Química

03/2015 -

Les simulacions al laboratori permeten entendre la composició dels cometes

L’objectiu de la missió espacial Rosetta és aterrar sobre el cometa 67P per realitzar experiments que permetin conèixer millor aquest tipus de cossos celestes, formats a les primeres etapes del nostre sistema planetari. Es pot estudiar la composició de la matèria dels cometes a partir d’experiments en laboratoris que simulin les reaccions que poden succeir en aquests astres. Investigadors de la UAB han participat en unes d’aquestes simulacions, els resultats de les quals coincideixen amb alguns dels obtinguts per la sonda Philae a la superfície del cometa.

Referències

Duvernay, F.; Rimola, A.; Theule, P.; Danger, G.; Sanchez, T.; Chiavassa, T. Formaldehyde chemistry in cometary ices: the case of HOCH2OH formation. Physical Chemistry Chemical Physics. 2014, vol. 16, num. 44, p. 24200-24208. doi: 10.1039/C4CP03031A.

L’aposta més recent per tal d’entendre la natura i l’origen dels cometes de l’Agència Europea de l’Espai (ESA), juntament amb diverses agències europees i la NASA, és la missió Rosetta. Aquesta té per objectiu aterrar sobre el cometa 67P/Churyumov-Gerasimenko (quelcom inèdit!) per realitzar diversos experiments científics amb la finalitat de tenir un millor i més profund coneixement sobre aquests objectes primitius.
 
Els cometes del nostre sistema solar es formaren a les regions més allunyades del disc protoplanetari, un disc constituït de pols, gel i gas que envoltava el sol jove, i d’on va sorgir el sistema planetari. Per tant, aquests cometes són testimonis de primera mà per conèixer més sobre les etapes primerenques del nostre sistema planetari. Entre els 25 experiments científics que la missió Rosetta té previstos realitzar, una desena estan orientats a l’anàlisi fisicoquímica de la superfície, el subsòl i l’estructura interna del cometa, com també dels materials i gasos presents a la seva coma i cua. Com que els cometes es formaren a partir de l’agregació de partícules sòlides de minerals, diferents gels i matèria orgànica, estudiar les propietats quimicofísiques de la matèria constituent del cometa 67P és estudiar un llegat dels materials precursors de la formació dels planetes. Conèixer quin tipus de matèria orgànica conté o quina és la distribució isotòpica de l’hidrogen i l’oxigen que conformen l’aigua gelada és important per avaluar el possible rol dels cometes en l’enriquiment d’aquests elements en una Terra primitiva, fet que tindria relació amb l’aparició de la vida.
 
El passat 12 de novembre de 2014, la sonda Rosetta va alliberar el seu “aterrador”, anomenat Philae, per posar-se a una zona concreta del cometa que va ser anomenada Agilkia. Estava previst que el Philae quedés fixat a la superfície del cometa per mitjà d’uns arpons. No obstant, el mecanisme de fixació no va funcionar i el Philae va rebotar successivament fins que una paret el va aturar. Sembla ser que el Philae no va fixar-se perquè els arpons van ser incapaços de perforar la superfície del cometa atesa la seva extraordinària duresa, fet que fa sospitar que a poca profunditat ja s’hi troben gels. Gràcies a la paret, el Philae va aturar-se, però la seva inesperada ubicació fa que les seves bateries solars nomes es carreguin una hora i mitja diàriament. Actualment, el Philae està en un període d’hibernació forçat tot esperant que la orientació del cometa respecte el sol sigui adequada per carregar les seves bateries secundàries (pròxim juliol). Malgrat això, abans d’hibernar el Philae va utilitzar el que li quedava d’energia per realitzar alguns dels experiments previstos com ara analitzar el contingut de deuteri present a les molècules d’aigua.
 
Entre la desena d’instruments que el Philae conté, un és el ROSINA, un espectròmetre de masses que permet analitzar els compostos volàtils del cometa. D’acord amb observacions radioastronòmiques realitzades en altres cometes, tals com el Hyakutake i el Hale-Bopp, aquests compostos volàtils poden ser gels d’aigua (H2O) “bruts” amb amoníac (NH3), monòxid de carboni (CO), formamida i metanol (H2CO i CH3OH) i altres molècules orgàniques relativament senzilles.
 
Una manera d’estudiar la composició de la matèria dels cometes és a partir d’experiments realitzats en laboratoris terrestres que simulen reaccions que poden succeir en les superfícies dels cometes sota les condicions extremes de l’espai. La interpretació d’aquestes reaccions a escala molecular s’efectua mitjançant simulacions computacionals basades en mètodes de la química quàntica.
 
En una col·laboració entre el grup de Química Bioinorgànica Computacional del Departament Química de la UAB i el Groupe de Physique des Interactions Ioniques et Moléculaires de la Universitat de Marsella s’ha estudiat des d’un punt de vista experimental i teòric les reaccions que es donen en gels constituïts per H2O, NH3 i H2CO quan s’escalfen progressivament. Els experiments, efectuats a Marsella, s’han realitzat congelant gasos d’aquests tres compostos amb diferents  composicions i, a mesura que s’escalfava la mescla (des de -258  a -78 ºC), s’ha realitzat una anàlisi in situ mitjançant tècniques d’espectroscòpia d’infraroig i d’espectrometria de masses per tal de conèixer els productes sintetitzats.
 
S’han realitzat tres experiments els resultats dels quals són els següents:
i) un gel predominantment d’H2O amb una certa quantitat d’NH3 i H2CO de concentració semblant dóna lloc a la formació d’aminometanol (NH2CH2OH) i també, en menor mesura,  dels respectius polímers de cadenes curtes tals com l’NH2-(CH2-O)2-CH2-OH;
ii) el mateix gel però amb una concentració de H2CO superior a la d’NH3 produeix la formació de metilen glicol (HOCH2OH) i dels respectius polímers curts com l’HO-(CH2-O)2-CH2-OH;
iii) el mateix gel però en absència d’NH3 no genera cap producte.
 
A partir de treballs previs coneixem que la formació de l’NH2CH2OH és el resultat de la reacció entre H2CO i NH3 i que l’H2O actua de catalitzador. En canvi, la formació de l’HOCH2OH no estava clara, com tampoc el paper de l’NH3. I és aquí on els càlculs teòrics, realitzats a la UAB, han tingut el seu paper. Aquests càlculs han permès simular les etapes de la reacció que dóna lloc a la formació de l’HOCH2OH, tot mostrant que aquesta molècula es forma per reacció entre l’H2O i l’H2CO, mentre que l’NH3 actua de catalitzador. S’ha trobat que la reacció evoluciona a través d’etapes diferents a les de la formació de l’NH2CH2OH i que en absència d’NH3 la reacció és inviable, tal i com els resultats experimentals indiquen. Els càlculs teòrics, a més, han permès simular l’espectre infraroig d’un model de gel d’HOCH2OH que s’ha comparat amb l’espectre experimental. La molt bona concordança entre l’espectre experimental i el simulat és una prova més que el que s’ha format és metilen glicol.
 
Aquests resultats són en la línia d’alguns experiments realitzats pel Philae abans d’hibernar ja que s’ha trobat que la superfície del cometa 67P està cobert per capes de compostos orgànics i polímers estables que contenen grups carboni-hidrogen (C-H) i oxigen-hidrogen (O-H). Haurem d’esperar nous experiments per conèixer amb més exactitud la naturalesa d’aquests materials, entre els quals podrien trobar-se certament el metilen glicol i els seus polímers.
 
Figura superior esquerra: Representació de la reacció de formació del metilen glicol en una mescla de gels d’aigua, amoníac i formamida sobre la superfície del cometa 67P.

Albert Rimola
Grup de Química Bioinorgànica Computacional

Departament de Química

Albert.Rimola@uab.cat

2021 Universitat Autònoma de Barcelona

B.11870-2012 ISSN: 2014-6388