Thomas Orlando, jak sam przyznaje, zajmuje się “dziwną chemią”. W Georgia Institute of Technology naukowiec bada procesy, które są dosłownie nie z tego świata – reakcje jakie zachodzą na księżycach Jowisza są kierowane bardzo silnym promieniowaniem w ekstremalnie niskich temperaturach.

Prowadzona w oparciu o symulacje laboratoryjne praca Orlando i jego współpracowników pomaga naukowcom zajmującym się planetami zrozumieć dane przesyłane przez pojazdy kosmiczne NASA przelatujące koło księżyców galileuszowych: Europy, Ganimedesa i Kalisto. Badania pozwalają na nowo zagłębić się w unikalne reakcje, jakie zachodzą na ekstremalnie lodowatych powierzchniach, niemalże w próżni, a inicjowane są raczej wysokoenergetycznymi elektronami i jonami, niż normalnymi procesami termicznymi.

Księżyce te związane są siłami grawitacyjnymi z Jowiszem, krążą wraz z nim i leżą w jego magnetosferze. Są bez przerwy bombardowane promieniowaniem, szczególnie ich boczne strony.

Kiedy cząstki magnetosfery (jony i elektrony) uderzaja w powierzchnię księżyców, dzieja się dziwne rzeczy, mimo że powierzchnia jest tak zimna jak tylko to możliwe. Tworza się aniony, zachodzi jonizacja i powstają substancje jakie normalnie nie zostałyby wyprodukowane” – wyjaśnia Orlando, profesor chemii i biochemii w Georgia Tech’s School – “Dodatkowo, dziwna chemia zachodzi tylko pod wpływem dużych energii“.

Dane w podczerwieni przesłane przez Galileo w 1997 roku wskazują na obecność zamarzniętej solanki na powierzchni Europy. Ta mozliwości była przedmiotem rozważań McCorda i jego współpracowników w 1998 roku, a wielu naukowców planetarnych uważało, że solanka mogła powstać w oceanie pod zamarzniętą skorupą Europy. Solanka wydobyta na powierzchnie przez proces kriowulkaniczny, zamarzłaby momentalnie w ekstremalnym zimnie (poniżej 130 Kelvinów, czyli -145 stopni Celsjusza) i niemalże idealnej próżni.

Aby sprawdzić tą hipotezę, grupa naukowców kierowana przez Orlando i Toma McCorda z Uniwersytatu na Hawajach, powieliła zamarzanie solanki w takich samych warunkach temperaturowych i w próżni, potem poddała próbki takim samym zmianom termalnym jakie zachodzą na powierzchni Europy. Analiza powstałych próbek w zakresie promieniowania podczerwonego wykazała cechy zblizone do dostarczonych przez Galileo, co podparło teorię solanki.

Nasze wyniki sa bardzo zbliżone do tego, co naukowcy zobaczyli na powierzchni księżyców” – powiedział Orlando – “Rozważaliśmy błyskawiczne zamarzanie z punktu chemii fizycznej, ponieważ jeśli zamrozi się solankę wystarczająco szybko, niektóre cząsteczki wody powinny mieć inne właściwości optyczne niż pozostałe“.

Sonda kosmiczna zmierzyła również zawartość tlenu cząsteczkowego (O2) w rzadkiej atmosferze księżyców. Aby zrozumieć jak doszło do powstania tlenu i uwolnienia go z ekstremalnie zimnego lodu na powierzchni księżyców, badacze w laboratorium Pacific Northwest National Laboratory bombardowali próbki lodu strumieniem elektronów tak, jak to się robi w przemyśle mikroelektrycznym. W rezultacie zaobserwowali nieoczekiwane reakcje, na które składała się się produkcja stabilnego związku, jaki nie powstałby w warunkach jakie zna większość chemików.

Symulacje mogą pomóc naukowcom rozmieścić w czasie procesy ewolucji i zmian na powierzchni księżyców. Jako że wysokie promieniowanie cały czas zmienia właściwości lodu, zrozumienie w jakim tempie zachodzą te procesy umożliwi naukowcom datowanie ich – szczególnie jeśli będzie można ocenić zmiany jakie zaszły między jedną misją a kolejną.

Poza księzycami galileuszowymi, w kręgu zainteresowań Orlando znajduje się również Mars, komety, asteroidy, a nawet pył znajdujący się w kosmosie. “Promieniowanie inicjujące procesy to generalnie reguła w kosmosie” – mówi – “Nie jest ograniczone do jednego systemu. Właśnie symulujemy działanie promieniowania kosmicznego. Promieniowanie kosmiczne produkuje elektrony a my badamy reakcje chemiczne inicjowane przez nie“.

Początkowo pracując w Pacific Northwest National Laboratory Orlando zajmował się wpływem radiacji na produkcję wodoru i tlenu z odpadów nuklearnych. Przenoszenie tej wiedzy na badanie planet ukazuje wartość badań interdyscyplinarnych.

Pracujemy w dziedzinie gdzie chemia fizyczna, badania powierzchni i badania promieniowania mogą pomóc wyjaśnić problemy dostarczone przez dane z misji kosmicznych” – zauwaza Orlando – “Naukowcy zajmujący się badaniem planet otrzymują dane takiej jakości, że mogą zobaczyć na poziomie molekularnym co się dzieje“.

W Georgii Orlando stworzył laboratorium aby kontynuować badania nad efektem promieniowania na lodowych powierzchniach. Przy pomocy instrumentów zdolnych wytworzyc niemalże doskonałą próżnię i temperatury poniżej 15 Kelvinów, ma zamiar badać produkcję cząstek wodoru i lepiej zrozumieć, jak małe zmiany warunków procesu wpływają na cechy bardzo zimnego lodu, oraz co z tego wynika.

Morfologia i temperatura powierzchni ma duży wpływ na to, co powstaje w wyniku reakcji” – mówi Orlando – “Przy jednej temperaturze powstaje dużo O2. Przy innej woda jedynie przejdzie w stan gazowy. Procesy jakie zachodzą w wodzie pod wpływem promieniowania w niskich temperaturach nie są jeszcze dokłanie scharakteryzowane“.

W planach są jeszcze: fotochemiczne badania tlenków żelaza na Marsie, interakcje kwasu siarkowego i radiacji – oraz możliwości wykorzystania strumieni elektronów w nanotechnice i medycynie.

Autor

Marcin Marszałek