Waterstof in de kern van de Aarde afgeleid uit neutronenbeeldvorming en diffractie

Een verborgen voorraad van het lichtste element van de Aarde

Waterstof is vooral bekend als hoofdbestanddeel van water en de Zon, maar deze studie suggereert dat enorme hoeveelheden ervan ook diep in het metalen hart van onze planeet opgesloten kunnen liggen. Door de intense drukken en temperaturen die ver onder het aardoppervlak heersen na te bootsen en te observeren hoe waterstof zich in gesmolten ijzer gedraagt, bieden de auteurs een nieuw venster op waaruit de kern is opgebouwd en hoe onze planeet gevormd is.

Waarom de kern van de Aarde te licht lijkt

Seismische golven laten zien dat de kern van de Aarde minder dicht is dan een bol van puur ijzer en nikkel. Om dit “ontbrekende” gewicht te verklaren, hebben wetenschappers voorgesteld dat lichtere elementen zoals silicium, zwavel, zuurstof, koolstof en waterstof in de kern zijn vermengd. Waterstof is een bijzonder intrigerende kandidaat omdat het overvloedig aanwezig was in het vroege zonnestelsel en gemakkelijk in ijzer oplost wanneer het bij zeer hoge drukken wordt samengeperst. Het is echter lastig geweest om te meten hoeveel waterstof daadwerkelijk in vloeibaar ijzer gaat, omdat de ijzerhydrideverbindingen die onder druk ontstaan uiteenvallen wanneer ze teruggebracht worden naar normale omstandigheden.

Waterstof bekijken in gesmolten ijzer

De onderzoekers gingen deze uitdaging te lijf met neutronenbundels, deeltjes die gemakkelijk door metaal heen gaan maar sterk worden beïnvloed door waterstof. Bij een krachtige neutronenbron in Japan plaatsten ze een klein ijzervoorbeeld, samen met een waterstofrijke stof, in een multi‑anvilpers die het tot ongeveer 3–3,5 gigapascal samenperste en verwarmde tot 1400 kelvin — vergelijkbaar met de omstandigheden nabij de basis van een vroege magma‑oceaan op jonge Aarde. Neutronendiffractie, die onthult hoe atomen zijn gerangschikt, liet zien wanneer het ijzer veranderde van een vaste kristalstructuur naar volledig gesmolten toestand. Neutronenbeeldvorming, die registreert hoe sterk het monster neutronen absorbeert, toonde aan hoeveel waterstof in het ijzer was opgenomen in elke fase.

Neutronenschaduwen omzetten in getallen

Om de neutronenbeelden te vertalen naar waterstofgehalte kalibreerde het team eerst hoe de massale absorptie van neutronen veranderde naarmate er meer waterstof aan vast ijzer werd toegevoegd. Ze toonden aan dat de absorptie bijna lineair toenam met het waterstoffractioneel aandeel, waardoor ze een eenvoudige conversiecurve konden opbouwen. Voor gesmolten ijzer is de dichtheid niet direct bekend, dus combineerden ze hun metingen met geavanceerde computersimulaties van vloeibare ijzerhydride die druk, temperatuur en samenstelling koppelen aan dichtheid. Door deze onderdelen te combineren, concludeerden ze dat vloeibaar ijzer bij 3,4 gigapascal en 1400 kelvin ongeveer 0,17 gewichtsprocent waterstof kan bevatten.

Van laboratoriumcapsule naar planetaire kern

Vervolgens gebruikten de auteurs een aangepaste vorm van een klassieke wet, de wet van Sieverts, die koppelt hoeveel waterstof in metaal oplost aan de omringende waterstofdruk en temperatuur. Geankerd door hun experimentele resultaat berekenden ze hoeveel waterstof gesmolten ijzer zou kunnen opnemen aan de basis van een diepe magma‑oceaan onder een waterstofrijke vroege atmosfeer. Onder deze gunstige omstandigheden schatten ze dat kernvormend vloeibaar ijzer ongeveer 0,6 tot 0,7 gewichtsprocent waterstof had kunnen bevatten. Toen de kern later scheidde in een vloeibare buitenmantel en een vaste binnenbol, heeft waterstof een voorkeur voor de vloeistof, waardoor de buitenkern relatief rijker aan waterstof zou zijn dan de binnenkern.

Wat dit betekent voor het diepe inwendige van de Aarde

Met standaardmodellen van het inwendige van de Aarde zet het team deze percentages om in een opvallend voorraadbeeld: de kern zou 72 tot 87 keer zoveel waterstof kunnen opslaan als alle huidige oceanen samen. In hun scenario zou alleen de buitenkern 70 tot 85 oceaan‑equivalenten aan waterstof bevatten, terwijl de binnenkern een kleiner maar nog steeds aanzienlijk aandeel zou hebben. Zulke hoeveelheden kunnen meer dan de helft van het waargenomen dichtheidstekort van de buitenkern verklaren als waterstof het enige lichte element zou zijn. In werkelijkheid zullen vrijwel zeker ook andere elementen samen met waterstof aanwezig zijn, maar dit werk toont aan dat waterstof niet langer als een onbelangrijke factor kan worden beschouwd bij het vormen van de structuur en evolutie van het diepste deel van de Aarde.

Een nieuw stuk in het verhaal van het ontstaan van de Aarde

Voor de niet‑specialist is de kernboodschap dat de kern van de Aarde een enorme, verborgen voorraad waterstof kan zijn die het water aan het oppervlak evenaart of overtreft. Door waterstof direct te meten in gesmolten ijzer onder realistische condities in plaats van te vertrouwen op indirecte aanwijzingen, versterkt deze studie het idee dat de waterstofrijke atmosfeer en het gesmolten mantelpakket van de vroege Aarde grote hoeveelheden van het lichtste element in de vormende kern hebben gevoerd. Die stille voorraad waterstof beïnvloedt de planeet nog steeds via het effect op de dichtheid, dynamica en magnetische eigenschappen van de kern.

Bronvermelding: Takahashi, N., Sakamaki, T., Hattori, T. et al. Hydrogen in the Earth core inferred from neutron imaging and diffraction. Sci Rep 16, 14162 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-49969-z

Trefwoorden: Aardkern, waterstof in ijzer, neutronenexperimenten, magma‑oceaan, planetenvorming