Wat is plasma?
Telkens als we een bliksemschicht zien, kijken we naar plasma. Dit is de vierde, vaak vergeten toestand naast de bekende drie: vast, vloeibaar en gas.
Alle stoffen veranderen van toestand naarmate de temperatuur stijgt. Kijk maar naar water. Als het kwik onder de 0 °C zakt, wordt water vast ijs, wat betekent dat de atomen opgesloten zitten in een rooster.
Boven het vriespunt wordt het vloeibaar – het rooster breekt open en de moleculen schieten door elkaar.
Wanneer het water wordt verhit tot het kookpunt van 100 °C, wordt het stoom, een gas: de moleculen bewegen volledig vrij in drie dimensies. Dit zijn de toestanden die we kennen uit het dagelijks leven.
Maar als we doorgaan met verhitten tot boven de 1000 °C, splitsen de watermoleculen zich in zuurstof- en waterstofatomen.
En dan, bij 10.000-12.000 °C, vindt de transformatie naar de vierde toestand plaats: de warmte rukt elektronen los van de atoomkernen en zet het gas daarmee om in plasma.
Nu bewegen positieve ionen, die bestaan uit protonen en neutronen, en negatieve elektronen vrij om elkaar heen, waardoor het plasma elektrisch geleidend wordt.
Bliksem creëert plasma, omdat het verschijnsel de lucht verhit tot wel 25.000 °C. De intense hitte pelt de elektronen van stikstofatomen en zuurstofatomen in de lucht af en zet ze daarmee om van gas in een wit, lichtgevend plasma.
Zo ontstaat plasma
Vast: Atomen zitten vast in een rooster
Aluminium voor blikjes, vliegtuigen enzovoort is bij normale temperaturen een vaste stof, waarin de atomen in een kristalrooster zitten. Dit rooster behoudt zijn vorm tot het smeltpunt.
Vloeibaar: Atomen laten het rooster los
Aluminium smelt bij 660 °C en verandert dan in een vloeistof: het kristalrooster breekt open en de atomen kunnen door elkaar vloeien, maar nog steeds binnen een beperkt volume.
Gas: Atomen vliegen kriskras in het rond
Bij 2470 °C verdampt aluminium tot een gas. De atomen schieten kriskras door elkaar en het volume is onbeperkt. Daarom moet gas in gesloten tanks worden bewaard.
Plasma: Hitte splijt de atomen
Bij 5400 °C rukt de hitte de negatieve elektronen los van de positieve atoomkernen. Het gas wordt zo een elektrisch geleidend plasma, waarin de kernen en elektronen vrij door elkaar zweven.
Plasma domineert het heelal
In feite bestaat meer dan 99 procent van het zichtbare heelal – de lichtgevende sterren en de waterstofwolken in en tussen sterrenstelsels – uit plasma.
De waterstofwolken zijn extreem ijl, maar plasma kan ook zeer compact zijn, ook al is het zo heet dat de atomen uit elkaar worden gerukt. Dit is het geval in het hart van sterren als de zon, dat volledig uit plasma bestaat.
In de 15 miljoen °C hete kern van de zon is de druk maar liefst 250 miljard keer zo groot als aan het aardoppervlak.
Die druk perst het waterstofplasma zo strak opeen dat de waterstofkernen hun onderlinge elektrische afstoting overwinnen en dan versmelten tot helium, waardoor de energie ontstaat die de zon doet schijnen.
Rotsplaneten als de aarde, die om hun ster draaien in de bewoonbare zone waar vloeibaar water aan het oppervlak is, zijn een zeldzaamheid in een heelal dat wordt gedomineerd door plasma.
Een bliksemschicht verhit de lucht tot wel 25.000 °C. Daardoor worden de elektronen in de lucht losgerukt van hun atoomkern en verandert de toestand van de lucht in plasma.
Plasma in de zon kan aarde verduisteren
Op aarde zien we het plasma in de zon als de meer dan 1 miljoen °C hete buitenste atmosfeer, de corona.
Van hieruit loopt een constante stroom plasma van protonen en elektronen, die de bovenste atmosfeer van de aarde treffen en boven de polen noorder- en zuiderlicht creëren.
Maar de zon heeft ook plasmabommen op het repertoire: bij de grootste zonnevlammen, coronale massa-ejecties, schiet een bel van miljarden tonnen heet plasma uit de corona weg, die soms op de aarde afkomt.
In het ergste geval schiet de bel dwars door het aardmagnetisch veld en komen er heel veel elektrisch geladen deeltjes diep in de atmosfeer terecht.
In onze hightech samenleving zou de geomagnetische storm die volgt, op meer continenten de stroom voor telecommunicatie kunnen afsluiten.
De zon bestaat geheel uit plasma. Door de extreme hitte van het plasma fuseren waterstofatomen in de kern tot helium, waarbij heel veel energie vrijkomt.
Plasma kan onuitputtelijke energiebron worden
Onderzoekers en ingenieurs maken al gebruik van de unieke eigenschappen van plasma in bijvoorbeeld plasmasnijders en plasmatelevisies, maar zijn de energie van plasma nog maar net gaan begrijpen en temmen.
Zo kan plasma kerosine in vliegtuigen gaan vervangen. Althans volgens Chinese onderzoekers, die een motor hebben ontwikkeld die alleen lucht en stroom gebruikt om plasma te creëren, dat uit een straalpijp schiet.
Plasmamotoren krijgen ook een beslissende rol in de kolonisatie van het zonnestelsel, omdat de motoren goed werken over lange afstanden, waar vaartuigen niet worden afgeremd door luchtweerstand en zwaartekracht.
Maar het grootste perspectief is wellicht fusie-energie – als de natuurkundigen de turbulente plasmatoestand precies genoeg kunnen manipuleren om van plasma een onuitputtelijke energiebron te maken.
Fusiecentrales moeten 100-200 miljoen °C heet plasma vasthouden in een magnetische kooi, zodat de atomen kunnen fuseren en energie opwekken zonder dat het plasma de reactorwand raakt en afkoelt.
Drie technieken strijden om de leiderspositie: de tokamak, de kogeltokamak en de stellarator.
De grootste tokamak ter wereld wordt naar verwachting in 2025 in gebruik genomen in Frankrijk, en de kogeltokamak kan vanaf de jaren 2040 deel uitmaken van energiecentrales. De stellarator is een ‘dark horse’, omdat de technolgie extreem moeilijk en duur is om te maken in vergelijking met de twee andere technieken.