Meridianiite bestaat

Magnesiumsulfaat bindt niet twaalf maar elf watermoleculen, ontdekte Elif Genceli bij toeval. Daarmee vond ze een nieuw mineraal.

De MgSO4•11H2O kristallen. foto’s elif genceli
De MgSO4•11H2O kristallen. foto’s elif genceli Genceli, Elif

Toen de Delftse promovenda Elif Genceli de kristalstructuur zichtbaar maakte van haar experimenteel verkregen magnesiumsulfaat (MgSO4), deed ze een geweldige ontdekking die een 165 jaar oude theorie omver gooide. In 1842 merkte de Duitse chemicus Fritzsche dat een magnesiumsulfaatoplossing die hij op een koude nacht buiten had laten staan, andersoortige kristallen bevatte dan hij er in had opgelost. Hij vermoedde dat er watermoleculen in het kristalrooster zaten opgesloten, en trachtte te bepalen hoeveel dat er waren. Fritzsche droogde de kristallen en woog ze nauwkeurig. Daarna verwarmde hij de kristallen boven een vlam om het water uit het rooster te laten verdampen, en woog ze opnieuw. Het verschil in gewicht gaf aan dat ieder zoutmolecuul elf of twaalf watermoleculen aan zich had gebonden. Uit esthetische overwegingen (dan zouden de kristallen symmetrisch zijn) besloot Fritzsche dat het er twaalfwaren geweest. Elif Genceli heeft nu aangetoond dat MgSO4 niet twaalf maar slechts elf watermoleculen bindt. Dit magnesiumsulfaathydraat wordt genoteerd als MgSO4•11H2O.

Genceli nam contact op met Ernst Burke, voorzitter van de commissie voor naamgeving en classificatie van de International Mineralogical Association (IMA), met het verzoek tot goedkeuring van dit nieuwe mineraal. Dat bleek niet zo eenvoudig te zijn. Voor zo’n goedkeuring is om te beginnen vereist dat het mineraal ‘in het wild’ wordt aangetroffen – dus buiten het laboratorium.

In de wetenschappelijke literatuur trof Genceli wel een vermelding aan van MgSO4•12H2O, dus met twaalf watermoleculen, in een artikel uit 2005 waarin een Japans onderzoeksteam een analyse geeft van ijsboringen op de Zuidpool. Om informatie te verkrijgen over veranderingen in het klimaat op aarde over een periode van miljoenen jaren, hadden de Japanners vier kilometer diep in het Antarctische ijsplateau geboord. De kleine luchtbelletjes die in deze ijskernen zitten opgesloten, geven een beeld van de samenstelling van de lucht op het moment van insluiting. Hoe dieper onder de oppervlakte, hoe ouder het ijs. Het artikel vermeldde terloops dat er ook MgSO4•12H2O kristallen waren aangetroffen in het ijs. Dat was precies wat Genceli zocht, want ze was er van overtuigd dat het in werkelijkheid MgSO4•11H2O zou blijken te zijn.

enthousiasme

Ze benaderde de Japanners en vertelde over haar laboratoriumresultaten. Dat leverde meteen een uitnodiging op om te spreken op de Physics of Ice Core Records conferentie die de Hakkaido universiteit in Japan begin februari organiseerde. Elif was de eerste spreker, en haar presentatie werd met groot enthousiasme ontvangen. Ze had een reis van tien dagen geboekt, maar bleef uiteindelijk vijf weken in Japan. In die tijd analyseerde ze de Antarctische ijsmonsters en stelde vast dat het inderdaad magnesiumsulfaat met elf watermoleculen betrof. Ook onderzocht ze ijsmonsters die de Ocean Dynamics Research Group van de Hokkaido universiteit had genomen uit het Saroma Meer, in het uiterste noorden van Japan. Daarin vond Genceli eveneens MgSO

Maar na haar terugkomst in Nederland bleken er nog meer voorwaarden te zijn. Verschillende fysische eigenschappen, waaronder de hardheid en transparantie van het kristal, moesten ook worden verstrekt. Op de dag van haar 31ste verjaardag ontving Genceli een ontluisterend bericht van de IMA: de Canadese mineraloog Ron Peterson had zojuist een volledig verzoek tot goedkeuring van MgSO4•11H2O ingediend. Hij had een paar kilo (!) van deze kristallen aangetroffen in een bevroren meer in British Columbia. Peterson was op het idee gekomen door metingen die het Marsvoertuig Opportunity had uitgevoerd in Meridiani Planum, een vlakte twee graden ten zuiden van de Marsevenaar, waarbij de aanwezigheid van magnesiumsulfaat was aangetoond. De eeuwige vraag of er ook water op Mars is, dacht Peterson positief te kunnen beantwoorden door te speculeren dat water wellicht gebonden is aan het magnesiumsulfaat. Daarom zocht hij in het bevroren meer in Canada (volgens hem het Aardse equivalent van de omstandigheden op Mars) naar magnesiumsulfaathydraat. Dat bleek in grote hoeveelheden aanwezig. Peterson liet tevens zien dat het kristalrooster elf watermoleculen bevatte, en diende onmiddellijk bij de IMA een aanvraag in tot goedkeuring van het nieuwe mineraal.

Ernst Burke wist echter dat Elif Genceli het als eerste in het laboratorium had ontdekt en daarom bemiddelde hij in deze kwestie. De IMA besloot op 31 mei dat het nieuwe mineraal MgSO4•11H2O voortaan als Meridianiite door het leven zal gaan en als ontdekkers ervan staan Elif Genceli en Ron Peterson gezamenlijk vermeld.

De ontdekking van Meridianiite was een serendipiteit. Genceli’s promotieonderzoek aan de TU Delft richtte zich eigenlijk op een methode om magnesiumsulfaat terug te winnen uit de afvalstroom die ontstaat bij het verwijderen van zwaveldioxide uit de rookgassen van een afvalverbrandingsinstallatie (AVI). Door toevoeging van magnesiumhydroxide en water wordt zwavel gebonden tot magnesiumsulfaat. Een AVI produceert op die manier jaarlijks ongeveer 10.000 ton van deze zoutoplossing. Dat kan probleemloos in zee worden gedumpt, want magnesiumsulfaat is een onschadelijk zout dat van nature al in zeewater voorkomt. Maar magnesiumsulfaat kent ook vele toepassingen, waaronder kunstmest, maagzout en huidverzorgingsproducten. Het levert ongeveer 150 euro per ton op.

zuiver ijs

Genceli ontwikkelt een apparaat om magnesiumsulfaat door middel van eutectische vrieskristallisatie (EFC) terug te winnen uit een wateroplossing. EFC is een proces dat een zoutoplossing langzaam afkoelt tot beneden het vriespunt, waarbij zuiver ijs boven komt drijven terwijl het zout als kristallen neerslaat op de bodem. Dit proces is energiezuinig omdat de temperatuur slechts 20 °C omlaag hoeft, terwijl voor verdampen de temperatuur veel meer omhoog moet. Bovendien is de kristallisatiewarmte van water veel lager dan de verdampingswarmte. En bij lage temperaturen ontstaan geen schadelijke dampen, is er geen explosiegevaar en veel minder corrosie. Met een goed EFC-apparaat kan het dus economisch aantrekkelijk worden om het zout terug te winnen.

Genceli onderzocht de structuur van haar magnesiumsulfaatkristallen omdat kleine verontreinigingen in het kristalrooster de groei kunnen verstoren – en daarbij ontdekte ze het nieuwe kristal. Eind dit jaar hoopt Elif Genceli te promoveren. Hoewel ze nu al aantrekkelijke aanbiedingen uit de industrie krijgt, wil ze wetenschappelijk onderzoek blijven doen aan een universiteit, het liefst in Delft.