spacer.png, 0 kB
Volg Cursor via Twitter Volg Cursor via Facebook Cursor RSS feed
spacer.png, 0 kB

spacer.png, 0 kB
Sluitstuk

Dode hoek overleven door sensorsysteem
Cursor in PDF formaatCursor als PDF
    PrintE-mail Tweet dit artikel Deel dit artikel op Facebook
    Mysterieus schijnsel op verre planeten
    27 januari 2011 - Streamers zijn kortstondige, zwakke ontladingen die voorafgaan aan vonken en bliksems. In de natuur komen ze voor hoog boven onweerswolken, maar promovendus ir. Sander Nijdam (Technische Natuurkunde) wekte deze ontladingen eigenhandig op in het lab. Onder andere in de nagebootste atmosfeer van Venus en Jupiter. Hij promoveert op donderdag 3 februari.
    Sander Nijdam. Foto | Bart van Overbeeke

    Boven onweerswolken is soms een fractie van een seconde lang een mysterieuze, oranjerode gloed te zien. Hoewel de Schotse Nobelprijswinnaar Wilson dit vluchtige optische verschijnsel al in 1925 voorspelde, duurde het tot 1989 voordat het licht voor het eerst op de gevoelige plaat werd vastgelegd. Het bleek te gaan om kilometerslange streamers; zich razendsnel voortplantende ionisatiekanalen die onder de juiste omstandigheden ook het pad effenen voor bliksem. Enkele jaren na de ontdekking noemde men deze kortstondige, kleurrijke fenomenen 'sprites', naar een karakter uit Shakespeares Midsummer Night's Dream.

    Sprites komen waarschijnlijk niet alleen op aarde voor. Afgelopen jaar legde ruimtesonde Cassini-Huygens voor het eerst buitenaardse bliksems vast in de atmosfeer van Saturnus, wat betekent dat er mogelijk ook sprites te vinden zijn. Ook op Venus en Jupiter verwacht men sprites aan te treffen en de kenmerken van deze streamers kunnen ons meer vertellen over de omstandigheden op deze planeten. Dat was een van de vele redenen voor promovendus Sander Nijdam om streamers te onderzoeken in het lab.

    "Er wordt heel weinig experimenteel onderzoek gedaan naar dit fenomeen", vertelt Nijdam. "Dat komt omdat de geofysici die zich hiervoor interesseren geen traditie hebben van experimenten, alleen van waarnemen en modelleren." Nijdam wekte de afgelopen jaren talloze streamers op in een vacuümtank, gevuld met gassen van verschillende druk en samenstelling. Zo onderzocht hij onder meer mengsels van kooldioxide en stikstof (de atmosfeer van Venus), en helium en waterstof (Jupiter).

    Niet alleen weerkundigen zijn geïnteresseerd in streamers. Omdat elke vonk door een streamer wordt voorafgegaan, is kennis hiervan relevant voor de veiligheid van elektrische systemen. Bovendien hebben streamers diverse nuttige toepassingen. Zo worden in de Coronareactor van de faculteit Electrical Engineering streamers benut om lucht in verkeerstunnels en varkensstallen te zuiveren, kun je oppervlakken waterafstotend maken en ozon produceren met streamers. Nijdam: "Je kunt ook streamers opwekken op de wieken van windmolens of op vliegtuigvleugels. Daarmee kun je de luchtstroom vlakbij het vleugeloppervlak beïnvloeden. Dat maakt dat windmolens inzetbaar zijn in een groter bereik aan windsnelheden."

    Streamers zijn op te wekken door een groot spanningsverschil aan te brengen tussen twee elektroden. Als de elektrische veldsterkte hoog genoeg is, vindt er een 'doorslag' plaats: er vormt zich een plasmakanaal, waarin elektronen zich hebben losgemaakt van hun moleculen. Om dit kanaal heen ontstaat een elektrisch geladen schil. De positief geladen kop van de streamer trekt vrije elektronen uit zijn omgeving aan die door het ionisatiekanaal naar het beginpunt van de ontlading bewegen. Na verloop van tijd kan het plasma in de streamer opwarmen en kan een vonk ontstaan die gepaard gaat met een lichtflits. Maar in vonken was Nijdam niet geïnteresseerd: "Ik heb met opzet heel korte spanningspulsen gemaakt, want zodra er een vonk ontstaat, zou die onze gevoelige camera beschadigen."

    Die camera leverde prachtige plaatjes op, met stereofotografie zelfs in 3D. De vorm van de streamers blijkt afhankelijk van de samenstelling van het gasmengsel, maar meer nog van de druk. Nijdam: "De druk is heel belangrijk. Hoe hoger de druk, hoe kleiner de diameter van de vingers van de streamers. Maar bij dezelfde druk lijken streamers in allerlei verschillende gassen verbazingwekkend veel op elkaar. Het bleek dan ook in alle onderzochte gassen mogelijk om streamers op te wekken."

    Dat laatste was op voorhand niet vanzelfsprekend. Het was namelijk bekend dat streamers vrije elektronen in de omgeving van de kop nodig hebben om zich te kunnen voortplanten. In lucht zijn deze vrije elektronen altijd voorradig: dat komt doordat de aanwezige zuurstof wordt geïoniseerd door UV-straling die wordt uitgezonden door stikstof in de streamerkop. Hierdoor creëert de streamer in lucht als het ware zijn eigen vrije elektronen. Maar Nijdam ontdekte dat in zuiver stikstof (vrijwel zonder ioniseerbare zuurstof) de streamers zich nog net zo goed voortplanten. "Dat is het belangrijkste resultaat van mijn promotieonderzoek. Blijkbaar heeft een streamer dus veel minder vrije elektronen nodig dan je zou denken."

    Nijdams onderzoek leverde ook een aanbeveling op voor toekomstige ruimtemissies. "De sprites in de atmosfeer van Jupiter en Venus zijn veel minder helder dan in lucht. Daar moet je dus rekening mee houden, hoewel dat op Jupiter misschien gecompenseerd wordt door hogere spanningen in de atmosfeer. Belangrijker is dat een Japanse ruimtemissie van plan was om sprites te detecteren met het licht dat de CO2 uitzendt in zo'n ontlading. Maar uit mijn metingen blijkt dat je beter naar stikstof kunt kijken, hoewel stikstof nog geen vier procent van de atmosfeer uitmaakt. Dat signaal is namelijk veel sterker." (TJ)



    Enkele in het lab opgewekte streamers

    Streamers are brief, weak discharges preceding sparks and lightning. In nature, they only appear high above storm clouds, but PhD student ir. Sander Nijdam (Applied Physics) managed to generate these discharges in the lab in simulations of Venus and Jupiter's atmospheres, for example. He will receive his PhD on Thursday, February 3.