'Wat op nanoschaal gebeurt, werkt door in de plaattektoniek'

Bij aardwetenschappen denk je al gauw aan grootschalige gebeurtenissen: aardschollen die opbreken, gebergten die omhoog komen, uitbarstende vulkanen, rivieren die zich een weg door het landschap vreten… Toch zit aardwetenschapper Oliver Plümper van de Universiteit Utrecht regelmatig achter een elektronenmicroscoop om nanoverschijnselen te bestuderen. Waarom is dat?

Dus als ik het goed begrijp kan water overal doorheen?

“In elk geval hoeft het gesteente niet per se permeabel te zijn, in de klassieke betekenis van het woord (dus voorzien te zijn van minuscule openingen waar het water doorheen kan, red.). Het lijkt ook een rol te spelen bij de diepe waterkringloop. De waterkringloop aan het aardoppervlak leren we allemaal op school: het water verdampt uit de oceanen, regent vervolgens weer omlaag en komt, rechtstreeks of via rivieren, weer in de oceaan terecht.”

“Maar er is nóg een waterkringloop, alleen is die gedeeltelijk aan ons oog onttrokken. Ook in de aardschollen zitten namelijk veel watermoleculen. Ze zijn deels vanaf het oppervlak geïnfiltreerd, en worden tijdens subductie, dus als de plaatranden omlaag duiken, mee de diepte in gesleurd. Maar wat gebeurt er daarna? Ook hier vormt het water zijn eigen doorgangen, zo blijkt. Er treden chemische reacties op waarbij een netwerk van kanaaltjes geproduceerd wordt – met doorsneden van enkele micrometers tot meer dan een meter. Het water komt via die kanalen weer naar boven, en bereikt uiteindelijk via vulkanen het aardoppervlak.”

En dat kan je allemaal afleiden uit wat je ziet door je microscoop?

“Nee, ik probeer veel samen te werken, en juist alle soorten onderzoek te koppelen. We gaan het veld in, draaien computermodellen, en kijken naar de kleinste processen die we nog kunnen bestuderen. Het gaat er om alles aan elkaar te koppelen. Dan kan je uiteindelijk ook naar de praktische toepassingen toe.”

Zijn die er?

“Ja. Meer kennis over kleinschalige processen kan nieuwe licht werpen op hoe aardbevingen werken, of hoe we efficiënt CO₂ kunnen opslaan. De CO₂-uitstoot lijkt niet voldoende af te nemen, dus de kans dat we uiteindelijk toch naar grootschalige CO₂-opslag toe moeten is groot. CO₂ kan zich vastleggen in gesteente, maar het nadeel is dat dat ontzettend langzaam gaat. Wij zijn aan het kijken of we met nanotechnologie oplossingen kunnen vinden om het proces te versnellen, en welke mineralen bijvoorbeeld goed als katalysator zouden kunnen werken.”

En is dat veelbelovend onderzoek? Heeft het al iets opgeleverd?

“Ja! Alleen kan ik daar verder nu nog niks over zeggen. Dit onderzoek wordt betaald door de industrie, de resultaten zijn vooralsnog vertrouwelijk.”

Oké. En aardbevingen, zei je?

“Vooral het gedrag van het gesteente in de breuk. Mijn collega Bart Verberne heeft voor zijn promotie-onderzoek testen in het lab gedaan waarbij hij twee stukken gesteente onder hoge druk langs een breuk ten opzichte van elkaar liet verschuiven. Het bleek dat er tijdens zo’n nagebootste aardbeving nano-gesteentekorrels op het breukvlak ontstaan, sommige van maar 5 nanometer.”

“We zien dat ook in het echt in het veld, vooral op breukvlakken in carbonaatgesteenten. Zelf werken we aan breuken in Griekenland, waaronder de beroemde Arkitsa-breuk, maar ook de Kfar Giladi groeve in Israel, vlak bij de Dode Zee, is er een goed voorbeeld van. Deze breuken hebben zogeheten spiegelbreukvlakken, je ziet het zonlicht er in weerkaatsen. Dat blijkt nu te komen door de laag nanodeeltjes die over het breukvlak heen ligt.”

“Maar waar komen die nanodeeltjes vandaan, en hoe gedragen ze zich? Kunnen we hiermee beter begrijpen wat er tijdens een aardbeving gebeurt, of het schuifgedrag van de verschillende steensoorten verklaren? Dat zijn onderzoeksvragen waar we nu druk mee bezig zijn.”

Maar nanodeeltjes zijn dus natuurlijke deeltjes? Zijn er meer plekken waar je die tegen kan komen?

“Jazeker zijn dat natuurlijke deeltjes – al maken we ze ook zelf tegenwoordig. De hydrothermale bronnen (natuurlijke warmwaterbronnen) bij de spreidingsruggen in de oceanen (waar de platen uit elkaar scheuren, red.) behoren tot de grootste producenten van deze nanodeeltjes die we kennen.”

Hoe kom je als aardwetenschapper eigenlijk in de nanowereld terecht?

“Als ik door een microscoop keek, was ik altijd gefascineerd door het kleinste dat ik nog kon onderscheiden. Dat is, met de steeds betere microscopen, steeds kleiner geworden. In Oslo werkte ik aan een instituut dat specifiek naar de fysica van de aardwetenschappen keek. In de natuurkunde zijn ze al veel verder met de nano-theorieën dan wij, maar ik denk dat de kracht in de combinatie ligt. Het boeit me.”