College van de maand mei: Labdagen op de VU; ”experimenten met Mars”

Als student Aardwetenschappen, in het laatste studiejaar, ben ik bezig met een onderzoek project. Bij onze studie wordt er van je verwacht dat je onderzoek doet en hier vervolgens een uitgebreid verslag van schrijft. Ik heb er voor gekozen om onder leiding van een van mijn docenten onderzoek te doen naar planeten. Het leuke aan dit project is dat het drie maanden duurt. Ik kan jullie dus nu alles uitleggen over wat ik ga doen en bij mijn volgende college kan ik hopelijk de resultaten gaan beschrijven van dit onderzoek!

Samen met nog drie andere studenten ben ik bezig met onderzoek over de planeet Mars. Wij willen graag meer informatie krijgen over hoe de kern en mantel van Mars met elkaar reageren. Omdat het nog niet mogelijk is dit onderzoek zelf uit te voeren op Mars, doen wij experimenteel onderzoek. Dit houdt eigenlijk in dat we aan de hand van voorafgaande studies een experiment opzetten waarin we het grensgebied van kern en mantel van Mars nabootsen.

Het nadeel is, is dat we weinig zeker weten over Mars. We hebben verwachtingen over de druk en temperatuur die zich op deze grens moet bevinden, maar wat de precieze samenstelling is van de kern en mantel weten we niet. We weten het niet eens van onze eigen aarde. Gezamenlijk hebben we twee chemisch verschillende kernen en mantels gemaakt. Verspreid over de verschillende studenten doet iedere student het onderzoek met een verschillend (gesimuleerd) Mars gesteente. Het idee is dat we uiteindelijk onze resultaten gaan vergelijken met elkaar. Hierdoor kunnen we hopelijk wat beter begrijpen wat er gebeurt daar binnen.

Nu vraag je je vast af, waarom doe je dit onderzoek voor Mars? Waarom doe je dit niet voor de Aarde? Daar wonen we immers op. De reden dat we dit onderzoek niet naar aardse omstandigheden doen, is omdat de condities op deze de grens kern-mantel in de aarde technisch de simulatie onmogelijk maken. De druk aan de onderkant van de mantel zal rond de 140 GPa liggen. Vrij weinig machines kunnen dit nabootsen en het gebruik hiervan is niet bedoeld voor maar een bachelor thesis onderzoek. Mars heeft maar een druk van ongeveer 23 GPa op dezelfde plek. De machine die wij voor ons onderzoek gaan gebruiken kan tot 3 GPa. Dit komt niet in de buurt van de druk van Mars, maar het is veel dichter in de buurt van Mars dan van de Aarde. Vandaar de voornaamste reden waarom wij geen onderzoek doen naar de Aarde.

Voorbereiding voor het onderzoek

Zoals ik eerder zei, ben ik bezig met experimenteel onderzoek. Ik ga uitleggen wat allemaal nodig is om een experiment te doen en hoe de machine te werk gaat tijdens een experiment. Het idee is dat elke student ongeveer tien experimenten doet.

Ik begin bij het kleinste. Om het experiment te starten, hebben we iets nodig waarmee we kunnen experimenteren. Er moet een mantel en een kern van Mars gemaakt worden. Dit gebeurd vrij simpel door verschillende soorten poeders bij elkaar te gooien en goed te mixen, zie figuur 1.

De kern van Mars die ik maak heeft 70 wt.% ijzer, 10 wt.% Nikkel en 20 wt.% zwavel. Wt.% staat voor het gewicht percentage. Het gewichtspercentage zorgt ervoor dat de verhoudingen tussen de poeders hetzelfde blijven. Het maakt dan niet uit of je een kilo maakt of maar honderd gram.

Voor de mantel van Mars is het als volgt:

SiO2	42 wt. %
Al2O3	3 wt. %
Na2O	0,5 wt. %
CaO	3 wt. %
MgO	30 wt. %
FeO	20 wt. %
TiO2	0,10 wt. %
Cr2O3	1 wt. %

In de eerste kolom staat de chemische samenstelling van het betreffende ingrediënt, de tweede kolom geeft de te gebruiken hoeveelheid weer.

Deze poeders vormen het kleinste gedeelte van de experimenten. Voor elk experiment zijn maar een paar korrels nodig van elk poeder. De kern die gemaakt is weegt anderhalve gram en de mantel weegt twee gram. De hoeveelheden poeder die nodig zijn, waren dus ook erg klein.

Het gemaakte poedermengsel wordt geplaatst in onderdeel A, zie figuur 2. Onderdeel A is een emmer gemaakt van grafiet. Op deze emmer zit een deksel gemaakt van grafiet. Dit emmertje functioneert als een oven. Tevens zorgt het afgesloten emmertje er voor dat je experiment zuiver blijft. Dus ter bescherming van contaminatie van je experiment; hier zal ik later wat meer op terug komen. Het grafiet komt binnen als een dikke staaf. Zelf moet je deze staaf  afdraaien en boren om het gewilde emmertje te verkrijgen.

De deksel moet je zelf ook boren, zie figuur 3. Zoals je kan zien op dit figuur is het allemaal erg klein. Dit vraagt tijdens het boren om veel concentratie en precisie. Ondertussen zijn er al heel wat emmertjes gesneuveld doordat er iets mis ging tijdens het boren of afdraaien. Ook zijn er al menige dekseltjes kwijt geraakt helaas. Als je emmertje dus goed is, mag je een paar korrels poeder in je emmertje stoppen, zie figuur 4.

Vervolgens plaats je het dekseltje er ook op. Voor het vullen gebruiken we een microscoop om goed naar vullen te kijken.

Het schaven en boren van het grafiet gebeurt op een draaibank. De grafieten staaf draait, terwijl het mes (de snijbeitel) en de boor stil staan, zie figuur 5.

Wanneer het grafiet dicht zit, wordt deze geplaatst in een buisje van platina, onderdeel B, zie figuur 6. De platina buisjes moet je zelf van een langere staaf afsnijden. Ze moeten tussen de zeven en een halve millimeter tot 9 millimeter lang zijn. Vervolgens sluit je een kant van het buisje af door met een platte kop tang een vredeteken te knijpen, onderdeel B.A, zie figuur 6 onderaan. Je last deze kant ook nog eens dicht om er voor te zorgen dat er niks in of uit kan. Het grafiet buisje wordt zo geplaatst dat de deksel tegen het vredeteken aan zit. Nu heb je aan de open kant van de platina nog zo een twee millimeter over. Hier knijp je de platina opnieuw dicht, dit maal gewoon een rechte streep. Deze kant las je ook weer dicht opdat er niks in of uit kan gaan. Uiteindelijk heb je dus een soort platina envelopje gemaakt.

De platina envelop gaat vervolgens in een buis van MgO, onderdeel C, zie figuur 7. Deze komt ook dikker binnen en moet je dus ook weer zelf afdraaien en boren op de draaibank. Het gat moet ongeveer twee millimeter in doorsnede zijn en precies even lang als dat je platina envelop uiteindelijk geworden is.

Bij het boren moet rekening gehouden worden met de boor die een punt heeft. Je wilt dat je platina precies aan het oppervlakte komt, dus hij moet precies plat staan in het MgO. Hierdoor moet je 0,3 millimeter dieper boren dan de lengte van je platina envelop is. Uitvoering van het experiment. Al het boren voor een experiment is nu gelukkig klaar. Nu moet alleen alles nog in de machine gezet worden.

In de machine kunnen experimenten onder hoge druk worden uitgevoerd. De machine is vrij groot, maar de druk wordt alleen maar sterk opgevoerd op een klein stukje. Hier zijn twee onderdelen voor. Een boven gedeelte wat de machine naar beneden toe kan duwen en een onder gedeelte. Het onder gedeelte kan naar boven toe worden geduwd door de machine. In het onder gedeelte past een grote schijf van zacht metaal aan de buitenkant en het hardste metaal aan de binnenkant, mocht het harde metaal uit elkaar spatten door de druk dan wordt het opgevangen door het zachte metaal. In dit harde metaal zit weer een gat van een halve inch. Hier gaat uiteindelijk je experiment in.

Het MgO buisje gaat niet zomaar in dit gat. Het gaat eerst in een buisje bestaande uit drie lagen, zie figuur 8. De buitenste lagen zijn er om te isoleren en contaminatie te voorkomen. Wanneer de MgO in de grote buis zit, komt hier een dun schijfje van robijn op. Op het robijn komt weer een buisje waar twee draden door lopen. Deze twee draden raken elkaar pas aan als ze tegen het robijn aan zitten. Hierdoor kunnen ze precies te temperatuur meten die zich bevindt aan je platina envelop.

De machine is nu dus helemaal klaar om het experiment te gaan uitvoeren. Als alles goed in elkaar zit en veilig is, voer je langzaam de druk op. Ondertussen kijk je op de verschillende meters naar de gegevens van de machine, zoals hoeveel volt de machine nog heeft, en schrijf je deze op om te controleren of er niks mis gaat, zie figuur 9. Als de druk hoog genoeg is, laat je het daar een tijdje op staan. Je moet dan nog wel controleren elk uur of alles goed blijft gaan.

Als het experiment lang genoeg geduurd heeft, halen we in een keer de stroom van de machine af. Hierdoor koelt je “experiment” zo snel mogelijk. Hierna kun je gaan onderzoeken wat er met het imitatie Mars materiaal gebeurd is. Hier zijn we voorlopig nog wel mee bezig dus een verslag hierover bewaar ik voor een volgende keer. Alle foto’s zijn gemaakt door de auteur, tenzij anders vermeld.

*Figuur 4: Docent en begeleider Wim van Westrenen laat ons zien hoe het moet.