Fiatal magyar kutatónő vezeti a világ legkeményebb bolygólaborját

Egy fiatal magyar kutatónő közreműködésével először sikerült a Szaturnusz legnagyobb holdján, a Titanon uralkodó felszíni körülményeket előállítani egy földi laboratóriumban az Egyesült Államokban. A rózsaszín égből fekete hó hullik, a folyók mínusz 180 Celsius-fokon áramlanak.

A Szaturnusz óriásholdján, a Titanon zajló folyamatokat jelenleg egyetlen földi laboratóriumban lehet részletesen elemezni. Az Egyesült Államokban található Arkansas Center for Space & Planetary Sciences intézet bolygókamrájának működését magyar csillagász irányítja.

A Titan hold vizsgálata során a Cassini-űrszonda mutatott rá, hogy a földinél sűrűbb nitrogénlégkör alatt folyékony metán-etán tavak és folyók vannak a felszínen. A Titan hatalmas szerves kémiai laboratóriumnak tekinthető, ahol különleges reakciók zajlanak. Légkörében összetett szerves molekulák keletkeznek, amelyek eső és hó formájában hullanak a felszínre. Ott belekeverednek a szénhidrogén tavakba, és további vegyi átalakulások történnek.

Ennek a világnak az elemzésére építettek szimulációs kamrát Arkansasban, hogy megértsék, milyen folyamatok zajlanak a szokatlan összetételű tavakban, hogyan párolog a folyadék, elkülönül-e közben összetevőire, és mi marad hátra, ha kiszárad egy metántó. A kamra 3,5 köbméter térfogatú (tehát akkora, mint egy lift utastere). Korábban Mars-szimulációra használták, majd még alacsonyabb hőmérséklethez és magasabb nyomáshoz alakítottak át.

A kísérletek elején a kamrát nitrogéngázzal töltik fel, hogy a légkör összetétele a Titanéhoz hasonló legyen, majd folyékony nitrogénnel csökkentik le a hőmérsékletet -180 Celsius-fok közelébe. Ezt követően vezetik be a metánt a kamrába, amely az ott uralkodó viszonyok között folyékony lesz.

A kamra építését és a kísérletek végzését Luspay-Kuti Adrienn irányítja, aki itt készíti doktori disszertációját. A fiatal kutatónő egyetemi tanulmányait az ELTE csillagász szakán végezte, a Mars sarkvidéki fagyott területeinek hőmérsékleti viszonyaiból, valamint a marsi légkör optikai mélységéből írta szakdolgozatát. Ezt követően doktori kutatásához Amerikában szerzett ösztöndíjat, ahol feladata az első Titan-szimulációs kamra elkészítése lett.

Ajánlat: Luspay-Kuti Adrienn december 20-án (kedden) 19 órakor a budapesti Polaris Csillagvizsgálóban tart előadást, amelyet élőben követhetnek az interneten is.

Luspay-Kuti Adrienn az [origo]-nak elmondta, hogy a kamra két fő részből áll: a befogadókamrából (Andromeda kamra) és az abba telepített Titan modulból. A modul egy 53 centiméter átmérőjű és ugyanilyen magasságú henger, ebben találhatók a különböző funkciójú alrendszerek. Ezeket több helyen elhelyezett hőmérséklet-szenzorokkal (termofeszültseg-érzékelőkkel) tartják szigorú megfigyelés alatt. Emellett egy webkamerát is beépítettek a modul szívét jelentő "hőmérséklet-szabályozó dobozba", így élőben is tudják figyelni a kamrában zajló eseményeket, a folyékony szénhidrogének kondenzálását és kiömlését.

Egy kísérlet előkészítése a kamrában

Luspay-Kuti Adrienn elmondta, hogy léteznek más Titan-szimulációk is, de ezek csak egy-egy szűk területre korlátozódnak. A NASA Sugárhajtás Laboratóriumában (JPL) egy csoport kifejezetten a Huygens-űrszonda leszállóhelyén uralkodó körülményeket vizsgáló kamrát tervezett. Fordított kísérleteket végeznek, a Huygens műszereivel nyert méréseket próbálják rekonstruálni és értelmezni. Az a kamra azonban kisebb és korlátozottabb, mint az arkansasi. Ezenkívül még egy szimulációs berendezés létezik, ahol a munka egészen másra irányul: ott a vízjégnek mint kőzetnek a telítettségét vizsgáljak úgy, hogy folyékony metánt csöpögtetnek rá. Összességében az arkansasi berendezés a legfejlettebb, és ez képes a legváltozatosabb felszíni szimulációkra.

A kamra egy év alatt készült el, de mindig van mit fejleszteni, mondta Luspay-Kuti Adrienn. A legnagyobb kihívás a kamra megtervezése és a korlátozott pénzforrásból történő leghatékonyabb megépítése volt. "Nagy kihívás volt a laborban heverő, nem használt apró alkatrészekből összerakni egy olyan dolgot, amivel kapcsolatban semmilyen előzetes tudásunk nem volt. Ugyancsak kihívás volt egyes anyagok extrém alacsony hőmérsékleten való viselkedésének előrejelzése. Ilyen hidegben az amúgy gyakran használt segédeszközök, például a szigetelőszalag egészen másképp reagálnak, és nem hatékonyak" - mondta a kutatónő.

Forrás: NASA, JPL

A Titan felszíni -180 Celsius-fokos hőmérsékletén sziklaszilárd vízjég alkotja a kőzeteket (lásd balra a fantáziarajzon). A nedvességet a metán képviseli a holdon, és globális körforgást végez a légkörben.

A stabil metántavak létezéséhez csak a sarkvidéken elég alacsony a hőmérséklet, innen a metán a légkörbe párolog, és részben eső formájában hullik vissza. Ugyanakkor az egyenlítőn szárazság jellemző. A "homokdűnék" vízjégből állnak, tehát jéghomokot fúj a szél a Titanon.

Teljesen hétköznapi eszközöket is felhasználtak a munkában, például a "hőmérséklet-szabályozó doboz" valójában egy szemetesláda. Igaz, nem egy polcról lekapott műanyag szemetesről van szó, hiszen -179 és -183 Celsius-fok között üzemel, ezért egy galvanizált acél szemetesvödröt használnak. A kiválasztás alapos es időigényes volt, mert a méretnek és minden apró részletnek stimmelnie kellett. "Ettől függetlenül ez mégiscsak egy szemetesláda, azonban örömmel kijelenthető, hogy tökéletesen megfelel a célnak, és a mai napig rendben működik" - mondta Luspay-Kuti Adrienn

A kamra készítésének egyik pillanatképe

A szakember elmondta, hogy a céloknak megfelelő kialakítás során első lépésként visszanyúltak a termodinamika alapjaihoz, és megbecsülték, hogy mire lehet számítani a kísérlet során. Ezt követően prototípusokat építettek a különböző alrendszerekhez, melyeket egyenként, a fő kamrán (Andromeda kamra) kívül teszteltek és módosítottak. Csak ezután installálták az így összeállított Titan modult a fő kamrába, ami tulajdonképpen egy nagy rozsdamentes acélhenger. Az összeállított kamrában először argonnal kísérleteztek, mivel az argon szűkebb intervallumban folyékony, mint a metán. Így derült ki, hogy a metán kondenzációja sem lehet gond.

Forrás: NASA, JPL

Bár a Titanon a metán körforgása hasonlít a földi vízkörforgásra, fontos eltérés, hogy a tavakból kipárolgó metán a légkörben kémiailag átalakulhat, és nem mindig ugyanaz a molekula hullik vissza a felszínre.

Utóbbi folyamat heves esőzések, úgynevezett metán monszunok formájában is történhet, de ha az anyag a felsőlégkörbe jut, ott fotokémiai reakciókkal tovább kombinálódik, majd hosszú molekulaláncú szerves anyagként hullik vissza. Ha légköri nitrogén is beépül ezek során, akár egyszerű aminosavak is keletkezhetnek. A lehetséges reakciókat az Enceladus holdról, a világűr felől érkező oxigén is bonyolítja. Mindezek eredményeként a hold felsőlégkörében hosszú láncú szerves moelkulákból álló szmogréteg keletkezik.

A kamráról jelenleg egy mérnöki jellegű publikáció áll elbírálás alatt, és készülőben van egy a tudományos eredményekről is. Az egyik legfontosabb dolog, hogy nemcsak folyékony szénhidrogéneket tudnak létrehozni, de azokat a Titanon uralkodó felszíni nyomás és hőmérséklet mellett folyamatos megfigyelés alatt is tudják tartani, emelte ki Luspay-Kuti Adrienn. Mérik a tömegveszteséget, melyből kiszámolható a párolgási ráta az adott hőmérsékleten és nyomáson - ami azért fontos, mert eddig erről semmilyen kvantitatív eredmény nem volt. Ez nemcsak a Titan felszínén létező tavak stabilitására vonatkozóan ad információkat, hanem segít megérteni a metán körforgását a felszín alatt, a felszínen és a légkörben is.

Rövidfilm az Arkansas Center for Space & Planetary Sciences munkájáról