Onderzoek

Met argusogen kijken naar de ‘kampioen van de zuinigheid’


HID-lamp/Lennart Wesel
Foto/Gerrit Kroesen


De lampencarrousel waarin de HID-lampen getest worden in de ruimte.

2,2 miljoen euro lijkt veel geld om een paar lampen te testen in de ruimte. Maar volgens prof.dr. Gerrit Kroesen van de faculteit Technische Natuurkunde is dat geld straks in een kleine dag terugverdiend. De High Intensity Discharge (HID) -lamp is namelijk twee keer zo efficiënt als de zuinigste witte lamp van dit moment en kan dus enorme maatschappelijke besparingen opleveren. Het maken van de hardware voor de proefopstelling in de ruimte was een heksentoer. De ruimtevaartindustrie keek dan ook met argusogen naar de Gemeenschappelijke Technische Dienst van de TU/e, die de hardware maakte voor de ruimtevlucht.

Zeus, de oppergod uit de Griekse mythologie, had drie cyclopen die de bliksem voor hem smeedden. Een van hen heette Arges, ‘de stralende’. Kroesen leende zijn naam voor zijn project met de HID-lamp. Alle benodigdheden voor het project met de plasmalamp werden reeds op 29 januari de ruimte ingeschoten. De Nederlandse astronaut André Kuipers, die het experiment zal gaan bedienen, volgde afgelopen maandag, 19 april. “Als je maar lang genoeg puzzelt, heb je een acroniem gevonden”, zegt Kroesen over de naam van het project. En zo kwam hij tot ARGES: ‘Atomic densities measured Radially in metal halide lamps under microGravity conditions with Emission Spectroscopy’. De naam ARGES verwijst ook naar de camera die de HID-lamp observeert: een goedkope, gestripte Philips webcam. Onderin de ARGES-opstelling jakkert een koelventilator, afkomstig uit een kruimeldief. Tot zover de lowtech. Want de lamp waar het allemaal om draait is, geen glazen, vacuüm gezogen bol met een draadje wolfraam, maar een High Intensity Discharge-lamp.
De laptop bovenop de proefopstelling toont een soort komeet: een witte kop met een groenkleurige staart. Het is een horizontaal gekantelde HID-lamp. Het witte licht wordt uitgestraald door het zout disposium, terwijl kwik verantwoordelijk is voor het groene licht. HID-lampen genereren licht door elektrische stroom door een mengsel van gas en zouten te sturen en dat doen ze zeer efficiënt. De HID-lamp zet veertig procent van de elektrische energie om in licht en is daarmee tienmaal zuiniger dan de traditionele gloeilamp en twee keer zo zuinig als een tl-buis of spaarlamp. Kroesen: “De HID-lampen zijn de kampioenen van de zuinigheid”.
De HID-lamp is niet helemaal nieuw. Benzinestations en grote gebouwen baden in HID-licht en volgens Kroesen verlicht een ‘drieletterig Duits automerk’ de wegen soms ook al met HID-koplampen. Wie zo’n Duitser als tegenligger heeft ontmoet, weet dat het licht niet bepaald aangenaam oogt: een koud, blauw en soms verblindend schijnsel. Kroesen: “Als licht aangenaam wil zijn voor het oog moet het gehoorzamen aan de stralingswet van Planck. Het licht moet lijken op een verhit voorwerp. Een staalspijker gloeit bij zevenhonderd graden rood op en bij duizend graden wordt hij wit. De kern van een HID-lamp wordt zo heet (vijfduizend graden -red.) dat het licht niet lijkt op een verhitte, vaste stof.” Toch kan een HID-lamp alle kleuren uit het spectrum produceren en netjes aan de stralingswet van Planck voldoen, zegt Kroesen. “Het hangt af van de zouten in de lamp. De lampenfabrikant kan gemakkelijk zorgen voor een aangenaam oplichtend mengsel.”
Als de HID-lamp ook in kantoren, in woonkamers, in grote hallen, in voetbalstadions en voor wegverlichting gebruikt zou kunnen worden, zou dat enorme besparingen opleveren. “Lichtgebruik is goed voor veertig procent van de nationale energierekening. Ik heb het uitgerekend en met de HID-lamp kan de maatschappij in totaal vijf procent aan elektriciteit besparen”, zegt Kroesen. Voordat de HID-lamp alle lagen van de maatschappij kan verlichten, moeten nog wel wat kinderziektes overwonnen worden. Want wie geen bouwlamp op zijn bureau wil, zal een HID-lamp met een lager vermogen moeten gebruiken. Kroesen: “Regelmatig doet zich het probleem voor van ontmenging van de verschillende gassen. Dat heeft tot gevolg dat de lamp niet gelijkmatig brandt en storende kleurverschillen optreden. Een ander probleem is de
helische instabiliteit, waarbij een spiraalvormige worm van plasma om zijn eigen as draait en de lamp gaat flikkeren”.
Om de ontmenging -waarbij de lamp dus als een komeet oplicht- goed te onderzoeken, mag Kroesens project de ruimte in met de Delta-vlucht van de European Space Agency (ESA). “In de ruimte is geen zwaartekracht en dus ook geen convectie, waarbij deeltjes door de warmte opstijgen en door elkaar worden geroerd. Dat ‘roeren’ maskeert het proces van ontmengen en destabiliseren van het plasma. In de ruimte kunnen we die processen ongehinderd door zwaartekracht bestuderen.”
Die zwaartekracht is ook te overwinnen tijdens een zogeheten paraboolvlucht. Kroesen en Kuipers hebben zulke vluchten gemaakt met de proefopstelling. Kroesen: “Ze noemen het ook wel ‘vomit flights’: alles komt omhoog. Eenderde van de mensen wordt ziek tijdens zo’n vlucht. Er waren heel veel papieren zakjes aan boord”. Bij een paraboolvlucht trekt een Airbus A300 in een hoek van 45 graden op, om vervolgens met stationair draaiende motor een duikvlucht te maken. Kroesen: “Tijdens de val heb je zo’n twintig seconden om de HID-lamp onder gewichtloosheid te testen, maar dat is eigenlijk veel te kort. In het International Space Station heb je alle tijd om de verschijnselen te onderzoeken”.
Om zijn proefopstelling de ruimte in te krijgen, heeft Kroesen veel papierwerk moeten doen. “Ik heb er nog net geen RSI van gekregen.” Vooral de veiligheid is een heet hangijzer. “Zowel het ISS als de astronauten mag geen haar gekrenkt worden”, zegt Kroesen. Ook gewicht speelt een rol. Kroesens opstelling -bestaande uit twintig lampen, een carrousel, een camera en een spectrometer- is met 23,5 kilo het zwaarste experiment dat voor deze ruimtemissie van André Kuipers, die de naam Delta heeft gekregen, de ruimte in is gegaan. En gewicht is kostbaar op een ruimtevlucht: per kilo upload betaalt de afzender -de Nederlandse regering- dertigduizend euro.

GTD
Kroesen deed een groot beroep op de Gemeenschappelijke Technische dienst (GTD) van de TU/e, die bijna een kwart van haar capaciteit gedurende een jaar inroosterde voor ARGES. “Normaliter worden dit soort installaties ontworpen door gespecialiseerde bedrijven als Stork, Fokker Space en Daimler Aerospace. We hebben wel contact gehad met die bedrijven, maar uiteindelijk hebben we besloten het binnen de universiteit te houden, omdat dat de enige haalbare optie bleek om alles op tijd en in goede orde af te krijgen. Dat het uiteindelijk is gelukt, is een hele prestatie want de eisen om een installatie in het ISS te krijgen, zijn extreem hoog. De specificaties kregen we druppelsgewijs en vaak te laat binnen. De ruimtevaartindustrie is dan ook onder de indruk van de kwaliteit en het vernuft en kijkt met argusogen naar de GTD. De dienst zou, mits in het bezit van een ESA-certificaat, zo aan het werk kunnen voor de ruimtevaartindustrie. Of ze dat gaan doen, is de vraag, maar het kan commercieel heel interessant zijn”, zegt de hoogleraar.
Kroesen beschouwt de ruimtevlucht niet als het hoogtepunt van zijn wetenschappelijke carrière, want die is nog lang niet afgelopen. “Maar het is wel de bekroning van een heel extreem zwaar, maar ook fantastisch jaar.”/.

De HID-lamp

In een HID-lamp zit gedeeltelijk geïoniseerd gas (plasma) bijeengehouden door een keramisch omhulsel, de zogeheten burner. De wandtemperatuur van een burner varieert tussen de achthonderd en duizend graden Kelvin. De burner wordt bevestigd in een buitenballon van glas of kwarts, die gevuld is met een inert gas zoals stikstof, of die vacuüm is. Meestal is de burner gevuld met een paar milligram kwik en een aantal brokjes zout. Bij de hoge temperaturen die de lamp bereikt bij het branden, verdampt het kwik volledig en bereikt het een druk van tien tot dertig bar. Het zout -meestal een mengsel van natriumjodide en andere metaaljodiden- verdampt niet volledig en bereikt meestal een druk van vijf tot vijftig millibar. Het gas binnen de burner bestaat dus vooral uit kwikdamp. Vanwege de hoge kerntemperatuur van het plasma in de burner (vier- tot vijfduizend graden Celsius), wordt licht gegenereerd door aangeslagen atomen en moleculen. Hoewel het kwik zorgt voor het grootste deel van de gasdruk, wordt het meeste licht geproduceerd door de metaalatomen van het zout. Door verschillende soorten zoutmengsel te nemen, kan de kleur van de lamp worden veranderd.

Foto’s: Philips Lighting