Koolstof is een essentieel element voor het leven op aarde en vormt de basis van alle organische moleculen. Het is ook een van de meest voorkomende elementen in de ruimte. Ongeveer 20% van de koolstof in de ruimte bestaat in de vorm van polycyclische aromatische koolwaterstoffen (PAK's). Dit zijn moleculen die bestaan uit aaneengesloten ringen van koolstofatomen.

PAK's zijn bijna overal in de ruimte aangetroffen, ook in gebieden waar sterren en planeten ontstaan. Ze zouden zelfs een rol kunnen hebben gespeeld bij het ontstaan van leven op aarde. Daarom onderzoekt Alessandra Candian, universitair docent astrochemie aan de UvA, deze moleculen: ‘In mijn onderzoek bestudeer ik hoe PAK's ontstaan en evolueren en of ze op natuurlijke wijze op een planeet terecht kunnen komen.’

Niet alle soorten PAK’s in de ruimte kunnen echter momenteel worden geïdentificeerd. In een nieuw MMD TechHub-project werkt Candian samen met Wybren Jan Buma, hoogleraar moleculaire spectroscopie, en Daniela Huppenkothen, universitair docent astronomie en datawetenschap.

Ze zullen machine learning gebruiken om de infraroodspectra van grote PAK’s te voorspellen, om zo hun detectie in de ruimte makkelijker te maken. Ze zullen ook onderzoeken of deze methode kan worden ingezet voor milieuonderzoek, aangezien PAK’s een bron van vervuiling op aarde zijn.   

Grote moleculen onderscheiden

Dankzij steeds geavanceerdere infrastructuur, zoals de James Webb-ruimtetelescoop, hebben astronomen nu meer mogelijkheden om koolstofmoleculen in de ruimte te bestuderen. Recentelijk hebben onderzoekers van het Nederlandse Astrochemie Netwerk een manier gevonden om infraroodspectra van PAK's met hoge precisie te berekenen. Voor grote PAK-moleculen is de rekentijd echter te lang.

Om dit probleem aan te pakken, willen de UvA-onderzoekers machine learning gebruiken om het infraroodspectrum van PAK-moleculen te voorspellen op basis van hun vorm. Candian legt uit: ‘We gebruiken een bestaande database met spectra van kleine PAK's en proberen hun vorm en grootte te koppelen aan hun spectroscopische eigenschappen met behulp van machine learning. Dit kunnen we vervolgens gebruiken om de spectra van grotere moleculen te voorspellen.’ Ze zullen deze voorspellingen in het lab verifiëren.

Veelzijdige moleculen

PAK-moleculen spelen ook op aarde vele belangrijke rollen. Sommige PAK's zijn een bijproduct van onvolledige verbranding, die optreedt wanneer brandstof verbrandt met weinig zuurstof. Zo kan de aangebrande korst van gegrild vlees bijvoorbeeld PAK's bevatten. Deze moleculen zijn kankerverwekkend en een bron van luchtvervuiling, dus milieuchemici zouden spectrale informatie uit dit onderzoeksproject kunnen gebruiken om PAK's in het milieu op te sporen.

PAK's worden ook gebruikt als basis voor OLED's in digitale displays. Het grootste PAK-achtige molecuul dat in de ruimte is gedetecteerd, de niet-kankerverwekkende 3D-fullereen, zou zelfs in de geneeskunde kunnen worden toegepast als medicijndrager. Hiermee kunnen medicijnen naar een specifiek deel van het lichaam getransporteert worden om een ziekte te behandelen. Het bestuderen van PAK's kan daarom leiden tot verrassende nieuwe inzichten in deze onderzoeksgebieden.

Geduld en samenwerking

Daarom is het belangrijk om toepassingen in vakgebieden buiten de astronomie in de gaten te houden. Candian: 'Als je interdisciplinair onderzoek wilt doen, moet je een specifieke denkwijze ontwikkelen.' Samenwerking tussen disciplines kan in het begin een uitdaging zijn, omdat onderzoekers vaak "verschillende talen spreken". Het kost tijd om vertrouwen op te bouwen en een gedeeld begrip te creëren. Zodra die basis er is, kunnen onderzoekers samen echter veel meer bereiken, merkt Candian op.

De impact van astronomisch onderzoek is groot, maar volgens Candian is dat niet altijd meteen duidelijk. ‘Ik denk dat het bij astronomisch onderzoek een kwestie van geduld is. Bij meer toegepast onderzoek pak je vaak een specifiek probleem aan en krijg je een verwacht resultaat. Bij astronomie kan het langer duren, maar de impact kan groter zijn. Waar zouden we nu zijn zonder GPS?’

Behouden wat je hebt

Candian hoopt in de toekomst een specifiek PAK-molecuul te kunnen identificeren en de levenscyclus ervan door de kosmos te kunnen volgen. Dit zou nieuwe inzichten kunnen bieden in de evolutie van koolstofmoleculen en hoe ze in biologisch leven terechtkomen.

Ze wil ook graag met milieuwetenschappers in gesprek gaan om andere toepassingen van hun methode buiten de astronomie te verkennen. ‘Als je astronomisch onderzoek doet, kijk je heel ver weg,’ zegt Candian. ‘Maar soms zet dat je aan het denken over je eigen planeet, en besef je hoe bevoorrecht je bent en hoe belangrijk het is om te behouden wat je hebt.’