Ученые и любители изучают плазму: от искр в микроволновке до звезд

De zon nadoen in de magnetron, met behulp van wat druiven en een waxinelichtje Een terugkerende rubriek, kan informatief zijn of een mening geven Een oude magnetron is in staat om een plasma op te wekken, geïoniseerd gas zoals dat ook op de zon voorkomt. Wel voorzichtig zijn, „anders smelt de bovenkant”. Een merkwaardig tafereel speelt zich af op een klein binnenplaatsje achter een Leids studentenhuis. Rondom een wat smoezelige magnetron, wiebelig steunend op twee kratten goedkoop bier, liggen verschroeide, gehalveerde druiven. De geur van gekookte druif vermengt zich met die van wat er ooit in de magnetron is klaargemaakt. Als om een kampvuur heb ik mijn vrienden verzameld om het schouwspel gade te slaan. Kom langs, zei ik ze, en maak kennis met plasma. „Wat is dat dan”, klonk het, toen ik vroeg of iemand toevallig een magnetron en een locatie beschikbaar had. Een terechte vraag als je overweegt je keukenapparatuur beschikbaar te stellen voor een plasma-experiment. Een plasma (dat overigens niets te maken heeft met bloedplasma) is een staat waarin een stof zich kan bevinden: net als een vloeistof, een vaste stof, of een gas. Zoals een vloeistof een faseovergang ondergaat als het verhit wordt en tot gas verdampt, kan gas overgaan tot plasma in de juiste omstandigheden. In een gore magnetron bijvoorbeeld, of in elk geval op een plek waar het extreem heet is. Neem een ster, een gigantische bol gloeiend plasma. De hitte – in het geval van een ster opgewekt door kernfusie – maakt dat de negatief geladen elektronen en de positief geladen atoomkernen niet langer aan elkaar gebonden zijn, maar vrij rondzweven in een hete deeltjessoep. Positief en negatief geladen deeltjes gescheiden en toch verenigd in één substantie, die daardoor ook nog eens als een tierelier elektriciteit geleidt. De bliksem is daar een mooi voorbeeld van. De hoeveelheid plasma in huis-, tuin- en keukenvuurtjes is overigens verwaarloosbaar. Hun temperatuur is simpelweg te laag. De geelgloeiende vlam is het product van minuscule roetdeeltjes, die tot 1.200 graden Celsius worden verwarmd en daardoor licht uitstralen. Maar van de benodigde energie om elektronen los te knikkeren van hun atoomkernen is geen sprake, dus interesseert het me niet. Dan liever die druiven. Op dat Leidse binnenplaatsje snijd ik opnieuw voorzichtig een lading druiven bijna doormidden, zodanig dat de twee helften nog net met een dun vliesje aan elkaar vastzitten. De draaiplaat van de magnetron haal ik eruit, op een omgekeerd plastic bekertje plaats ik twee gehalveerde druiven. Deur dicht, knop indrukken, het geloei zwelt aan, de microgolven bouwen zich op, verwachtingsvol kijken we door het viezige deurtje… weer niets. Net als de vorige tien pogingen hebben we de druiven slechts gekookt, zonder een vonkje plasma te maken. Hamza Khattak was het vast wel gelukt. Hij is hoofdauteur van het enige wetenschappelijke artikel over het plasma-druiffenomeen, en legt de natuurkunde erachter graag uit via een videoverbinding. „Een magnetron maakt microgolven die moleculen doen trillen en zo je lasagne opwarmen. Maar een druif kan die microgolven als het ware invangen, waarbij de straling tussen de randen van de druif heen en weer blijft stuiteren. Zo krijg je een ‘hotspot’ in het midden van de druif.” Er ontstaat kortstondig een stabiel, flikkerend bolletje, een stukje zon in de magnetron Khattak keek met hittecamera’s naar druiven in de magnetron, en zag de hotspots in het middelpunt van de druiven ontstaan. Maar leg de druiven tegen elkaar aan, en de centrale hotspots verschuiven naar het raakvlak en smelten samen tot een veel sterkere hotspot. Sterk genoeg om elektronen los te rukken van kalium- en natriumatomen in het druivenschilletje, en voilà: een soep van positief geladen atoomkernen en negatief geladen elektronen, een plasma. In de meest spectaculaire gevallen brengt de straling van de magnetron dat vonkje plasma dan weer in beweging, wat de omringende lucht ook tot een plasma doet overgaan. Zo ontstaat er kortstondig een stabiel, flikkerend bolletje, een stukje zon in de magnetron. „Niet te lang aan laten staan”, adviseert Khattak, „anders smelt de bovenkant van je magnetron.” Vooralsnog maak ik me daar nog geen zorgen over. Wie de zon ook graag in huis wil halen, is Marco de Baar. En wel om daar energie van af te tappen. Hij is directeur van energieonderzoeksinstituut Differ, kent plasma door en door, en brandt meteen los aan de telefoon. „We willen atoomkernen laten fuseren. Deuterium en tritium [waterstof met respectievelijk één of twee extra neutronen] versmelten we met elkaar, en daar krijgen we helium, een neutron en een behoorlijke hoeveelheid energie voor terug. Geweldig plan, maar wat betekent dat? Dat we met een verschrikkelijke hoeveelheid energie die atoomkernen op elkaar moeten duwen. Dat wordt zo heet dat we met plasma te maken krijgen.” Net als hoe de straling in de magnetron het vonkje druivenplasma doet bewegen, zo vormen extreem sterke magneetvelden het plasma in een kernfusiereactor tot de vorm van een donut. Binnen in die donut moet het plasma heet genoeg blijven voor de fusiereactie tussen deuterium en tritium, terwijl de overblijfselen van diezelfde reactie afgevoerd en hergebruikt moeten worden. En dat in een omgeving tien keer zo heet als de kern van de zon. De Baars onderzoeksinstituut werkt aan de zogeheten blanket, het omhulsel van de fusiereactor en „achilleshiel van het hele systeem”. Daar moeten twee dingen gebeuren: het aftappen van energie en het maken van tritium om de fusiereactie te voeden. Daarbovenop moet de blanket niet afbrokkelen onder de onvoorstelbare hoeveelheid straling die het te verduren krijgt. De Baar: „Het juiste materiaal voor de blanket vinden, dat is de duizendmiljoenvraag.” Zeg maar gerust duizendmiljardenvraag, want efficiënte kernfusie op schaal zou een revolutie in energieproductie betekenen. Per kilo brandstof brengt fusie miljoenen malen meer energie dan olie op, zonder een schijn van de uitstoot. Vandaar dat Europese, Amerikaanse, Chinese en inmiddels ook steeds meer commerciële partijen proberen dat hete plasma te beteugelen. Maar wegens de enorme technische uitdagingen om dat te bereiken is de plasmadonuttoekomst nog ver weg. In het plasmadruifheden begint het geduld van mijn vrienden op te raken. Een laatste troef moet de sfeer redden: vastbesloten steek ik een waxinelichtje aan en plaats het centraal in de magnetron. „Als je al wat gloeiends hebt, maakt de magnetron het sterker”, had Khattak gezegd. Vuur in de magnetron, dat moet toch plasma opleveren. Voor de zekerheid leg ik er een gehalveerde druif naast. De reservedruiven trekken onze aandacht. Ze voeren een oranjegele lichtshow op Deur dicht, knop indrukken, vurig hopen… en het vuurtje dooft even snel uit als het werd aangestoken. Even slaat de wanhoop toe, tot de reservedruiven onze aandacht trekken door een oranjegele lichtshow op te voeren. Kleine vonkjes druivenplasma, zelfgemaakt! We stellen de hypothese op dat het metalen omhulsel van het waxinelichtje straling richting de druif reflecteert om een hetere hotspot te creëren, en weten die experimenteel te bevestigen. Maar vonkjes zijn nog geen bolletje zon in de magnetron. Want daar draait het om, het universum dichterbij brengen. Zo zeldzaam als plasma op aarde is, zo veelvoorkomend is het in de ruimte. De aarde wordt er zelfs continu mee gebombardeerd in de vorm van zonnewind. Die geladen deeltjes volgen, zoals het een plasma betaamt, het magnetisch veld van de aarde en eindigen rondom de polen waar ze het noorder- en zuiderlicht veroorzaken. Maar goed ook, anders zou het de atmosfeer wegblazen. Kijk maar naar Mars, een planeet zonder sterk magneetveld: geen dikke atmosfeer, geen pretje om op te wonen. Bij sommige neutronensterren bestaat de atmosfeer juist uit plasma. In het geval dat zo’n compact overblijfsel van een dode ster om een andere, nog levende ster draait, snoept het hypercompacte karkas wat mee van zijn compagnon. De donor, in sterrenkundige vaktaal, doneert zijn buitenste lagen aan de neutronenster. Daarop golft een oceaan van waterstofplasma: het onderzoeksobject van sterrenkundige Anna Watts. „Of het nou een oceaan of een atmosfeer is”, vertelt ze aan de telefoon, „het is een laagje plasma onder de enorme zwaartekracht van de neutronenster. En sommige neutronensterren hebben ook nog eens een sterk magneetveld, wat betekent dat de omstandigheden daar echt uniek zijn. Het zijn eigenlijk kosmische laboratoria, waarmee we plasma beter kunnen begrijpen.” En zo’n oceaan knettert. Als de donor genoeg plasma heeft gedoneerd – geen bloedplasma dus – zijn de druk en temperatuur hoog genoeg voor, jawel, kernfusie. Dan is het alsof er een atoombom afgaat op het oppervlak, waarbij zeer intense röntgenstraling vrijkomt. Ondertussen gaat de plasmadonatie onophoudelijk door, waardoor zulke atmosferische kernexplosies elkaar gestaag opvolgen. Heerlijk extreme sterrenkunde, vindt Watts. Nee, dan de vonkjes in de magnetron. Nu het gefaalde vuurexperiment juist als opstapje heeft gediend voor de druiven, ben ik erop gebrand mijn vrienden de plasmashow te geven die ik ze beloofd had. Nog één keer, voor we het binnenplaatsje af moeten. Het deurtje dicht, knop indrukken, afwachten… en dan doet Khattaks gecombineerde hotspot het druivenschilletje ontsteken en is daar een bescheiden maar onmiskenbaar vurig bolletje plasma, flikkerend, als een vluchtig stukje ster.