Ontdekking wijst op mogelijk enorme hoeveelheden helium in de kern van de Aarde

Onderzoekers uit Japan en Taiwan hebben voor het eerst ontdekt dat helium, dat doorgaans als chemisch inert wordt beschouwd, kan binden met ijzer onder hoge druk. Deze bevinding werd gedaan met behulp van een door laser verwarmde diamant-aambeeldcel, en suggereert dat er enorme hoeveelheden helium in de kern van de aarde kunnen zijn. Dit kan bestaande opvattingen over de interne structuur en geschiedenis van de planeet uitdagen, en zelfs nieuwe inzichten bieden over de nevel waaruit ons zonnestelsel is ontstaan.

Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review Letters. Tijdens een vulkaanuitbarsting zijn er vaak sporen van wat bekendstaat als primordiaal helium. Dit helium verschilt van normaal helium, of 4He, omdat het twee protonen en twee neutronen bevat en voortdurend wordt geproduceerd door radioactief verval. Primordiaal helium, of 3He, daarentegen, wordt niet op aarde gevormd en bevat twee protonen en één neutron.

Aangezien er af en toe hoge 3He/4He-verhoudingen worden aangetroffen in vulkanische rotsen, vooral op Hawaii, hebben onderzoekers lange tijd geloofd dat er primordiale materialen met 3He diep in de mantel aanwezig zijn. Echter, afgestudeerde student Haruki Takezawa en leden van Professor Kei Hirose’s groep van de Universiteit van Tokio hebben deze opvatting uitgedaagd met een nieuwe kijk op een bekend experiment: het verpletteren van materialen.

“Ik heb vele jaren bestudeerd welke geologische en chemische processen zich diep in de aarde afspelen. Gezien de intense temperaturen en drukken, moeten experimenten die dit milieu verkennen die extreme omstandigheden repliceren. Daarom gebruiken we vaak een door laser verwarmde diamant-aambeeldcel om dergelijke drukken op monsters toe te passen en de resultaten te observeren,” aldus Hirose.

“In dit geval hebben we ijzer en helium samengeperst onder een druk van ongeveer 5–55 gigapascal en bij temperaturen van 1.000 Kelvin tot bijna 3.000 Kelvin. Deze drukken komen overeen met ongeveer 50.000–550.000 keer de atmosferische druk, en de hogere temperaturen die we gebruikten, kunnen iridium smelten, het materiaal dat vaak wordt gebruikt in bougies van auto-onderdelen vanwege zijn hoge thermische weerstand.”

Vorige studies hebben slechts kleine sporen van samengevoegd ijzer en helium aangetoond, rond de zeven delen per miljoen helium binnen ijzer. Maar in dit geval waren ze verrast te ontdekken dat de verpletterde ijzerverbindingen tot wel 3,3% helium bevatten, ongeveer 5.000 keer hoger dan eerder waargenomen. Hirose vermoedt dat dit deels te maken heeft met iets nieuws in deze specifieke reeks experimenten.

“Helium ontsnapt gemakkelijk onder normale omstandigheden; iedereen heeft wel eens een opblaasbare ballon zien verwelken en zinken. We moesten een manier vinden om dit te voorkomen tijdens onze metingen,” zegt hij.

“Hoewel we de materiaalsyntheses onder hoge temperaturen uitvoerden, werden de chemische metingen gedaan bij extreem koude, of cryogene, temperaturen. Op deze manier werd voorkomen dat helium ontsnapte en konden we helium in ijzer detecteren.”

Deze ontdekking heeft implicaties voor ons begrip van de oorsprong van de aarde. De aanwezigheid van helium in de kern suggereert dat de jonge aarde waarschijnlijk wat gas heeft gevangen uit de zonnenevel van waterstof en helium die het vroege zonnestelsel omringde. Dit kan ook betekenen dat een deel van het water op aarde afkomstig kan zijn van waterstof in dit oude gas, wat een nieuw perspectief biedt op de vroege ontwikkeling van de planeet.