Er zit water in de lucht, al zie je het niet. Een klein deel van de lucht om ons heen bestaat uit waterdamp, die pas zichtbaar wordt wanneer druppels ontstaan: als de damp condenseert. Dat gebeurt in wolken, die uitregenen zodra de gevormde waterdruppels te groot worden om te blijven zweven. Als het ’s avonds afkoelt, slaat ditzelfde vocht neer in de vorm van dauw. Koelt het nog meer af, dan bevriezen deze druppels zelfs en vormt het rijp. Iedereen kan dit om zich heen zien gebeuren, maar op de vraag wanneer waterdamp dan besluit om druppels te vormen, moeten leken zonder uitzondering het juiste antwoord schuldig blijven, vertelt Vincent Holten (27). “De meesten denken dat water condenseert als de temperatuur onder de honderd graden daalt, maar dat is onjuist.”

Ook bij kamertemperatuur bevat de lucht namelijk nog ongeveer twee procent water. Wel is die hoeveelheid waterdamp afhankelijk van de temperatuur. “In schoolboekjes staat vaak dat warme lucht meer water kan opnemen dan koude, maar dat is echt onzin. De lucht heeft er helemaal niets mee te maken, een vacuüm kan net zoveel water bevatten. Het gaat echt alleen maar om de temperatuur.” De samenstelling van het medium (lucht of een ander gas) heeft pas invloed op het condensatiegedrag van waterdamp bij hoge drukken, vertelt Holten. “Water condenseert onder hoge druk iets sneller in de omgeving van methaan of kooldioxide. Voor mijn onderzoek is dat van belang, maar in het dagelijks leven speelt het geen rol.”

Niet alleen schoolboekjes en leken weten weinig van condensatie van water. Ook voor de wetenschap heeft dit ogenschijnlijk simpele proces nog altijd vele geheimen. Terwijl het toch heel handig kan zijn om precies te begrijpen hoe regenwolken ontstaan. En voor exploitanten van aardgas is het van belang te weten hoe je het efficiëntst waterdamp uit het gas kunt verwijderen. Holten: “Waterdamp kan zorgen voor corrosie van pijplijnen, of het kan condenseren en dan naar de laagste punten van het leidingensysteem vloeien en daar de doorstroming van gas belemmeren. Bovendien zorgt het voor een verlaging van de energie die vrijkomt bij de verbranding van het gas.”

Je kunt waterdamp (en de eveneens ongewenste gassen kooldioxide en waterstofsulfide) verwijderen door plotseling de temperatuur van het gas te verlagen. Daardoor condenseert de waterdamp tot een fijne mist, die met een soort centrifuge uit het gasmengsel wordt geslingerd. Industrieel gezien staat deze methode nog in de kinderschoenen, maar aan de TU/e wordt hieraan onderzoek gedaan door zowel Holten en zijn collega’s (de vakgroep Mesoscopic Transport Phenomena van de faculteit Technische Natuurkunde) als door de groep van prof.dr. Bert Brouwers van Werktuigbouwkunde. De snelste manier om de temperatuur te laten afnemen, is door de druk abrupt te verlagen. “Dan kun je een gas in een fractie van een seconde afkoelen van kamertemperatuur tot dertig à zeventig graden onder nul.”

De waterdruppeltjes die zich dan vormen, bevriezen overigens niet. Terwijl je dat toch zou verwachten bij temperaturen ver onder het vriespunt. Dat komt volgens Holten doordat water een beginnetje nodig heeft om te bevriezen, een nucleatiepunt. Hetzelfde geldt voor condensatie; het samenklonteren van een paar watermoleculen kost energie en is dus een onwaarschijnlijk proces. Pas als er een cluster ontstaat met enkele tientallen moleculen is het voordelig voor de watermoleculen om door te groeien tot echte druppels. Dat proces wordt vergemakkelijkt door de aanwezigheid van een oppervlak (vandaar de condensvorming op autoruiten en brilglazen), maar ook door stofdeeltjes (die een belangrijke rol spelen bij de vorming van wolken).

Om de vorming van druppeltjes uit waterdamp tot in detail te bestuderen, maakte Holten gebruik van een zogeheten golfbuis, uitgerust met een laser voor de detectie van waterdruppeltjes. In de buis kan hij het gas snel laten uitzetten en afkoelen, zodat waterdruppeltjes ontstaan die vervolgens gaan groeien. “Als je wilt weten hoe snel de druppels groeien, mogen op een gegeven moment geen nieuwe druppels worden gevormd en mogen ze ook niet verdampen. Daarvoor verhogen we de druk weer iets na de oorspronkelijke expansie. Hierdoor stijgt de temperatuur net genoeg om de vorming van nieuwe druppels tegen te gaan, maar niet zoveel dat de druppels weer verdampen. Met een laser beschijnen we vervolgens het gas met de druppels die daarin zweven. Uit het doorgelaten en gereflecteerde licht kunnen we afleiden hoeveel druppels er zijn en hoe groot ze zijn.”

Holten deed experimenten met nauwkeurig afgewogen hoeveelheden waterdamp in heliumgas en in methaangas. “De heliumexperimenten waren om de eigenschappen van het water zelf te bekijken: helium is daarvoor een ideaal gas, omdat het geen invloed heeft op het water.” De metingen met methaan -het hoofdbestanddeel van aardgas- waren onderdeel van een samenwerking vertegenwoordigers van de Nederlandse aardgasindustrie, die zeer geïnteresseerd zijn in de condensatie-eigenschappen van het water in hun aardgas.

Door middel van de tijdrovende metingen achterhaalde Holten de kritische grootte waarboven de clusters van watermoleculen doorgroeien tot druppels, tot in detail: “In methaan ligt de grens op clusters van 22 watermoleculen en 5 methaanmoleculen”, zegt hij trots. Hij is echt gegrepen door het supergekoelde water (vloeibaar, maar onder het vriespunt) dat hij bestudeert. “Het heeft echt fascinerende eigenschappen: supergekoeld water kan razendsnel bevriezen zodra een nucleatiepunt ontstaat. Daar zijn prachtige filmpjes van te zien op internet.” Enthousiast: “Zoek maar eens op de Engelse term, ‘supercooled water’.” (TJ)/.