Maan en Mars komen dichterbij dan de aardkern

We komen in diepte niet eens van Amsterdam naar Haarlem. Niet alleen vandaag niet, maar nooit. Aardonderzoek gebeurt noodgedwongen in het lab. Het is verbazingwekkend, als je er bij stilstaat.

Marskarretjes rijden rond op 50 miljoen kilometer afstand van de aarde. De Chinezen zijn onlangs op de achterkant van de maan geland – toch ook een slordige 400.000 kilometer ver. Maar de mensheid slaat onder haar voeten nog geen deuk in een pakje boter.

De Russen boorden tussen 1970 en 1994 op schiereiland Kola een gat van ruim 12 kilometer diep. Niet alleen voor wetenschappelijke doeleinden, maar vooral ook om het oude record van Amerika –bijna 10 kilometer diep– te breken.

Het ”superdiepe boorgat van Kola” mag zo heten, maar komt niet dieper dan slechts een derde van de bovenste aardlaag, de continentale korst. Deze moet volgens berekeningen ongeveer 35 kilometer dik zijn, en is 0,2 procent van de afstand naar de aardkern, die ruim 6000 kilometer dieper ligt.

Het project in Kola stopte in 1994 noodgedwongen, voornamelijk vanwege de temperatuur, die op 12 kilometer diepte 180 graden Celsius bedroeg. Veel hoger dan de tevoren geraamde 100 graden. Het oorspronkelijke doel van 15 kilometer moesten de Russen daarom laten varen; daar zou de temperatuur vermoedelijk zijn opgelopen tot 300 graden. Die temperatuur zou de boorkop verwoesten.

Het megaproject had veel voeten in de aarde. Er werd zelfs een geheel nieuwe soort boor ontwikkeld om zo diep te kunnen komen. Waar meestal de boorkop draait doordat de boorstang roteert, draaide de boorkop in Kola onafhankelijk van de stang, met behulp van boorvloeistof. Daardoor hoefde de stang niet over de hele lengte van 12 kilometer mee te draaien.

Ruïne

Russische wetenschappers troffen onderweg op 6,5 kilometer diepte planktonfossielen aan. Onderin ontdekten ze zelfs water, dat vermoedelijk uit zuurstof- en waterstofatomen is ontstaan door de hoge druk. Op de bodem meet het gat overigens slechts 23 centimeter in doorsnee. In 2005 werd het complex rond het boorgat gesloten en inmiddels is het vervallen tot een ruïne.

Zo dichtbij en toch zo onbereikbaar. Het contrast tussen de ruimtevaart en de verkenning van wat er zich onder onze voeten afspeelt is gigantisch. Aardwetenschapper Wim van Westrenen (Vrije Universiteit Amsterdam) legt zich er maar bij neer. „Tja, het is niet anders. Elke kilometer die je na 12 kilometer dieper gaat, stijgt de temperatuur met ongeveer 25 graden. Daar is geen materiaal tegen bestand.”

Dat ontmoedigt niet, zegt Van Westrenen. „Het maakt mijn vak fascinerend en uitdagend. Wij moeten dus andere, creatieve manieren vinden om kennis te vergaren. En dat is in de afgelopen decennia aardig gelukt.”

Zo is er rond 1950 een speciale pers ontwikkeld die de enorme druk op grote diepte nabootst. Hiermee kunnen de materiaalsamenstelling en andere eigenschappen van het inwendige van de aarde worden gemeten. Van Westrenen: „Het apparaat bestaat uit twee metalen schijven waartussen stukjes steen worden samengeperst en met behulp van een oventje verhit. Door de combinatie van druk en temperatuur veranderen de structuur en de samenstelling van de steen. Vervolgens wordt het brokje snel afgekoeld, waardoor de nieuwe eigenschappen als het ware worden ingevroren. Wij kunnen daaraan de mineralensamenstelling onderzoeken.”

De extreem krachtige pers brengt een druk tot stand tot 250.000 atmosfeer, 250 keer de luchtdruk aan het aardoppervlak, wat de situatie op 700 kilometer diepte simuleert. „Dan zit je dus in de aardmantel, de dikste laag tot de aardkern, ongeveer 30 tot 2900 kilometer diep. Ondanks de onmogelijkheid om die diepte ooit te bereiken, weten we redelijk goed uit welke materialen de aardmantel bestaat.”

Röntgen

Behalve van de pers maakt de aardonderzoeker gebruik van röntgenstralen, waarmee het gesteente tussen de persschijven wordt bekeken. „Hiermee krijgen we zicht op de veranderende dichtheid van steen onder hoge druk.” Het belangrijkste ingrediënt is het mineraal perovskiet, dat alleen maar onder gigantische druk bestaat, vervolgt Van Westrenen. „Je kunt het alleen in de pers bekijken met röntgenstralen, want daarbuiten verandert het onmiddellijk in het mineraal pyroxeen. Het vastpakken, laat staan een stukje in het museum leggen, is onmogelijk. Terwijl het hier om een van de belangrijkste bestanddelen onder onze voeten gaat.” Behalve perovskiet zit er ook een beetje ijzerhoudend magnesiumoxide in de aardmantel.

Op 2900 kilometer diepte begint de aardkern. Deze reikt tot het middelpunt van de aarde, op ruim 6300 kilometer onder het aardoppervlak. Het is er net zo heet als aan de buitenkant van de zon, 5500 graden. Naar wetenschappers aannemen bestaat de kern voor 90 procent uit puur ijzer. Het resterende deel komt voor rekening van lichtere elementen.

Omdat zuurstof het meest voorkomende element op aarde is, lijkt het logisch dat ook de kern relatief veel zuurstof bevat. Om die hypothese te staven, leunt de wetenschap noodgedwongen op seismische gegevens. Maar de snelheden waarmee aardbevingsgolven op verschillende diepten door de aardkern gaan vertellen in elk geval íéts over de dichtheid en de geluidssnelheid ter plaatse. Tot nu toe viel het niet mee deze variaties te vertalen in verschillen in chemische samenstelling, vooral omdat het heel moeilijk bleek om de diverse materialen onder de gewenste druk (3,73 miljoen atmosfeer) en temperatuur te onderzoeken.

Projectielen

Chinese en Amerikaanse geofysici vonden enkele jaren geleden een manier om het zuurstofgehalte van de aardkern te achterhalen door plaatjes van verschillende mengsels van ijzer en andere metalen met snelle projectielen te beschieten. Daarmee konden ze kortdurend de omstandigheden in de aardkern nabootsten. Behalve de dichtheid van het vloeibare materiaal maten de wetenschappers ook de snelheid waarmee geluid zich door het materiaal voortplantte. Uit de vergelijking van alle waarnemingen concludeerden de wetenschappers dat de aardkern van de aarde bar weinig zuurstof kan bevatten.

Japanse wetenschappers waren vervolgens benieuwd naar de enorme ijzermassa in het binnenste van de aarde. Die is ondanks de extreme temperatuur door de enorme druk niet vloeibaar, maar een vaste stof. In een speciaal daarvoor ontwikkelde diamant-aambeeldpers drukten ze een klein stukje ijzer extreem samen en verhitten het met een laser een fractie van een seconde tot 5500 graden – langer kon niet, omdat anders de diamanten zouden verdampen. Ze ontdekten dat de kristalstructuur van het ijzer anders is dan op het aardoppervlak.

Met pijn en moeite –en met veel mitsen, maren en onzekerheden– schraapt de wetenschap zo haar kennis over de samenstelling van de aardbol bij elkaar.

Sonde

Er zijn echter ook mensen die geen genoegen nemen met de waarschijnlijk definitieve onmogelijkheid om diep in de aarde door te dringen. In 2003 beweerde de Amerikaanse wetenschapper David Stevenson dat als je 100 miljoen kilo vloeibaar ijzer in een gat van een kilometer diepte gooit, het vanzelf naar de aardkern stroomt. Met een in die stroom meegestuurde sonde zou je dan rechtstreekse en betrouwbare metingen kunnen verrichten.

Leuk bedacht, maar klinkklare onzin, zegt Van Westrenen. „Zoiets kan helemaal niet. Hoe graag we het misschien ook zouden willen, we moeten accepteren dat we nooit die diepte zullen bereiken. Het laboratorium is en blijft de plek waar we de kennis moeten opdoen. Met beide benen óp aarde.”

Maan en Mars komen dichterbij dan de aardkern

Wetenschap & techniek

RD.nl in uw mailbox?