Water in de ruimte: Bevriest het of kookt het?
Waterdruppels kunnen bestaan in de onder druk staande omgeving van het Internationale Ruimtestation, maar… stuur ze buiten de cabine in het vacuüm van de ruimte, en ze kunnen niet langer vloeibaar zijn. Foto: ESA/NASA, van Andre Kuipers.
Als je vloeibaar water de ruimte in zou brengen, zou het dan bevriezen of zou het gaan koken? Het vacuüm van de ruimte is heel anders dan wat we hier op aarde gewend zijn. Waar je nu staat, omgeven door onze atmosfeer en relatief dicht bij de zon, zijn de omstandigheden precies goed voor vloeibaar water om stabiel te bestaan bijna overal op het oppervlak van onze planeet, of het nu dag of nacht is.
De zwaartekracht op de gassen in onze atmosfeer veroorzaken een aanzienlijke oppervlaktedruk, waardoor… vloeibare oceanen ontstaan. Image credit: NASA Goddard Space Flight Center Image by Reto Stöckli, Terra Satellite / MODIS instrument.
Maar de ruimte is anders op twee uiterst belangrijke manieren: het is er koud (vooral als je niet in direct zonlicht staat, of verder weg van onze ster), en het is het beste drukloze vacuüm dat we kennen. Terwijl de standaard atmosferische druk op aarde neerkomt op ongeveer 6 x 10^22 waterstofatomen die op elke vierkante meter op het aardoppervlak drukken, en terwijl de beste aardse vacuümkamers tot ongeveer een triljoenste daarvan kunnen komen, heeft de interstellaire ruimte een druk die miljoenen of zelfs miljarden keren kleiner is dan dat! Van honderden kilometers hoogte is de atmosferische druk ongeveer 10^18 keer lager dan op het aardoppervlak. Nog verder weg, daalt de druk nog verder. Met andere woorden, er is een ongelooflijke daling in zowel temperatuur als druk als het gaat om de diepten van de ruimte in vergelijking met wat we hier op aarde hebben. En toch, dat maakt deze vraag des te lastiger. Als je namelijk vloeibaar water in een omgeving plaatst waar de temperatuur tot onder het vriespunt daalt, zal het in zeer korte tijd ijskristallen vormen.
De vorming en groei van een sneeuwvlok, een bepaalde configuratie van ijskristallen. Afbeelding credit:… Vyacheslav Ivanov, van zijn video op Vimeo: http://vimeo.com/87342468.
Wel, de ruimte is echt, echt koud. Als we het hebben over de interstellaire ruimte, ver weg (of in de schaduw) van enige sterren, komt de enige temperatuur van het restje gloed van de oerknal: de kosmische microgolf-achtergrond. De temperatuur van deze zee van straling is slechts 2,7 Kelvin, wat koud genoeg is om waterstof vast te laten vriezen, en water nog veel minder. Dus als je water de ruimte in brengt, zou het moeten bevriezen, toch?
Vrieskristallen die zich in het wild op het aardoppervlak vormen. Afbeelding: publieke domein foto door … gebruiker ChristopherPluta.
Niet zo snel! Want als je vloeibaar water neemt en je verlaagt de druk in de omgeving eromheen, dan gaat het koken. U kent wellicht het feit dat water op grote hoogte bij een lagere temperatuur kookt; dit komt doordat er minder atmosfeer boven je is, en de druk dus lager is. Een nog ernstiger voorbeeld van dit effect vinden we echter als we vloeibaar water in een vacuümkamer brengen, en dan snel de lucht laten ontsnappen. Wat gebeurt er met het water?
Het kookt, en het kookt nogal heftig! De reden hiervoor is dat water, in zijn vloeibare fase, zowel een bepaald drukbereik als een bepaald temperatuurbereik nodig heeft. Als je begint met vloeibaar water bij een bepaalde vaste temperatuur, zal een voldoende lage druk het water onmiddellijk doen koken.
In de vloeistoffase kan een aanzienlijke daling van de druk resulteren in een vaste stof (ijs) of een gas (water… damp), afhankelijk van wat de temperatuur is en hoe snel de overgang plaatsvindt. Image credit: wikimedia commons user Matthieumarechal.
Maar nogmaals, als je begint met vloeibaar water bij een bepaalde, vaste druk, en je verlaagt de temperatuur, dan zal het water onmiddellijk bevriezen! Als we het hebben over vloeibaar water in het vacuüm van de ruimte, hebben we het over het doen van beide dingen tegelijk: het nemen van water uit een temperatuur/druk combinatie waar het stabiel vloeibaar is en het verplaatsen naar een lagere druk, iets waardoor het wil koken, en het verplaatsen naar een lagere temperatuur, iets waardoor het wil bevriezen.
Je kunt vloeibaar water naar de ruimte brengen (aan boord van bijvoorbeeld het internationale ruimtestation) waar het in aardse omstandigheden kan worden gehouden: bij een stabiele temperatuur en druk.
Maar wanneer je vloeibaar water in de ruimte brengt – waar het niet langer vloeibaar kan blijven – wat gebeurt er dan met een van deze twee dingen? Bevriest het of kookt het? Het verrassende antwoord is dat het allebei doet: eerst kookt het en daarna bevriest het! Wij weten dit omdat dit is wat vroeger gebeurde wanneer astronauten de roep van de natuur voelden terwijl zij in de ruimte waren. Volgens de astronauten die het met eigen ogen hebben gezien:
Wanneer de astronauten tijdens een missie een lek maken en het resultaat in de ruimte uitstoten, kookt het hevig. De damp gaat dan onmiddellijk over in de vaste toestand (een proces dat bekend staat als desublimatie), en je eindigt met een wolk van zeer fijne kristallen van bevroren urine.
Er is een dwingende natuurkundige reden voor: de hoge soortelijke warmte van water.
De soortelijke warmte van verschillende materialen, elementen en verbindingen. Merk op dat vloeibaar water een van… de hoogste warmtecapaciteiten van allemaal heeft. Image credit: screenshot van de Wikipedia pagina voor Warmtecapaciteit, via https://www.youtube.com/watch?v=ntQ7qGilqZE.
Het is ongelooflijk moeilijk om de temperatuur van water snel te veranderen, want ook al is de temperatuurgradiënt enorm tussen het water en de interstellaire ruimte, water houdt warmte ongelooflijk goed vast. Bovendien heeft water door de oppervlaktespanning de neiging om in de ruimte bolvormig te blijven (zoals je hierboven zag), waardoor het oppervlak dat het heeft om warmte uit te wisselen met zijn omgeving onder nul zo klein mogelijk is. Het bevriezingsproces zou dus ongelooflijk traag verlopen, tenzij er een manier zou zijn om elke watermolecule afzonderlijk bloot te stellen aan het vacuüm van de ruimte zelf. Maar er is geen dergelijke beperking op de druk; die is buiten het water feitelijk nul, en dus kan het koken onmiddellijk plaatsvinden, waarbij het water in zijn gasvormige (waterdamp) fase wordt gebracht!
Maar wanneer dat water kookt, bedenk dan hoeveel meer volume gas inneemt dan vloeistof, en hoeveel verder de moleculen uit elkaar komen te staan. Dit betekent dat onmiddellijk nadat het water kookt, deze waterdamp – nu bij feitelijk nul druk – zeer snel kan afkoelen! We kunnen dit zien op het fasediagram voor water.
Een gedetailleerd fasediagram voor water, met de verschillende vaste (ijs) toestanden, de vloeibare toestand en… de damp (gas) toestanden, en de omstandigheden waaronder ze voorkomen. Image credit: Wikimedia commons user Cmglee.
Zodra je onder ongeveer 210 K komt, ga je de vaste fase voor water in – ijs – ongeacht de druk. Dus dat is wat er gebeurt: eerst kookt het water, en dan bevriest de zeer fijne nevel waarin het wegkookt, waardoor een ijl, fijn netwerk van ijskristallen ontstaat. Geloof het of niet, maar we hebben een analogie voor dat hier op aarde! Op een zeer, zeer koude dag (het moet ongeveer -30 ° of lager zijn om dit te laten werken), neem een pot met wat net kokend water en gooi het omhoog (weg van je gezicht) in de lucht.
De snelle vermindering van de druk (gaan van het hebben van water op de top van het naar gewoon lucht) zal een snelle kook veroorzaken, en dan de snelle actie van de extreem koude lucht op de waterdamp zal de vorming van bevroren kristallen veroorzaken: sneeuw!
Het gooien van kokend water in de lucht op het aardoppervlak, wanneer het koud genoeg is, zal resulteren in het… ontstaan van sneeuw, omdat de blootstelling van vele kleine oppervlakken (druppels en druppeltjes) aan de temperaturen onder het vriespunt resulteren in de snelle vorming van kleine ijskristallen. Foto: Mark Whetu, in Siberië.
Kookt of bevriest water als je het naar de ruimte brengt? Ja. Ja, dat doet het.