Wissenschaftler haben die einzigartigen chemischen Bedingungen, die auf Titan, dem größten Saturnmond, herrschen, in winzigen Glaszylindern hier auf der Erde nachgebildet, und das Experiment hat zuvor unbekannte Merkmale der mineralischen Zusammensetzung des Mondes enthüllt.
Titan ist nach Ganymed, der zu Jupiter gehört, der zweitgrößte Satellit im Sonnensystem, er hat eine dichte Atmosphäre, die hauptsächlich aus Stickstoff mit Beimischung von Methan besteht. Dieser gelbliche Dunst hält eine Temperatur von etwa -180 °C aufrecht. Unterhalb der Atmosphäre befinden sich Seen, Meere und Flüsse aus flüssigem Methan und Ethan, die die eisige Kruste von Titan bedecken, besonders in der Nähe der Pole. Wie flüssiges Wasser auf der Erde nehmen diese natürlichen Gase an einem Kreislauf teil, in dem sie verdunsten, Wolken bilden und dann auf die Oberfläche des Mondes regnen.
Titans dichte Atmosphäre, flüssige Oberfläche und saisonale Wetterzyklen machen diesen kalten Mond ein wenig wie die Erde, und wie unser Planet hat er organische Moleküle, die Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff enthalten. Aufgrund dieser organischen Chemie, die auf Titan vorkommt, glauben Wissenschaftler, dass der Mond als riesiges Labor dienen könnte, um die chemischen Reaktionen zu untersuchen, die auf der Erde stattfanden, bevor Leben auf dem Planeten erschien.
Aber nur eine Raumsonde, Cassini, hat Saturn und seine Monde im Detail beobachtet, was es schwierig macht, bodengestützte Studien der seltsamen chemischen Zusammensetzung durchzuführen, die auf Titan entdeckt wurde. Daher beschloss eine Gruppe von Wissenschaftlern kürzlich, Titan in einem Reagenzglas zu modellieren.
Zuerst platzierte die Gruppe flüssiges Wasser in kleinen Glaszylindern und senkte die Temperatur auf ähnliche Bedingungen wie auf der Titanic. Das Wasser gefror und ahmte die Eiskruste des Titanen nach. Das Team fügte dann Ethan in das Rohr hinzu, das wie die Seen auf der Oberfläche von Titan flüssig wurde. Schließlich fügten sie Stickstoff hinzu, um Titans Atmosphäre zu erzeugen, und änderten dann leicht die Temperatur in der Röhre, um Temperaturschwankungen auf der Oberfläche von Titan und in den verschiedenen Schichten seiner Atmosphäre zu simulieren.
In ihrer neuesten Studie, die am 26. August auf dem Herbsttreffen der American Chemical Society vorgestellt wurde, fügte das Team zwei Verbindungen hinzu, Acetonitril (ACN) und Propionitril (PCN). Daten der Cassini-Mission zeigen, dass diese Verbindungen auf Titan reichlich vorhanden sind. Die meisten früheren Studien haben die beiden Verbindungen getrennt in ihrer reinen Form untersucht, aber das Team wollte sehen, was passieren würde, wenn die Verbindungen gemischt würden, wie es auf Titan der Fall sein könnte. Im Gegensatz zur getrennten Arbeit mit jeder Verbindung können Sie, wenn Sie sie zusammenmischen, ein völlig anderes Ergebnis in der Struktur erzielen, dh wie die Moleküle organisiert werden und wie die Moleküle kristallisieren oder sich in eine feste Form verwandeln.
Das Team fand heraus, dass sich ACN und PCN unter titanähnlichen Bedingungen ganz anders verhalten als jede Verbindung allein. Die Temperaturen, bei denen Verbindungen schmelzen oder kristallisieren, ändern sich nämlich dramatisch in der Größenordnung von Hunderten von Grad Celsius.
Diese Schmelz- und Kristallisationspunkte wären in der dunstigen gelben Atmosphäre von Titan relevant. Die Temperatur verschiedener Schichten der Atmosphäre variiert je nach Höhe über der Mondoberfläche. Um zu verstehen, wie sich die Chemikalien im Dunst verhalten, legt die neue Studie nahe, dass diese Temperaturschwankungen berücksichtigt werden müssen.
Darüber hinaus fanden die Wissenschaftler heraus, dass ACN und PCN, wenn sie kristallisieren, unterschiedliche Kristallstrukturen annehmen, je nachdem, ob sie allein oder in Gegenwart einer anderen Verbindung vorliegen. Kristalle entstehen, wenn einzelne Moleküle einer Verbindung zu einer hochorganisierten Struktur kombiniert werden. Obwohl die Bausteine dieser Struktur – die Moleküle – gleich bleiben, können sie sich abhängig von Faktoren wie der Temperatur in leicht unterschiedlichen Konfigurationen zusammenfügen.
Diese Variationen in der Kristallstruktur sind als bekannt Polymorphe, und wenn ACN und PCN alleine existieren, nehmen sie ein Polymorph bei hohen Temperaturen und ein anderes bei niedrigen Temperaturen an. Wissenschaftler haben jedoch festgestellt, dass bei einer Mischung die Stabilität von Hochtemperatur und Niedertemperatur in gewissem Sinne verändert werden kann. Diese feinen Details darüber, wann und wie die Verbindungen eine stabilisierte Struktur erreichen, könnten das Verständnis darüber, welche Mineralien auf Titan gefunden werden können, wirklich verändern.
Die Dragonfly-Mission der NASA, die 2026 starten und 2034 bei Saturn eintreffen soll, könnte weitere Informationen über die Mineralzusammensetzung von Titan in situ liefern.
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