Afgelopen week was in het nieuws dat Chinese wetenschappers een nieuw mineraal hebben ontdekt in het maanstof dat de graafrobot Chang’e-5 in 2020 heeft meegenomen. Ze hebben het mineraal Changesite genoemd, naar de satelliet, maar vooral ook naar de Chinese maangodin Chang’e, naar wie de missie was vernoemd. Het maanstof bevatte bovendien sporen van het zeldzame edelgas helium-3. Door: Floris van der Tak. 

Het nieuwe mineraal is nog niet precies gekarakteriseerd, maar volgens het Chinese ruimtevaart-agentschap CNSA bevat het fosfaat en zijn de kristallen langwerpig van vorm. Het mineraal is gevonden in basalt dat Chang’e-5 gedolven heeft op ruim een meter diepte, in een relatief jong gebied waar 1,2 miljard jaar geleden vulkanen actief waren. Het gebied ligt in Oceanus Procellarum, de grootste van de donkere plekken op de maan, die zeeën worden genoemd omdat men vroeger dacht dat ze water bevatten.

Hoe bijzonder is dat nieuwe mineraal?

Op aarde worden elk jaar nieuwe mineralen gevonden, maar op de maan is dit pas de zesde keer. Zowel de Amerikanen als de Russen hebben in de jaren 70 zulke vondsten gedaan, maar dat was aan het oppervlak, en in gebieden zonder sporen van vulkanisme. De Chinese vondst is intussen bevestigd door de internationale commissie die dit soort ontdekkingen bijhoudt. Het is best mogelijk dat Changesite over een paar jaar ook op aarde wordt gevonden. Hoe veel het voorkomt en of er toepassingen van zijn moet nog blijken.

Wat heeft Chang’e-5 nog meer gevonden?

Het Chinese persbericht vermeldde ook dat er helium-3 was gemeten in het maanstof. Op zichzelf is dat geen nieuws: al sinds de Apollo-missies weten we dat er op de maan meer helium voorkomt dan op aarde. Dat geldt helemaal voor helium-3, dat erg zeldzaam en kostbaar is. Dat helium op aarde zeldzaam is blijkt al uit de naam. Helium is eerst op de zon ontdekt en pas later op aarde, en daarom is het vernoemd naar de Griekse zonnegod Helios.

De naam helium is trouwens eigenlijk een vergissing: het achtervoegsel ‘-ium’ wordt gebruikt voor metalen, en toen helium op de zon werd ontdekt dacht men dat het een metaal was. Toen het een paar jaar later op aarde werd gevonden bleek van niet, maar toen was de naam al te veel ingeburgerd om nog te veranderen. De ontdekking van helium (en andere edelgassen) leverde William Ramsay in 1904 de Nobelprijs voor de Scheikunde op.

Het helium op de maan wordt aangevoerd door de zonnewind: de stroom deeltjes die de zon behalve licht ook nog uitzendt. Dichtbij het maanoppervlak verdampt het helium de ruimte in als het overdag warm wordt, maar dieper in de maan kan het zich ophopen. Het zou dus interessant zijn om te weten hoeveel helium-3 de Chinezen hebben opgegraven, maar dat vermeldt het persbericht helaas niet.

Waarom is helium zo duur?

Op aarde wordt de zonnewind tegengehouden door ons magnetisch veld, en ontsnapt helium uit de atmosfeer gemakkelijk de ruimte in, omdat het zo licht is. Daarom komt helium op aarde alleen ondergronds voor: het ontstaat als vervalproduct van radioactief gesteente dat bijvoorbeeld uranium of thorium bevat, en wordt gewonnen samen met aardgas. Maar dat is allemaal ‘normaal’ helium-4 met twee protonen en twee neutronen in de atoomkern. Het lichtere helium-3 dat een neutron mist ontstaat bij het verval van tritium ofwel superzwaar waterstof. Dit komt heel weinig voor en daarom is helium-3 zo zeldzaam en dus heel duur.

Waar is helium goed voor?

Behalve leuk om je stem mee te vervormen is helium natuurlijk nuttig om ballonnen mee op te blazen, en veiliger dan waterstof wat heel brandbaar is. Bovendien wordt helium veel gebruikt als koelmiddel, omdat het het laagste kook- en smeltpunt heeft van alle elementen. Niet in de koelkast thuis, daar is het te duur voor, maar bijvoorbeeld in laboratoria en ziekenhuizen.

Op mijn werk, bij het Nederlandse instituut voor ruimteonderzoek SRON, gebruiken we helium om ultra-gevoelige detectoren te bouwen voor infrarode telescopen (zoals de James Webb-telescoop uit mijn vorige blog). We hebben begin deze eeuw een heuse heliumcrisis gehad, toen vlak voor de lancering van de Herschel-ruimtetelescoop een ongeluk in een heliumfabriek gebeurde. We moesten toen snel op zoek naar een andere heliumleverancier, wat maar net op tijd lukte.

De energiebron van de toekomst?

Ballonnen opblazen en apparaten koelen kan met beide soorten helium, maar het bijzondere van helium-3 is dat het in de toekomst misschien kan worden gebruikt om energie op te wekken via kernfusie. Het voordeel van fusie is dat het geen afval produceert zoals in de kerncentrales van nu, die zware atomen (zoals uranium) splijten.

De meeste ontwerpen voor kernfusie-reactoren gebruiken zwaar of superzwaar waterstof, maar bij die fusie komen neutronen vrij die de wanden van het reactorvat radioactief maken. Bij de fusie van helium-3 komen geen neutronen maar protonen vrij, die van de wand afketsen omdat ze niet door de elektron-schillen van de atomen in de wand heen komen.

De science-fictionfilm Moon (uit 2009, met Sam Rockwell en de stem van Kevin Spacey) speelt op een maanbasis waar helium-3 wordt gedolven en met veel winst op aarde wordt verkocht. Als de huidige stijging van de gasprijs doorzet wordt dit idee misschien binnenkort realiteit.