Wat heeft een pan met water gemeen met de zon? Heel veel, althans als de pan aan de onderkant wordt verwarmd en aan de bovenkant wordt afgekoeld, terwijl hij ook nog om zijn eigen as draait. Het water aan de boven- en onderkant van de pan vertoont dan wervelingen die ook plaatsvinden in de buitenste laag van de zon. Een verklaring voor het verschijnsel bestond al, maar een goede onderbouwing ontbrak nog. Mede dankzij het onderzoek van student Technische Natuurkunde Jim Overkamp is die onderbouwing nu in de maak.

Als een pan met water aan de onderkant wordt verwarmd, stijgt het warme water op. Als het water bij de bovenste koude plaat weer afkoelt, zakt het terug naar beneden. Dit verschijnsel heet thermische convectie en is al sinds het jaar 1900 bekend. Maar draait de pan ook nog om zijn eigen as, dan verloopt het warmtetransport tussen de onder- en de bovenkant van de pan veel sneller. De verklaring hiervoor is al veertig jaar oud: een laag water bij de onderkant van de pan gaat met de onderwand meedraaien, en vanuit die laag schieten op een gegeven moment wervelingen omhoog. Die wervelingen doen het warmtetransport met tien tot twintig procent toenemen. Prima theorie, maar stevige bewijzen waren er tot nu toe niet.

“Dat heeft deels te maken met de computersimulaties die berekenen wat er met de vloeistof in de pan gebeurt”, zegt Overkamp. “Daarbij moeten zware differentiaalvergelijkingen worden opgelost. Nu pas zijn computers daarvoor snel genoeg.”

Overkamp doet zelf geen simulaties, maar experimenten om de warmteoverdracht en de temperatuur aan de buitenwand van de pan te meten. Daarvoor zijn zestien temperatuursensoren rondom de pan bevestigd. Hij meet de temperatuur bij verschillende rotatiesnelheden, verschillende afmetingen van de pan en verschillende temperatuurverschillen tussen de boven- en onderplaat. Daarbij stuitten hij en zijn begeleider onlangs op een belangrijke ontdekking.

“Bij een minder hoge pan blijkt dat de wervels het warmtetransport al overnemen bij een lagere rotatiesnelheid”, vertelt hij. “Dat wisten we van tevoren niet, dus dat was best verrassend.”

Dergelijke inzichten hebben brede implicaties. De buitenste laag van de zon, die ook ronddraait, is vergelijkbaar met de pan met water. In de aardatmosfeer en in oceanen spelen zich ook vergelijkbare processen af, die we hiermee wat beter zouden kunnen begrijpen. Over technologische toepassingen van het onderzoek kan Overkamp vooralsnog enkel gissen. “Onze inzichten zouden bruikbaar kunnen zijn om industriële mixers efficiënter te maken. Daarvoor moeten we wel nog meer te weten komen over de achterliggende mechanismes.”

Tekst: Enith Vlooswijk
Fotomontage: Bart van Overbeeke