Maak kennis met silica aerogel: het magische spul dat het oppervlak van Mars isoleert én beschermt tegen gevaarlijke UV-straling.

Naar verwachting zetten mensen ergens in de komende twee decennia voet op Mars. Maar de rode planeet mag er dan uitnodigend uitzien; het leven op het oppervlak is niet eenvoudig. Het is er koud (waardoor er geen vloeibaar water te vinden is) en doordat Mars geen ozonlaag heeft, weet intense UV-straling het oppervlak vrijwel ongehinderd te bereiken. Dat is niet alleen een probleem voor astronauten, maar ook voor de planten die zij op de rode planeet moeten verbouwen om zich ervan te verzekeren dat ze dagelijks voldoende gezond voedsel binnenkrijgen. Amerikaanse onderzoekers denken nu echter een manier te hebben gevonden om het eerste groentetuintje op Mars van water te voorzien en tegelijkertijd tegen UV-straling te beschermen. Ze stellen in het blad Nature Astronomy voor om een superlicht, vrijwel onzichtbaar schild te creëren, dat gemaakt is van silica aerogel.

Over silica aerogel
“Silica aerogel is een fantastische substantie die voor 97% uit lucht bestaat en voor de rest uit silica (ook wel siliciumdioxide genoemd, red.) dat georganiseerd is in een complexe microstructuur,” vertelt onderzoeker Robin Wordsworth aan Scientias.nl. “Het is heel licht en een ongelofelijk effectief isolatiemateriaal. Het is ook bijna transparant voor zichtbare straling, maar houdt UV-licht tegen. Al die eigenschappen maakt het ideaal voor het bouwen van zeer efficiënte schilden voor broeikassen.”


Een baksteen van 2,5 kilo rust op een stukje aerogel dat slechts 2 gram weegt. Afbeelding: NASA / JPL-Caltech (via Wikimedia Commons).

Vloeibaar water
In het laboratorium hebben Wordsworth en collega’s de omstandigheden op het oppervlak van Mars nagebootst en vervolgens gekeken in hoeverre een aerogel van siliciumdioxide deze kan veranderen. Ze ontdekten dat een 2 tot 3 centimeter dik laagje van deze uitzonderlijk goed isolerende aerogel ervoor kan zorgen dat de temperatuur van het oppervlak eronder oploopt tot zo’n 50 graden Celsius. Wanneer we dit schild toepassen in gebieden die rijk zijn aan ijs, zou de temperatuur in die gebieden zodanig oplopen dat het ijs smelt en er het jaarrond vloeibaar water voorhanden is. Ondertussen absorbeert de aerogel schadelijke UV-straling, maar laat het voldoende zichtbaar licht door om fotosynthese onder het schild mogelijk te maken.

Dun
Dat zo’n dun laagje van deze aerogel zo’n groot verschil kan maken, is opzienbarend. “Het is allemaal te herleiden naar het gedrag ervan op quantumniveau,” stelt Wordsworth. “UV-fotonen hebben genoeg energie om de individuele atomen waaruit de aerogel is opgebouwd te exciteren en worden geabsorbeerd, terwijl fotonen op zichtbare golflengtes dat niet hebben en er vrijwel ongehinderd doorheen bewegen.”

Vervolgonderzoek op Antarctica
In principe zou het veelbelovende schild gewoon op Mars geproduceerd kunnen worden. “De elementen waaruit silica aerogel bestaat, komen overvloedig voor op Mars,” vertelt Wordsworth. Maar voor we gaan fantaseren over de productie van dit schild op de rode planeet zelf, moet er eerst nog veel werk verzet worden. Want vooralsnog is enkel aangetoond dat het schild fantastisch presteert onder in het laboratorium gesimuleerde Martiaanse omstandigheden. “We moeten echt meer simulaties en experimenten uitvoeren om te begrijpen hoe je stevige schilden van silica aerogel bouwt die ook onder echte Martiaanse omstandigheden stand houden,” stelt Wordsworth. “Ook is het heel belangrijk om veldonderzoek te doen in gebieden op aarde die lijken op gebieden op Mars – zoals de Dry Valleys op Antarctica – om te zien of de aerogel in het veld net zo werkt als in het lab.”

Peter Tsou – hoofdonderzoeker van de Stardust-missie, waarbij ook silica aerogel is gebruikt – toont een blokje aerogel. Het goedje lijkt misschien heel kneedbaar, maar schijn bedriegt. Het voelt een beetje als piepschuim. Afbeelding: NASA / JPL-Caltech (via Wikimedia Commons).

Mensen
Als de aerogel ook die vervolgonderzoeken glansrijk doorstaat, lijkt het niet ondenkbaar dat silica aerogel straks op Mars wordt toegepast om de sla en bonen te beschermen. Daarnaast kan de aerogel er natuurlijk ook voor zorgen dat mensen onder aangename temperaturen hun werk kunnen doen. Voor hun bescherming zullen ze echter nooit volledig afhankelijk zijn van een silica aerogel, aldus Wordsworth. “Mensen zijn met name heel gevoelig voor blootstelling aan straling en vereisen een hogere luchtdruk om te kunnen ademen, dus je hebt dan wel nog wat aanvullende structuren en schilden nodig.”

Astrobiologische risico’s
Wat verder ook een punt van aandacht is, zijn de astrobiologische risico’s die het toepassen van zo’n schild op Mars zou kunnen hebben. “Er is nog geen leven gevonden op Mars, maar het zou zich ergens onder het oppervlak op kunnen houden. Dus wanneer we overwegen om aardse levensvormen op Mars te zetten, moeten we ons ervan verzekeren dat er op die plek op Mars geen Martiaanse microben leven.” De kans bestaat immers dat zij het leven onder de omstandigheden die we met zo’n schild creëren, helemaal niet prettig vinden en uitsterven voor we ze ontdekt hebben. Of dat ze door aardse levensvormen die prima gedijen onder zo’n schild, weggeconcurreerd worden. “Dat gezegd hebbende, zijn de astrobiologische risico’s die met deze aanpak samenhangen wel kleiner dan wanneer je probeert om de hele planeet in één keer te terravormen (een proces waarbij je de atmosfeer en het klimaat van een planeet zo verandert, dat deze leefbaar wordt voor mensen, red.).”

Mocht de aerogel het straks daadwerkelijk tot Mars weten te schoppen, is dat overigens niet de eerste keer. Er is namelijk al silica aerogel op Mars te vinden! En wel in de Marsrover Sojourner (missie: Pathfinder). NASA gebruikte de aerogel om de elektronica aan boord van de rover te beschermen tegen de kou op Mars. Ook is silica aerogel verwerkt in Stardust: een ruimtesonde die in 1999 gelanceerd werd en onder meer als doel had om stof afkomstig van komeet Wild 2 te verzamelen. De aerogel moest deze stofdeeltjes afremmen en vangen, zonder de eigenschappen ervan te veranderen.