K. Olsen et al. (2020)

Het bestuderen van methaan in de atmosfeer van Mars is van belang omdat het methaan op aarde een biologische oorsprong heeft en dat op Mars wellicht ook zo is. Methaan breekt al in ongeveer 400 jaar, dus er moet iets zijn wat er voor zorgt dat het methaan op Mars – dat door meerdere instrumenten is waargenomen – telkens aanvult, een biologische óf geologische bron. Het is nog niet duidelijk wat de detectie van ozon en kooldioxide in dit deel van het spectrum op de plek waar men methaan verwachtte betekent. Hier de twee vakartikelen over de waarnemingen met TGO, beiden verschenen in Astronomy & Astrophysics:

Bron: ESA.

Voor het eerst methaanijs gemaakt op aarde onder ruimtecondities

Het apparaat Surfreside-3 van de Universiteit Leiden. Hiermee maakten de onderzoekers methaanijs op een oppervlak bij condities die gelden in interstellaire moleculaire wolken: min 263 graden Celsius en een ultra-hoog vacuüm. (c) LfA/Leiden Observatory.

Een internationaal team van sterrenkundigen heeft in een laboratorium van de Universiteit Leiden laten zien dat methaan kan ontstaan op ijzige stofdeeltjes in de ruimte. Het vermoeden dat dit kon, bestond al langer, maar doordat de omstandigheden in de ruimte lastig zijn na te bootsen, was het nog nooit gelukt om dit te bewijzen. De onderzoekers publiceren hun bevindingen maandagavond in het tijdschrift Nature Astronomy.

Methaan, bij ons bekend als de hoofdcomponent van aardgas, is een van de eenvoudigste koolwaterstoffen. Het bestaat uit een koolstofatoom met vier waterstofatomen: CH4. Op aarde kennen we methaan vooral als een brandbaar gas dat ontstaat uit vergane resten van organisch materiaal. Ook in de ruimte is methaan voorhanden. Neptunus en Uranus bevatten bijvoorbeeld naast waterstof en helium vooral methaangas. Op Saturnusmaan Titan, de enige maan in ons zonnestelsel met een dichte atmosfeer, regent het niet water maar vloeibaar methaan. Buiten ons zonnestelsel, in de interstellaire ruimte, is methaanijs een van de tien meest voorkomende ijsvormen.

De heersende mening over hoe methaanijs in de ruimte ontstaat, is dat er eerst CH gevormd wordt, dan CH2, vervolgens CH3 en uiteindelijk CH4. In de gasfase is deze reactie langzaam. Maar op een ijzig stofdeeltje verloopt de reactie sneller. Dat komt onder andere doordat ijzige stofdeeltjes een ‘hangplek’ vormen voor atomen en moleculen. Daardoor wordt het waarschijnlijker dat deze elkaar vinden. Bovendien vangen de stofdeeltjes de energie op die vrijkomt bij de reactie. Ze voorkomen daarmee dat het net gevormde methaan weer uit elkaar valt.

In de gasfase is deze reactie niet efficiënt, omdat de ruimte nogal leeg is. Echter op stofdeeltjes kunnen laagjes ijs groeien, waardoor atomen en moleculen elkaar gemakkelijker vinden. Bovendien kunnen stofdeeltjes de energie absorberen die vrijkomt bij de reacties. Daardoor gaan de reacties sneller.

Het is onderzoekers van het laboratorium voor astrofysica van de Sterrewacht Leiden (Universiteit Leiden) nu voor het eerst gelukt om onder ruimtecondities methaan te maken. Ze lieten daarvoor bij min 263 graden Celsius en in ultra-hoog vacuüm waterstofatomen en koolstofatomen botsen op een ijskoud oppervlak.

Eerder was het de onderzoekers al gelukt om op een vergelijkbare manier water (H2O) en ammoniak (NH3) te maken. Ze deden dat toen door zuurstof en stikstofatomen met waterstofatomen te laten reageren. Maar reacties met koolstofatomen waren tot nu toe een uitdaging. Dat komt omdat koolstof erg plakkerig is. Dat maakt ermee experimenteren bijzonder lastig. Danna Qasim, promovenda aan de Leidse Sterrewacht en eerste auteur van de wetenschappelijke publicatie in Nature Astronomy, voegt toe: “Het is moeilijk om een experiment met koolstofatomen uit te voeren. Koolstof is plakkerig, dus het is een uitdaging om een gecontroleerde bundel pure koolstofatomen te maken. En tegelijkertijd wil je natuurlijk niet dat je opstelling na een experiment helemaal onder het koolstof zit.”

De onderzoekers konden in hun experimenten de omstandigheden variëren. Zo konden ze precies onderzoeken hoe en hoe efficiënt methaan kan worden gevormd door inwerking van koolstof- en waterstofatomen.

Het blijkt dat methaanijs beter wordt gevormd in een waterrijke omgeving. Dit is in overeenstemming met astronomische waarnemingen die laten zien dat methaan- en waterijs gelijktijdig voorkomen in de ruimte.

De processen die de onderzoekers in het laboratorium hebben onderzocht, bootsen de omstandigheden na zoals die in de ruimte heersen voordat nieuwe sterren en planeten ontstaan. Het onderzoek onderschrijft het idee dat het methaan dat we planeten zoals Uranus en Neptunus aantreffen waarschijnlijk al voorhanden was lang voordat ons zonnestelsel werd gevormd. Bron: Astronomie.nl.

Naast een methaanmysterie heeft Mars nu ook een zuurstofmysterie

De gemeten variatie van zuurstof in de atmosfeer boven de Gale krater. Credits: Melissa Trainer/Dan Gallagher/NASA Goddard.

Onderzoek met de Sample Analysis at Mars (SAM), een soort van mobiel chemisch laboratorium aan boord van Marsrover Curiosity, van de samenstelling van de atmosfeer boven de Gale krater laat zien dat er naast het reeds bekende mysterie van de variërende hoeveelheden methaan nog een mysterie is: dat van de variërende hoeveelheden zuurstof. Gedurende drie Marsjaren (bijna zes aardse jaren) heeft SAM de atmosfeer gemeten en die blijkt de volgende samenstelling te hebben: 95% bestaat uit kooldioxide (CO2), 2,6% uit moleculaire stikstof (N2), 1,9% argon (Ar), 0,16% moleculaire zuurstof (O2) en 0,06 koolmonoxide (CO). De hoeveelheden stikstof en argon kennen een seizoen variatie, maar die blijkt keurig netjes verklaarbaar door het veranderen van de ‘luchtdruk’ als gevolg van het bevriezen van CO2 bij de polen van Mars in de winterperiode en het verdampen ervan in de lente en zomer. Van de variatie van zuurstof hadden ze hetzelfde verwacht, maar die blijkt toch anders te zijn: de hoeveelheid zuurstof neemt in de lente en zomer met meer dan 30% toe, terwijl die in de herfst weer afneemt. Die variatie is slechts deels te verklaren door de veranderende luchtdruk als gevolg van het bevriezen en verdampen van CO2. Er moet dus iets anders zijn wat zorgt voor productie en verdwijnen van zuurstof.

De gemeten variatie in de hoeveelheid zuurstof en methaan. Credits: Melissa Trainer/Dan Gallagher/NASA Goddard.

Wetenschappers namen nog in overweging dat met SAM wellicht verkeerde waarden werden gemeten, maar metingen met een ander instrument aan boord van Curiosity, de Quadrupole Mass Spectrometer, bevestigden de waarden. De mogelijkheid dat de afbraak van water (H2O) moleculen in de atmosfeer voor extra zuurstof zou zorgen werd ook verworpen, want daarvoor zou er vijf keer zoveel water in de atmosfeer moeten zitten als dat men gemeten heeft. De afbraak van CO2 moleculen in de atmosfeer zou ook zuurstof kunnen opleveren, maar die afbraak gaat te langzaam om de benodigde hoeveelheid zuurstof te kunnen ophoesten. En wat verklaart de snelle afbraak van zuurstof in de Martiaanse herfst? Zonnestraling zou de zuurstofatomen in tweeën kunnen splitsen, maar dat proces kost minstens tien jaar, veel trager dan de gemeten afbraak.

Kortom, ook de variatie in de hoeveelheid zuurstof boven de Gale krater vormt een mysterie. Met SAM’s Tunable Laser Spectrometer had men eerder al het methaanmysterie kunnen bevestigen: de hoeveelheid methaan boven de Gale krater is zéér gering, slechts 0,00000004% gemiddeld, maar in de zomer neemt die hoeveelheid plotseling met ongeveer 60% toe. Voor zowel het methaan als de zuurstof zijn er verschillende bronnen, die verantwoordelijk kunnen zijn voor de extra productie. Dat kunnen geologische bronnen zijn, maar ook biologische (!) bronnen. Het blijft spannend wat de oplossing van beide mysteries is. Bron: NASA.

Meren op Titan mogelijk veroorzaakt door ondergrondse stikstofexplosies

Voorstelling van een methaanmeer bij de Noordpool van Titan. Credit: NASA/JPL-Caltech.

Dat Titan, de grootste maan van Saturnus, meren vol met vloeibaar methaan heeft, is al lang bekend, sinds het onderzoek ernaar met de Amerikaanse Cassini ruimteverkenner. Met radarbeelden gemaakt door Cassini zijn die meren duidelijk te zien als grote donkere gebieden.
Sommige van die methaanmeren blijken scherp begrensd te zijn, met steile oevers, randen die soms uitstijgen tot ver boven het gemiddelde ‘zeeniveau’ van Titan. Voor die laatste klasse van meren is er nu een verklaring gekomen en wel door een groep onderzoekers onder leiding van Jonathan Lunine (Cornell University). Zij denken dat de kraters ontstaan zijn door ondergrondse explosies van stikstofgas. Titan heeft periodes gekend in z’n verleden waarin de atmosfeer weinig of geen methaan bevatte. Toen moest er stikstof in overvloed zijn geweest, dat als regen neerdaalde op het oppervlak en terechtkwam in holtes onder het oppervlak. Door verhitting door geothermische processen kan de druk van dat onderaardse stikstof toenemen en dan kunnen explosies plaatsvinden. In latere methaanrijke periodes zouden de ontstane kraters dan gevuld zijn met methaan. Bron: Eurekalert.

Methaan op Mars niet afkomstig van erosie van rotsen door de wind

Is de aanwezigheid van methaan op Mars een signaal dat er leven is? Credit: Universiteit van Newcastle/Jon Telling et al.

Onderzoekers van de Universiteit van Newcastle in Engeland hebben aangetoond dat het methaan in de atmosfeer van Mars niet primair kan zijn ontstaan door de erosie van rotsen door de wind, waarbij methaan dat ingesloten is vrij komt. Dat er methaan in de ijle atmosfeer van Mars voorkomt is al in 2003 aangetoond en sindsdien is duidelijk geworden dat het lokaal en tijdelijk kan variëren. Het methaan kan twee bronnen hebben: geologische processen en biologische processen. Met name die laatste variant is interessant, want als dat op Mars het geval zou zijn dan zou dat duiden op het bestaan van leven op Mars. De onderzoekers, die onder leiding stonden van Jon Telling, bestudeerden foto’s van het oppervlak Mars, gemaakt door satellieten die om Mars cirkelen, zoals de Amerikaanse MRO. Op basis daarvan kon men een inschatting maken van de snelheid van de erosie door de wind en dat gaf de onderzoekers weer genoeg informatie over het wel of niet vrijkomen van methaan uit ‘inclusies’ en scheuren in rotsformaties. Zou winderosie daadwerkelijk een mechanisme voor het vrijkomen van methaan op Mars zijn dan zou er in die rotsen op Mars meer gas moeten zitten dan de hoeveelheden koolwaterstoffen in de zachte soorten leisteen op aarde. Of het resultaat van hun onderzoek betekent dat de biologische oorzaak van het methaan nu meer kans maakt kunnen de onderzoekers niet zeggen. In Scientific Reports verscheen dit vakartikel over het onderzoek. Bron: Eurekalert.

Mars Express bevestigd de methaanpiek die Curiosity in 2013 op Mars waarnam

Voorstelling van de Mars Express. credit: ESA/ATG medialab; Mars: ESA/DLR/FU Berlin, CC BY-SA 3.0 IGO

Het is alweer een poosje geleden, maar op zaterdag 15 juni 2013 – ik deed toen net de boodschappen voor de hele week – detecteerde de Marsrover Curiosity in de Gale krater op Mars een kortstondige uitstoot van methaan (CH4) – sla deze Astroblog er nog maar eens op na. Deze week bleek dat met ESA’s Mars Express, een ruimteverkenner die sinds 2004 al weer rondjes om de Rode Planeet draait, een bevestiging is gedaan van die specifieke waarneming. Een team van wetenschappers heeft alle data er nog eens op nageslagen en daaruit kwam naar voren dat de met de Planetary Fourier Spectrometer (PFS), een instrument aan boord van de Mars Express, op 16 juni 2013, dus een dag na Curiosity’s waarneming, óók een korte uitstoot van methaan is gemeten. Wist Curiosity met z’n Tunable Laser Spectrometer – Sample Analysis at Mars instrument (TLS-SAM) een methaangehalte van 6 parts per billion (ppb – 6 deeltjes op één miljard andere deeltjes) te meten, die PFS wist een concentratie van 15 ppb te meten en wel in hetzelfde gebied als waar Curiosity zich bevindt (zie de afbeelding hieronder).

credit: ESA/ATG medialab; Mars: ESA/DLR/FU Berlin, CC BY-SA 3.0 IGO

Op basis van die gemeten hoeveelheid denken de wetenschappers dat er in een gebied met een oppervlak van 49.000 km² die dag ongeveer 46 ton methaan is uitgestoten. Grote vraag is dan natuurlijk wat de bron is van dat methaan. Ook op de aarde is er uitstoot van methaan en we weten dat daar twee oorzaken voor kunnen zijn: een biologische oorsprong én een geologische oorsprong. In dit geval denkt men met een geologische oorzaak te maken te hebben: er is daar op Mars een gebied met tektonische breuklijnen dat bedekt wordt door een ondiepe laag ijs (permafrost). Methaan dat – in de vorm van zogeheten clathraten – opgeslagen is in de bodem, zou vrij kunnen komen door geologische processen of eventueel door meteorietinslagen. Zie ook de afbeelding hieronder daarover.

Hoe methaan kan worden geproduceerd en afgebroken op Mars. credit: ESA/ATG medialab; Mars: ESA/DLR/FU Berlin, CC BY-SA 3.0 IGO

Over de bevestiging van de detectie van de methaanuitstoot werd dit artikel in Nature Geoscience gepubliceerd:
Independent confirmation of a methane spike on Mars and a source region east of Gale Crater”. Bron: ESA.