De 14C-fabriek

Het laboratorium waarin het dateren gebeurt, doet in veel opzichten denken aan een fabriek ten tijde van de industriële revolutie, toen stoommachines nog werden ingezet. Zoals de fabrieken destijds de nijverheid verdreven, zo neemt het laboratorium wetenschappers uit de wijde omtrek tegenwoordig een groot deel van het dateerwerk uit handen, of is het in ieder geval een aanvulling op het werk dat zij verrichten. Het laboratorium werkt erg efficiënt: er kunnen per dag vele monsters worden gedateerd. Van der Plicht zegt hierover: “Het is eigenlijk een soort fabriek. Ze [andere wetenschappers, red.] sturen monsters op en verwachten een getal terug, maar hebben werkelijk geen idee wat erbij komt kijken.”

 

Isotopen
Het woord isotoop is een samenstelling van de Griekse woorden isos en topos, die respectievelijk gelijk en plaats betekenen. Isotopen hebben dus dezelfde plaats in het periodiek systeem: het zijn varianten van eenzelfde atoomsoort. Het verschil tussen isotopen zit in de atoomkern: zij hebben een gelijk aantal protonen, maar het ene isotoop heeft meer neutronen dan het andere. Zo heeft 13C, een isotoop van koolstof, één neutron minder dan 14C en dus ook een kleinere massa.

 

Elektriciteit tegen voetbal
 

Het laboratorium waar Van der Plicht werkt, verricht dateerwerk door middel van isotopenonderzoek. Voor de meeste metingen maakt men gebruik van het radioactieve 14C-isotoop. Dit gebeurt op verschillende manieren. Tot 1990 werd radiometrie ingezet om monsters te dateren. Omdat het 14C-isotoop radioactief is, verandert het na een tijdje in 14N, een isotoop van stikstof. Bij dit proces komt een elektron vrij, dat bij radiometrie in een telbuis een elektrisch stroompje veroorzaakt en hierdoor wordt geregistreerd. Naarmate een voorwerp ouder wordt, gaat er meer 14C verloren. Omdat bekend is hoe snel dit gebeurt, is het mogelijk de ouderdom vast te stellen. Hoewel deze methode erg nauwkeurig is, is hij niet perfect. Zo kost het proces erg veel tijd en is een relatief groot monster nodig. De eerder genoemde achttiende-eeuwse fabriek heeft nieuwe stoommachines aangeschaft om de concurrentie voor te blijven. In Groningen is men overgegaan tot het gebruik van een nieuwe methode om het meetproces te verbeteren. Deze methode heet AMS (Accelerator Mass Spectroscopy). Men maakt gebruik van het verschil in massa van de drie koolstofisotopen 12C, 13C en 14C. Het 14C-isotoop is zwaarder dan de andere koolstofisotopen, wat ervoor zorgt dat het bij versnelling een lagere snelheid krijgt dan de isotopen 12C en 13C. Dit is voor te stellen door in gedachten (voorzichtig) een trap te geven tegen een voetbal en een bowlingbal. Omdat de bowlingbal zwaarder is, rolt hij minder snel weg. Door de concentraties van de drie isotopen met elkaar te vergelijken, kan men bepalen hoe veel 14C verloren is gegaan en kan men dus de ouderdom vaststellen. Het apparaat waarmee dit gedaan wordt, is een zogenoemde massaspectrometer. De 14C-dateringsmethode is bijzonder gevoelig. Dit is noodzakelijk omdat deze isotoop in de natuur zeer zeldzaam is. “Als we het 14C met het aantal haren vergelijken dat alle mensen op hun hoofd hebben, dan komt dat overeen met bijvoorbeeld één haar op de hele wereldbevolking. Die ene haar kunnen wij nog detecteren met onze apparatuur,” aldus Van der Plicht. Door deze nauwkeurigheid kan tot zeer ver in het verleden gedateerd worden. Een nadeel van de 14C-methode is haar destructieve aard. De monsters die worden gebruikt, zijn na het proces niet langer geschikt voor musea. Als men bijvoorbeeld botten wil dateren, dan moet er een stukje vanaf gezaagd worden. Dat reduceer je tot collageen. Voor een museumeigenaar is dit vervelend: het staat niet zo mooi als zijn nieuwe mummie een vinger mist. Zelfs de 14C-dateringsmethode kent haar grenzen. Wanneer een voorwerp een bepaalde ouderdom bereikt, bevat het niet genoeg 14C meer om het te kunnen dateren. Van der Plicht liep ook tegen dit probleem aan: “In Siberië was een goed geconserveerde mammoet gevonden en men wilde weten hoe oud die mammoet was. Wij hebben gemeten dat de mammoet vijftigduizend jaar oud is of ouder. Veel verder kunnen we niet teruggaan. Hij kan dus ook honderdduizend jaar oud zijn. Vijftigduizend jaar is ongeveer de meetgrens, daarna zit je in een ruis.” Als een voorwerp dus ouder dan vijftigduizend jaar is, kan de ouderdom niet meer vastgesteld worden door middel van de 14C-dateringsmethode.

 

Koolstofdatering
De techniek om de ouderdom van een voorwerp door middel van de aanwezige hoeveelheid 14C te bepalen, is in 1949 door W. F. Libby en zijn medewerkers ontdekt en toegepast. De vele complicerende factoren, waardonder de schommelingen van de 14C-concentratie in de atmosfeer, waren bij hen echter aanvankelijk onbekend. Hiernaar heeft de Groningse H. L. de Vries in de jaren vijftig zeer belangrijk onderzoek verricht. Dit stelde hem in staat om nauwkeuriger metingen te doen dan Libby zelf. Later is hij ook wel ‘de miskende held van koolstofdatering’ genoemd. Nadat Libby in 1960 de Nobelprijs voor zijn ontdekking had ontvangen, deden geruchten de ronde dat hij deze met De Vries zou hebben moeten delen, als deze niet een jaar eerder zou zijn overleden.

 

Sediment in Japan
De analogie met de fabriek kan nog verder voortgezet worden. Voordat een machine in gebruik kon worden genomen, moest zij eerst worden afgesteld. Ook in Groningen heeft men hiermee te maken. Als uit een ruwe meting blijkt dat een bot van een mammoet dertigduizend jaar oud is, moet er eerst een correctie worden aangebracht om tot de werkelijke ouderdom te komen. Dit komt doordat de 14C-concentratie in de loop der jaren in de natuur verandert. Als de atmosfeer een paar eeuwen geleden meer 14C zou bevatten dan nu, dan zou een voorwerp van toen te jong worden gedateerd. Er lijkt dan immers minder 14C uit het voorwerp te zijn verdwenen dan in werkelijkheid het geval is. De 14C-concentratie is afhankelijk van verschillende factoren die niet constant zijn. Een voorbeeld hiervan is de fluctuatie in activiteit van de zon. Ook menselijke factoren kunnen van invloed zijn: in de jaren zestig is de 14C-concentratie verdubbeld door de kernproeven die toen plaatsvonden. Van dit laatste hebben archeologen nu gelukkig nog geen last, maar over enkele eeuwen moet hiermee wel rekening worden gehouden. Om deze concentratieschommelingen in kaart te brengen, is het maken van een ijkgrafiek een vereiste. Een treffend voorbeeld van het maken van een ijkgrafiek uit de onderzoeken waarbij Van der Plicht betrokken is geweest, is het onderzoek naar het Suigetsumeer in Japan. Hij is hier naar eigen zeggen ‘door toeval ingerold’, toen zijn Japanse collega, de heer Kitagawa, hem op een congres benaderde. Deze had onderzoek gedaan naar dit meer en had hierbij ontdekt dat de laagjes sediment die in de loop der millennia waren afgezet, bruikbaar waren voor het maken van een ijkgrafiek. Het maken van de ijkgrafiek bleek een minutieus werk. De wetenschappers moesten met een bootje het Suigetsumeer op om sediment te verzamelen. Dit boren ging ongeveer net zo te werk als het winnen van aardgas, maar dan met een aardwetenschappelijk instrument. De jaren die zijn verstreken sinds het eerste laagje sediment, zijn van elkaar te onderscheiden, net als boomringen. Dit wordt veroorzaakt doordat de verschillende seizoenen de samenstelling van het sediment beïnvloeden; zo ontstaan laagjes. Deze laagjes zijn geteld en van ieder afzonderlijk laagje is de 14C-concentratie bepaald. Dit leverde een van de eerste ijkgrafieken op die vijftigduizend jaar teruggaan in de tijd op.

 

 

Toen echter het onderzoek op dit gebied vorderde en er nieuwe ijkgrafieken werden gemaakt, bleek dat de ijkgrafiek van het Suigetsumeer niet overeenkwam met de andere: de dateringen waren te jong. Van der Plicht legt dit als volgt uit: “Stel je voor, er was op een gegeven moment, twintigduizend jaar geleden, een aardschok, dan ben je daar bijvoorbeeld ineens tweeduizend jaar kwijt omdat je een stukje sediment mist.” Op deze manier wordt de fout groter naarmate je verder teruggaat in de tijd, omdat er steeds meer stukjes ontbreken.

Dit probleem zou kunnen worden opgelost door meerdere boringen te verrichten. Zo kunnen de hiaten worden opgespoord en kunnen de resultaten met elkaar worden gecombineerd, zodat een verbeterde grafiek ontstaat.

Net als de achttiende-eeuwse fabriek hebben ook wetenschappers te maken met een budget. De kosten van één boring werden geschat op honderdduizend euro, waardoor het onmogelijk was dit te herhalen. Van der Plicht vertelt echter dat een aantal maanden geleden een vervolgonderzoek van Engelse en Japanse collega’s met meerdere boringen gehonoreerd is. Ondanks de genoemde tekortkomingen en andere, nieuwe onderzoeken, staat de oorspronkelijke ijkgrafiek echter nog steeds als een ‘key paper’, zoals Van der Plicht dit uitdrukt.

Het viseffect
Een van de ergste dingen voor de eigenaar van de fabriek zou sabotage door de concurrent zijn geweest. Ook bij 14C lijkt het er soms op dat er een saboteur in het spel is: Moeder Aarde wil niet dat de mensheid al haar geheimen onthult. Dit blijkt uit een gevonden menselijk bot met daarin een pijlpunt. Toen beide voorwerpen werden gedateerd, bleek uit de ruwe datering dat het bot vierhonderd jaar ouder was dan de pijlpunt. Er zou dus vierhonderd jaar moeten zitten tussen de datum van overlijden en het maken van de pijlpunt. Een betere verklaring hiervoor is het reservoireffect, dat ook wel bekend staat als het viseffect. Dit effect treedt op wanneer oud water met een lage 14C-concentratie zich mengt met jonger water dat een hogere concentratie heeft. Organismen die koolstof uit het water opnemen, krijgen zo, net als het water zelf, een lagere 14C-concentratie dan de atmosfeer. Als deze organismen worden gedateerd, is een correctie met een ijkgrafiek niet voldoende om tot een betrouwbare datering te komen. Ook de mate waarin het viseffect van invloed is moet namelijk bekend zijn. Bij het gevonden bot was dit nog iets ingewikkelder. Omdat de mens geen zeedier is, heeft alleen het eten van voedsel met een te lage 14C-concentratie invloed op zijn datering. Het betreffende bot is gevonden bij de Donau, wat het waarschijnlijk maakt dat dit mens een visrijk dieet gehad heeft tijdens zijn leven.

Lijm en tabak
We keren weer terug naar de industriële revolutie en naar de fabriek. Natuurlijk konden ook de grondstoffen in de fabriek verontreinigd zijn. De vezels die verwerkt moeten worden tot katoen, bevatten nog onzuiverheden. Ook bij dateren wijst Van der Plicht verontreiniging aan als een veelvoorkomend probleem. Gelukkig kunnen de chemici dit in hun laboratorium vaak oplossen met behulp van slimme scheikundige reacties die de onnodige stoffen van het monster verwijderen. Een mooi voorbeeld van verontreiniging, afkomstig uit het repertoire van Van der Plicht: “Waarom vind je altijd tabak bij je houtskool? Omdat er een Syriër bij heeft staan roken.” De chemici zijn in staat om de tabak te verwijderen, maar helaas is dit niet bij elke verontreiniging het geval, bijvoorbeeld wanneer een museum lijm gebruikt om een gebroken bot te repareren. Als een museum na deze behandeling een datering wil laten uitvoeren, leidt dit tot problemen. Lijm bevat namelijk collageen; dit is precies de stof waarin de monsters in het laboratorium worden omgezet tijdens het proces waarbij deze geschikt worden gemaakt voor 14C-analyse. Soms kan de lijm van het monster worden verwijderd, maar dit is helaas niet altijd het geval. Het monster is dan niet geschikt voor datering.

Paul was here
De overgang van nijverheid naar industrie bleek gepaard te gaan met verzet van mensen die terugverlangden naar vroegere tijden. Ook 14C stuit soms op verzet van andere wetenschappers, omdat zij de resultaten niet willen aanvaarden. In de Ardèche zijn enige tijd geleden grotschilderingen gevonden die bij datering dertigduizend jaar oud bleken. Het artistieke niveau van deze tekeningen was zo hoog, dat door de archeologen aan de datering werd getwijfeld. Van der Plicht herinnert zich nog de reactie van een van hen: “Je had er net zo goed een Van Gogh tegen kunnen komen.” Sceptici hadden naast het onwaarschijnlijke talent van de kunstenaars twee redenen om aan de datering te twijfelen. Ten eerste vermoedden zij dat de datering niet klopte door verontreiniging van het monster door calciumcarbonaat. Deze stof zit namelijk in druipsteen, dat veel voorkomt in de grot. De schilderingen waren dan ook hiermee bedekt. Calciumcarbonaat bevat koolstofatomen en die zouden bij het dateren worden meegenomen. Dit hadden Van der Plicht en zijn collega’s al voorzien. Daarom hadden zij het calciumcarbonaat al verwijderd van het monster, met als gevolg dat dit argument van de sceptici onjuist is. Als tweede reden voerden sceptici de mogelijkheid aan dat de houtskool waarmee de tekeningen waren gemaakt, al millennia in de grot lag. Een van hen illustreerde dit volgens Van der Plicht als volgt: “Als ik nu die grot binnenloop en ik pak wat houtskool en ik schrijf: ‘Paul was here’, dan lijken mijn tekeningen nu ook dertigduizend jaar oud.” Ook op deze kritiek had Van der Plicht een antwoord. Er was namelijk door beren over de tekeningen heen gekrast. Van deze beren zijn ook botten gevonden die bij datering dertigduizend jaar oud bleken te zijn. Aangezien dieren deze tekeningen niet hebben gemaakt, moeten de kunstenaars ook uit die tijd komen, wat ook dit argument weerlegt.

De kosten van vooruitgang
Net als de industriële revolutie is het dateren met isotopen dus een vooruitgang, en zoals altijd is er ruimte voor verbetering. Niet elk monster is geschikt voor analyse en er moet ook rekening worden gehouden met andere factoren. Naast deze aspecten van het productieproces die de werkplaats van Van der Plicht enigszins doen lijken op een achttiende-eeuwse fabriek, is er nog een kenmerk van belang voor de vergelijking. Het bestaan van het Groningse laboratorium is namelijk een relatief nieuwe ontwikkeling die een belangrijke verandering heeft teweeggebracht in het beeld van de archeologie. In tegenstelling tot de fabriek is wetenschap geen proces dat wordt gedreven door verlangen naar rijkdom. De belangrijkste brandstof is de wetenschappelijke motivatie van de wetenschapper die niet voortkomt uit geldzucht zoals in het bedrijfsleven vaak het geval is, maar uit interesse en ambitie. Dit moet een situatie voorkomen, zoals ten tijde van de industriële revolutie, toen arbeiders werden uitgebuit. In Groningen is men dan ook maar al te graag bereid een – vaak buitenlandse – collega met een klein budget een handje te helpen. In sommige gevallen komen de kosten van het analyseren namelijk overeen met het maandsalaris van deze collega. In zulke gevallen kan Van der Plicht de meting uitvoeren zonder de kosten in rekening te brengen, uit pure interesse en natuurlijk als vriendendienst. Door deze vorm van ontwikkelingshulp houdt de fabriek een menselijke factor.

 

Prof. dr. ir. J. van der Plicht
Na enkele jaren in de Verenigde Staten te hebben gewerkt, is Van der Plicht sinds 1986 werkzaam in Groningen als isotopenonder-zoeker. Hij was hier betrokken bij de aanschaf van de voor AMS gebruikte deeltjesversneller rond 1990. Vanaf 2005 is hij tevens bijzonder hoogleraar isotopen archeologie in Leiden.