Bij de ingang van het lab van Arjan Flikweert (28) draait op een computerscherm een presentatie met beelden van astronaut André Kuipers in het internationale ruimtestation ISS. Kuipers testte in de ruimte metaalhalogenide-lampen in opdracht van producent Philips en de groep Elementaire Processen in Gasontladingen van de TU/e. Deze lampen bleken in gewichtsloze toestand een stuk beter te branden dan op aarde. De cilindervormige lampen hebben namelijk last van kleurscheiding als ze verticaal worden opgehangen: in plaats van het gewenste witte licht zenden ze uit in diverse kleuren, groenblauw aan de bovenkant, en witter licht aan de onderkant. Dat maakt ze minder geschikt voor toepassingen waarbij de lampen in verschillende oriëntaties worden gebruikt, zoals etalageverlichting. Ook branden de lampen minder efficiënt door de kleurscheiding. Door de afwezigheid van de zwaartekracht hadden de lampen daar in het ruimtestation geen last van, zo bleek.

Het licht van de onderzochte lampen wordt opgewekt door een gasontlading in een mengsel van kwik en een toegevoegd zout dat veel licht uitstraalt in het zichtbare golflengtegebied. Het kwik doet dienst als een hulpgas dat de lamp goed doet branden. Flikweert gebruikte als zouttoevoeging voornamelijk dysprosiumjodide. Hij legt uit hoe de kleurscheiding ontstaat: “Het centrum van de gasontlading is veel warmer dan de buitenkant, het warme gas beweegt daar omhoog, en het koele gas beweegt langs de wanden naar beneden.” De gasstroom die zo ontstaat, de zogeheten convectie, wordt gedreven door de zwaartekracht: het warme gas wordt minder hard omlaag getrokken doordat het een lagere dichtheid heeft. In het warme centrum -langs de lengteas van cilindervormige lamp- vallen de zoutmoleculen ook nog eens uit elkaar.

Kleurscheiding
De ontstane dysprosium-atomen bewegen door diffusie weg van het centrum, waar ze in de neerwaartse convectiestroming terechtkomen. “Door dit samenspel van diffusie en convectie komt er relatief veel dysprosium onderin de lamp terecht, terwijl de bovenkant blauwig ziet van de kwikatomen”, zegt Flikweert. Voor de lampen die hij testte, geldt dat de kleurscheiding precies maximaal is bij zwaartekrachtcondities zoals die op aarde heersen. Bij gewichtsloosheid, of juist bij verhoogde zwaartekracht, is de balans tussen diffusie en convectie veel gunstiger voor het goed functioneren van de lamp.

Aan de aardse zwaartekracht valt niet te ontkomen, dus wat is dan de zin van de experimenten in het ISS? “De relatieve invloed van diffusie en convectie kun je ook op andere manieren aanpassen, bijvoorbeeld door te spelen met de kwikdruk in de lamp, of door het vermogen of de vorm van de lamp te veranderen”, legt Flikweert uit. “Maar de zwaartekrachtexperimenten zijn wel ideaal om het proces van kleurscheiding beter te leren begrijpen, zodat je vervolgens gericht kunt proberen de lampen te verbeteren.”

Voor zijn onderzoek werd daarom een speciale centrifuge gebouwd, waarin een lamp met hoge snelheid kan worden rondgedraaid. Het indrukwekkende gevaarte heeft een spanwijdte van zo’n drie meter, en is misschien nog het best te vergelijken met een kermisattractie: een draaimolen met een bakje dat zo snel aan een arm wordt rondgeslingerd dat het door de middelpuntvliedende kracht helemaal horizontaal komt te hangen. Op maximale snelheid draait de centrifuge meer dan honderd rondjes per minuut, en beweegt het bakje met zo’n vijftig kilometer per uur. De lamp voelt dan een middelpuntvliedende kracht van tien maal de zwaartekracht. “Door de rotatiesnelheid van de centrifuge aan te variëren, kunnen we hier de kracht die de lamp ondergaat met één druk op de knop aanpassen.”

Het rondgeslingerde bakje bevat naast de lamp ook nog een speciale laser, waarmee tijdens het ronddraaien de dichtheidsverdeling van het gas in de lamp wordt gemeten. Die metingen worden opgeslagen op een minicomputer die ook in het bakje is ingebouwd; deze straalt de gegevens over naar een computer in de controlekamer, waar ze worden verwerkt. Verder bevat het bakje een webcam, die de lamp tijdens de experimenten voortdurend in beeld houdt. Op het beeldscherm in de controlekamer is te zien dat de kleurverdeling van de lamp steeds gelijkmatiger wordt naarmate de centrifuge sneller gaat draaien (zie foto’s hieronder).

Veiligheid
De centrifuge is voorzien van uitgebreide veiligheidsmaatregelen. Om te voorkomen dat er gewonden vallen als er iets misgaat, is de draaimolen omgeven door een manshoog hek. “Dat hek is nog uitgebreid getest met een valtoren van de faculteit Bouwkunde. Dan laten ze er iets heel zwaars op vallen om te kijken of het wel houdt”, zegt Flikweert. “Daarnaast zijn de vensters van de controlekamer bedekt met een speciaal soort plastic, zodat eventuele kleine brokstukken niet door het gaas van het hek vliegen en dan alsnog veel schade aanrichten.” Ook is er uiteraard voor gezorgd dat de centrifuge stevig verankerd zit: “De bouten waarmee hij vastzit, steken dwars door de vloer heen en komen in de ruimte hieronder door het plafond weer naar buiten.” Ten slotte zorgt een ingenieus systeem met sleutels ervoor dat je niet zomaar de centrifuge aan kunt zetten als nog iemand bij in de buurt is.
Voor de bewoners van het gebouw N-laag is het blauwe gevaarte een bekende verschijning: de centrifuge is vanuit de gang op de tweede verdieping goed zichtbaar. Vooral in het begin leverde dat wel eens ongewenste aandacht op, vertelt Flikweert. “Op een gegeven moment hebben we zelfs een bordje met ‘niet storen’ opgehangen, omdat we door alle nieuwsgierige passanten nauwelijks nog aan werken toekwamen. Deze opstelling doet het op open dagen dan ook goed.”

Foto’s van de gasontladingslamp bij verschillende zwaartekrachtcondities. Links onder normale omstandigheden, en rechts bij een versnelling van tien maal de zwaartekracht.

Laserlicht
Ondanks het geweld waarmee de centrifuge de meetopstelling rondslingert, is Flikweert toch in staat om heel nauwkeurig het gedrag van het dysprosium in de testlampen te bestuderen. “Het was op voorhand nog de vraag of de laseropstelling niet te veel last zou hebben van trillingen, maar dat viel gelukkig erg mee.” Het dysprosium wordt zoals gezegd gebruikt omdat het licht geeft met de juiste kleur. Deze stof zendt namelijk licht uit met golflengtes die netjes verdeeld zijn over het zichtbare spectrum, wat door ons als ‘wit licht’ wordt ervaren. Door laserlicht met één van deze golflengtes door de lamp heen te sturen, kan de absorptie door het dysprosium onderscheiden worden van de invloed van de andere gassen in de lamp.

Het laserlicht komt achter de lamp terecht op een digitale camera. “We belichten de hele lamp met laserlicht en kijken vervolgens hoeveel van dat licht door de lamp heen komt, voor elke positie op de chip van de camera. Als we nu de kleur van de laser in kleine stapjes variëren, kunnen we heel nauwkeurig zien waar in de lamp hoeveel dysprosium zit.” Aan de hand van de gegevens die deze methode oplevert, konden Flikweert en zijn collega’s conclusies trekken over de gasstromen in de lamp. En dan in het bijzonder over hoe deze stromen afhangen van de zwaartekracht die de lamp ondervindt. “Het is gebleken dat we de lamp harder moesten ronddraaien dan gedacht om kleurscheiding te voorkomen”, zegt Flikweert. “Maar het belangrijkste is dat we op basis van deze metingen rekenmodellen hebben kunnen maken die het gedrag van de lamp goed beschrijven. De volgende stap is nu aan Philips.”/.