Menno Laurets thesis (1)

Door Menno Lauret, oorspronkelijke versie hier.

Na 4 jaar werken is mijn thesis af en gedrukt als boek en langzamerhand deel ik dit boekje uit. Omdat het boekje in het Engels is en omdat de onderwerpen behoorlijk lastig en wiskundig zijn, wil ik hier proberen om mijn werk op een toegankelijkere manier uit te leggen zodat mensen die naar mijn verdediging komen ook begrijpen waar het over gaat.

Eigenlijk gaat vrijwel alle werk over vloeistofstromingen en plasma’s. Iedereen weet wel wat vloeistofstromingen zijn, je komt ze tegen in rivieren, oceanen maar ook in de badkuip als je het bad leeg laat lopen. In de techniek is het begrijpen van stromingen belangrijk. Bijvoorbeeld om auto’s aerodynamischer (en zo zuiniger) te maken, om pijpleidingen goed te ontwerpen of om te snappen hoe de vleugels van het nieuwste Airbus vliegtuig eruit moeten zien (niet onbelangrijk dat ze goed werken als je op vakantie gaat). Maar er zijn ook minder voor de hand liggende toepassingen: bijvoorbeeld het mengen van vloeibare polymeren (plastics) zodat ze de juiste kleur en sterkte hebben, maar ook het mengen van bloed met chemische stoffen in laboratoria zodat gezien kan worden wat er allemaal in het bloed zit en of de patient gezond is. Over dit mengen van vloeistoffen en het werk wat ik daar aan gedaan heb wil ik in de volgende blog post spreken.
Maar als voorproefje alvast twee plaatjes waarin je kunt zien hoe het eruit ziet. Het eerste plaatje laat het mengen van twee kleuren verf zien en het tweede plaatje de favoriete mixer van mijn vriendin…  Ik mocht deze echter jammer genoeg niet gebruiken voor mijn experimenten…

Ik vernoemde zojuist echter dat ik aan ook `plasma’s’ werk. Wat wil dat zeggen, `een plasma’? Heeft dat iets te maken met plasma tv’s? Of met bloedplasmas in het ziekenhuis? Het klinkt nogal als science fiction. In de natuurkunde is een plasma eigenlijk gewoon een gas dat heel erg heet is. Vanwege die hitte kan elektrische stroom door de lucht heen lopen. Met de bloedplasmas in een ziekenhuis heeft het dus helemaal niets te maken. Herkenbare voorbeelden van plasmas zijn tl-lampen die een plasma in de glazen buis hebben. Juist omdat het een plasma is kan de stroom van de éne kant van de buis naar de andere kant lopen! Dit gebeurt niet zolang er gewone koele lucht in de tl-buis zit, daarom moet de tl-buis dus altijd even opstarten, om van het gas een plasma te maken! Ook in een plasma tv zitten eigenlijk kleine lampjes  die, net zoals een tl-buis, een plasma kunnen maken en daardoor licht geven. Een voorbeeld uit de natuur is bliksem, de stroom gaat ook hier weer door de lucht.

Maar waarom zijn plasma’s interessant en belangrijk? Alleen maar voor lampen? Ondanks dat ze nog maar een goede 50 jaar onderzocht worden blijkt de laatste jaren dat ze ook voor allerlei andere zaken heel nuttig kunnen zijn. Zo kunnen ze helpen bij het herstel van zieke huid, ze worden bij ASML gebruikt om een heel sterk licht te maken waarmee snellere computerchips gemaakt kunnen worden maar voor mij het belangrijkste is kernfusie.

Om fusie uit te leggen begin ik bij de zon. We weten allemaal dat de zon licht en warmte geeft en dat al heel lang doet. Hoe gebeurt dat? Soms zeggen mensen dat er een kernreactie in de zon gebeurt. Maar het is niet zoals een kerncentrale waar ze zware atomen splitsen en hierdoor energie opwekken. In de zon gebeurt het tegenovergestelde. Er zijn een heleboel lichte atomen en die komen door de grote druk heel dicht bij elkaar totdat ze zo op elkaar geperst zitten dat twee lichte atomen plotseling één, iets zwaarder, atoompje worden. Omdat dus twee atomen fuseren tot één noemen we dit kernfusie en er komt nog véél meer energie bij vrij dan bij een reactie in een kerncentrale.

Sinds de jaren 40 van de vorige eeuw zijn mensen aan het proberen om dit idee ook te gebruiken om op aarde energie te kunnen maken. Er zijn veel voordelen aan het nadoen van de zon. Als brandstof gebruik je (een beetje) zeewater dus je hebt geen olie of steenkool meer nodig. Ook komen er geen afvalstoffen zoals CO2 bij vrij en draag je dus niet meer bij aan het broeikaseffect en klimaatverandering. Het probleem van kerncentrales is dat er radio-actief afval bij ontstaat wat heel lang veilig opgeslagen moet worden. Bij kernfusie is er echter vrijwel geen radio-actief afval. Eigenlijk is het dus de ideale manier om electriciteit te maken: schoon, veilig en zonder grondstofbeperkingen.

Dus waarom hebben we nog geen electriciteits centrales die op deze manier werken? Om fusie van atomen mogelijk te maken moet je op aarde de omstandigheden van de zon namaken. Dat wil zeggen: je moet een heel heet gas (we weten nu dat dit dus eigenlijk een plasma is)  maken wat honderden miljoen graden heet is. Dat is zelfs heter dan de zon die `slechts’ tientallen miljoenen graden heet is. In de foto hieronder zie een centrale waarin zo’n heet plasma gemaakt kan worden. We noemen zo’n centrale een `tokamak’ wat een Russische afkorting is, die eigenlijk niets meer betekent dan `donut vormige kamer’. Aan de linkerkant gebeurt er niets, de rechterkant is een foto waarop je wel een plasma ziet (de lichtgevende delen).

Waarom werken zulke reactoren nog niet? We kunnen eigenlijk al plasma’s maken waarin, net als in de zon, fusie tussen atomen optreedt. Maar er zijn wat problemen met het beheersen van zo’n super superhete plasma. Zo is er een warmtestroom door de wand van de kamer van tientallen MegaWatts per vierkante meter. Dat is héél erg veel, en bij de huidige technologie gaat de wand snel kapot.

Een ander probleem zijn de grote slingeringen van de temperatuur van zo’n plasma. Het blijkt dat een plasma een soort hartslag (dit noemen ze de zaagtand of `sawtooth’ in het Engels) heeft en een aantal keer per seconde krijgt het plasma een grote klap te verwerken die het plasma helemaal verstoort. Ik heb samen met een aantal collega’s aan dit probleem gewerkt en in mijn thesis laat ik in hoofdstuk 5 en 6 zien dat er eigenlijk relatief simpele methoden zijn om deze hartslag van het plasma te regelen. Hiervoor heb ik me laten inspireren door `pacemakers.’ Aangezien deze apparaatjes de hartslag van een mens kunnen veranderen zou het zomaar kunnen zijn dat hetzelfde idee ook voor een plasma kan werken. Het bleek dat als je m.b.v. een erg zware magnetron het plasma regelmatig een flinke klap geeft op een bepaalde plek dat je dan de tijd tussen de `hartslagen’ korter of langer kunt maken. Deze simpele methode bleek verrassend goed te werken in de praktijk (zie hoofdstuk 5 van mijn thesis) en in hoofdstuk 6 hebben we, met een heleboel wiskunde, laten zien wat de reden is dat dit soort methodes zo goed werken en hoe ze eventueel nog verbeterd zouden kunnen worden.

Ik hoop dat jullie door deze tekst wat beter begrijpen wat plasma’s en kernfusie zijn en waar een deel van de thesis over gaat.  In de volgende blog post ga ik meer uitleggen over mijn werk aan vloeistofstromingen en het mengen van vloeistoffen en hoe je dat verbetert. Er zullen een aantal filmpjes bij staan van echte experimenten zodat duidelijk is wat er gebeurt. Gaat dat zien!

N.B. Het hier besproken werk is gedaan in samenwerking met: Marco de Baar, Maurice Heemels, F. Felici, G. Witvoet, T.P. Goodman, G. Vandersteen, O. Sauter, M. Lennholm en de tokamak in Lausanne TCV (CRPP op EPFL). Het werk is niet alleen in mijn thesis gepubliceerd maar ook o.a. in het internationale tijdschrift `Nuclear Fusion’ waarin veel wereldwijde ontdekkingen op het gebied van kernfusie in besproken worden.

Advertenties

Over Marco de Baar

http://de.linkedin.com/pub/marco-de-baar/5/141/b33
Dit bericht werd geplaatst in Hall of fame, Innovatie en getagged met , , , , , . Maak dit favoriet permalink.

Geef een reactie

Vul je gegevens in of klik op een icoon om in te loggen.

WordPress.com logo

Je reageert onder je WordPress.com account. Log uit / Bijwerken )

Twitter-afbeelding

Je reageert onder je Twitter account. Log uit / Bijwerken )

Facebook foto

Je reageert onder je Facebook account. Log uit / Bijwerken )

Google+ photo

Je reageert onder je Google+ account. Log uit / Bijwerken )

Verbinden met %s