Luchtbuks neemt Jupitermodellen op de korrel

Amerikaanse onderzoekers hebben ontdekt dat waterstof zich kan gedragen als een metaal. Dat was zestig jaar geleden al voorspeld. Toch heeft de ontdekking grote gevolgen voor de ideeën over planeten als Jupiter....

MARTIJN VAN CALMTHOUT

RECEPT VOOR EEN stukje Jupiter op aarde. Men neme een luchtbuks van twintig meter lang. Schiet daarmee een projectiel met een snelheid van 25 duizend kilometer per uur op een druppel vloeibaar waterstof. De resulterende druk van een miljoen atmosfeer en de temperatuur van duizenden graden lijken dan eventjes aardig op wat er gaande is in de grootste gasplaneet in ons zonnestelsel. Die bestaat voor een belangrijk deel uit waterstof onder immense druk.

In het Lawrence Livermore laboratorium in Californië, een van de grootste kernwapenlaboratoria van de Verenigde Staten, staat zo'n luchtbuks waarmee men schokgolf-proeven op wapenmaterialen kan doen. Maar omdat het sinds het einde van de Koude Oorlog met de ontwikkeling van kernwapens niet zo wil vlotten, doet men er de laatste jaren meer en meer alternatief onderzoek mee.

Dat deze research vorig jaar zomer met een paar schoten tegelijk een lang slepende kwestie in de natuurkunde zou afronden en nieuwe ideeën over grote gasplaneten zou opleveren, had echter niemand verwacht. Om precies te zijn, geloofde dr William Nellis aanvankelijk zijn eigen metingen niet. Ze leken aan te geven dat vloeibaar waterstof bij 1,4 megabar (ruim één miljoen atmosfeer) zich als een metaal gedraagt.

Nellis: 'Er was enige verwarring over wat we eigenlijk zagen gebeuren. Maar alle analyses bleven maar aangeven dat we metallisatie bereikt moesten hebben, ook al was het veel eerder dan ooit iemand had gedacht. Laat de theoretici maar aangeven hoe dat kan.' Hij maakte zijn vondst vorige week bekend tijdens een bijeenkomst van de American Physical Society. Een artikel verscheen in Physical Review Letters van 11 maart.

Al in de jaren dertig voorspelde theoreticus Eugene Wigner dat moleculair waterstof onder hoge druk van een isolerend gas zou veranderen in een elektrisch geleidend metaal. Als de moleculen dicht genoeg tegen elkaar worden gedrukt, was daarbij het idee, kunnen de elektronen door het materiaal gaan zwerven alsof ze vrij zijn. Zulke min of meer vrije elektronen geven metalen hun specifieke eigenschappen.

Natuurkundigen twijfelden sindsdien eigenlijk al niet meer aan de mogelijkheid dat waterstof metallisch kan zijn. Een exacte voorspelling van de druk waarbij dat moet gebeuren, was er echter niet.

Experimenteel werk kwam pas serieus op gang toen eind jaren zestig een opmerkelijke voorspelling van de eigenschappen van metallisch waterstof werd gepubliceerd. Volgens theoretici van Cornell University zou die stof supergeleidend worden als ze vervolgens weer op gewone druk en temperatuur werd gebracht.

Voor onderzoek naar een potentiële supergeleider bij kamertemperatuur gingen plotseling de beurzen wijd open. In de jaren zeventig zochten vooral groepen in de VS naarstig naar aanwijzingen voor metallisatie van waterstof.

Daarbij werd gebruik gemaakt van statische experimenten, proeven waarin microscopische kristalletjes van bevroren waterstof tussen diamanten aambeeldjes (anvils in het Engels) wordt samengeperst. Die techniek werd ooit bij het Amerikaanse meetinstituut NIST ontwikkeld met diamanten die in beslag waren genomen bij het oprollen van een smokkelaarsbende.

De anvil-proeven met waterstof leverden vooral in de jaren tachtig een hele serie claims van groepen op die meenden de gezochte overgang te hebben gemeten. Onder anderen de Nederlandse natuurkundige dr I. Silvera maakte in Harvard naam met hoge-drukproeven op waterstof en andere gassen. Maar telkens weer bleken de metingen, meestal gebaseerd op de spectrale eigenschappen, toch geen doorslaggevend bewijs te kunnen leveren. Tot 2,4 megabar bleef metallisatie onbereikbaar.

Een probleem met al die experimenten was dat ze alleen indirecte aanwijzingen over een overgang naar metaalachtig gedrag kunnen leveren. De proefmonsters zijn te klein om direct de geleiding te meten. Om dat te omzeilen, begon Nellis in Livermore enkele jaren geleden met een heel andere benadering. Daarbij kon hij gebruik maken van de grote drukkanonnen die sinds het einde van de Koude Oorlog niet meer voor wapenontwikkeling nodig waren.

Nellis' Big Gun is een imposante tweetraps luchtbuks van twintig meter lang. De eerste trap van tien meter is een pijp waarin een metalen kogel door een explosie wordt opgejaagd. Het voortijlende projectiel drukt gas voor zich uit dat via een ventiel in de tweede trap terechtkomt, een veel dunnere pijp waarin ook weer een kogel zit. Deze kogel schiet vervolgens aan het einde op een trefplaatje, waarin een dunne laag vloeibaar waterstof zit opgesloten.

De trefplaat, met een diameter van een paar centimeter, ondergaat een schokgolf waarbij alle energie wordt omgezet in drukverhoging en oplopende temperatuur. De verwoestende inslag levert gedurende tweehonderd miljardste seconde meetgegevens over de toestand van het waterstof bij extreme druk.

Nellis en zijn medewerkers zien de geleiding van het waterstof in die oogwenk honderdduizend keer zo groot worden, een aanwijzing dat er iets wezenlijks in de stof gebeurt. Maar dat gebeurt al bij 1,4 megabar en 4400 graden Kelvin, veel mildere omstandigheden dan in alle proeven uit de jaren zeventig en tachtig.

De Amsterdamse hoogleraar experimentele natuurkunde prof. dr J. Schouten, een expert op het gebied van gassen onder extreem hoge druk, hoorde vorig najaar tijdens een conferentie in Moskou de eerste verhalen over het Amerikaanse resultaat. 'Als ik eerlijk moet zijn, was ik toen niet erg onder de indruk. Er zijn de laatste tien jaar zoveel claims geweest en weer ingetrokken, dat ik dacht: daar gaan we weer.'

De groep van Schouten heeft zelf net een wetenschappelijk artikel ingediend bij Physical Review waarin ze uitrekent dat de vroegere claims niets met metallisatie te maken hadden. Al die waarnemingen blijken ook te verklaren door aan te nemen dat de waterstofmoleculen bij hoge druk simultaan beginnen te trillen. En dat is standaard natuurkunde.

Het nieuwe resultaat van Livermore lijkt echter betrouwbaar, schat Schouten, en dat metallisatie kennelijk al bij 1,4 megabar optreedt in heet waterstof verbaast hem niet echt. 'De vroegere experimenten zijn bij zeer lage temperatuur gedaan en bij de meeste theoretische berekeningen is ook daarvan uitgegaan. En in de natuurkunde gebeurt er doorgaans nogal wat tussen nul en een paar duizend graden. Dit moeten we gewoon accepteren.' Vorig najaar in Moskou was dat ook al de conclusie van de aanwezige specialisten, onder wie Silvera.

Astrofysici hebben met wat meer opwinding kennis genomen van het resultaat uit Livermore. Als heet waterstof al onder relatief geringe druk metallisch wordt, zal een groter deel van planeten als Jupiter en Saturnus bestaan uit vloeibaar metaal. Met name de modellen die worden gehanteerd voor de magnetische eigenschappen, zullen waarschijnlijk op de helling moeten, omdat snel bewegende metaalmassa's sterke velden opwekken.

Dat komt wonderwel uit. Vorig jaar december daalde de Galileo-meetsonde van NASA af in de atmosfeer van Jupiter en sloeg daarbij nagenoeg alle theoretische modellen voor de planeetopbouw aan diggelen. Magneetvelden bleken sterker dan verwacht, warmteproduktie in de planeet groter. Onderzoekers zijn nog steeds bezeten doende om de verzamelde meetgegevens te analyseren en theoretische verklaringen te vinden voor alle raadsels. Daar kan waterstof dat zich niet aan de boekjes houdt, ook nog wel bij.

Martijn van Calmthout

Meer over