Plasma wordt de ultieme brandstof

Een grote, grijszwarte wolk hangt in de lucht. Elektrisch geladen waterdruppels en ijskristallen schieten erdoorheen.

Langzaam belanden de negatieve ladingen onder in de wolk, terwijl het aardoppervlak steeds positiever wordt. Plotseling wordt de spanning gelijkgetrokken in een enorme energieontlading: een bliksemschicht.

Telkens als we een bliksemschicht zien, kijken we naar plasma, de vierde toestand naast de meer bekende drie: vast, vloeibaar en gas.

De immense energieontlading van de bliksem zet lucht om in plasma, waarbij de kernen en elektronen van atomen zich opsplitsen.

Op slag komt er 10.000 ampère stroom vrij, die met een supersonische snelheid van de wolk naar het aardoppervlak schiet en de lucht binnen de 10 centimeter daarna verhit tot 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 plasma, de witte lichtgevende toestand die we kunnen zien.

In principe kunnen alle stoffen plasma vormen. De temperatuur moet alleen hoog genoeg zijn om elektronen los te rukken van atoomkernen.

Onderzoekers en ingenieurs passen de unieke eigenschappen van plasma al toe in tl-buizen en plasmatelevisies, maar zijn de energie van plasma nog maar net gaan begrijpen en temmen.

Plasma kan kerosine in vliegtuigen vervangen, en de plasmamotor kan een cruciale rol spelen bij de kolonisatie van het zonnestelsel.

Als we de turbulente toestand voldoende precies kunnen manipuleren, kan plasma zelfs een vrijwel onuitputtelijke energiebron worden.

99% van het heelal is plasma

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 de positieve ionen, die bestaan uit protonen en neutronen, en de negatieve elektronen vrij om elkaar heen, waardoor het plasma elektrisch geleidend wordt.

In feite bestaat meer dan 99 procent van het zichtbare universum – 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 wel 250 miljard keer zo groot als aan het aardoppervlak.

Die druk perst het waterstofplasma zo sterk 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.

Op aarde zien we het plasma in de zon als de meer dan 1 miljoen °C hete buitenste atmosfeer, de corona. Van hieruit vertrekt 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 plasma uit de corona weg, die soms op de aarde afkomt.

In het ergste geval gaat de bel dwars door het aardmagnetisch veld en komen er elektrisch geladen deeltjes diep in de atmosfeer terecht.

In onze hightech samenleving zou de geomagnetische storm die volgt, de stroom voor telecommunicatie wereldwijd kunnen verstoren.

Plasma’s bevatten dus enorme krachten, en nu willen natuurkundigen die temmen om de brandstof van de toekomst te creëren.

Lucht drijft straalmotoren aan

In 1903 baanden de gebroeders Wright de weg voor de luchtvaart toen ze 12 seconden met een gemotoriseerd vliegtuig vlogen.

115 jaar later maakten de ruimtevaart-ingenieur Steven Barrett en zijn collega’s van het MIT(Massachusetts Institute of Technology) een vlucht die net zo baanbrekend kan zijn.

Hun modelvliegtuig op batterijen van 2,45 kilo met 5 meter spanwijdte vloog 55 meter door een grote hal. Dat klinkt misschien weinig imposant, maar de ‘brandstof’ was lucht.

Onder de vliegtuigvleugels hangen vier rijen flappen, die aan de voor- en achterkant elektroden hebben. De voorste elektroden hebben een positieve spanning van 20.000 volt en het sterke elektrische veld zet de luchtmoleculen om in plasma.

De positieve stikstofionen en zuurstofionen uit de lucht worden nu aangetrokken door de achterste elektroden, die een negatieve spanning van wel 20.000 volt hebben. Onderweg naar de elektrode raakt elk positief ion miljoenen neutrale luchtmoleculen, die naar achteren schieten en voor de voortstuwing zorgen.

Volgens Steven Barrett kan de technologie dienen om stille passagiersvliegtuigen en drones te creëren, waarbij de door de lucht aangedreven ionenmotoren een aanvulling kunnen zijn op reguliere straalmotoren.

De onderzoekers werken nu aan voortstuwing met minder elektrische spanning en willen ook het gehele oppervlak van het vliegtuig gebruiken om die voortstuwing te creëren.

Het modelvliegtuig van MIT komt vooruit met een bescheiden vermogen van zes newton per kilowatt elektriciteit – een newton is ongeveer gelijk aan de druk die je op je hand voelt als je een appel vasthoudt.

Onderzoekers van de universiteit van Wuhan in China helpen de plasmamotor voor vliegtuigen nu echter een eind verder. Hun motor levert bijna zes keer zo veel vermogen als het MIT-vliegtuig – 28 newton per kilowatt.

De motor werkt met microgolven, die lucht omzetten in meer dan 1000 °C heet plasma. Perslucht wordt door het plasma geblazen, dat uitzet en explosief uit een buis schiet.

In een proef met een klein prototype tilde de plasmamotor een metalen kogel van 1 kilo op, die boven op de buis lag. Als de technologie kan worden opgeschaald, zullen plasmastraalmotoren, die alleen lucht ‘verbranden’, volgens de Chinese onderzoekers krachtig genoeg worden om de kracht van moderne straalmotoren te benaderen.

Als straalvliegtuigen plasmamotoren moeten krijgen, is het van cruciaal belang dat er batterijen komen die zo veel energie kunnen vasthouden in verhouding tot hun gewicht als fossiele vliegtuigbrandstoffen; de 250 wattuur per kilo die wordt geleverd door lithiumionbatterijen, is nog 30 keer zo weinig als kerosine.

Als de batterijen daarbij opladen met stroom van zon- of windkracht, kan de lucht – die tijdens de vlucht wordt omgezet in plasma – de luchtvaart van de toekomst volledig klimaatneutraal maken.

Ruimteschepen varen op plasma

Niet alleen op aarde heeft plasma een groot potentieel als brandstof. In de ruimte drijft deze extreem hete toestand motoren nog beter aan, omdat die de luchtweerstand en de zwaartekracht zoals die hier op aarde heersen, niet hoeven te overwinnen.

En er zijn ruimtevaartuigen die al door de ruimte hebben gevlogen op plasma dat is gemaakt in zogeheten ionenmotoren, zoals NASA’s satelliet Dawn, die in een baan om de planetoïde Vesta en de dwergplaneet Ceres cirkelde.

De motor van de Dawn werkt doordat een krachtig elektrisch veld gas in plasma omzet, waarna de positieve ionen in het plasma door een straalpijp achterwaarts schieten en zo de satelliet voortstuwen.

Bij de langste ruimtereizen heeft dit type motor het nadeel dat de elektroden gaan roesten door het plasma, wat de levensduur van de motor beperkt.

En om roestvorming te minimaliseren, kunnen alleen edelgassen als xenon als aandrijfgas worden gebruikt – tenzij we plasmamotoren weten te maken waarbij gas met behulp van radiogolven in plasma wordt omgezet.

Een andere techniek die de weg kan effenen voor plasmamotoren in de ruimtevaart, is om het plasma in een magnetische kooi in te sluiten zodat het de wanden van de motorkamer niet raakt.

Zo kunnen plasmamotoren een gas als waterstof gebruiken, dat op de maan, Mars en veel andere plaatsen vrij dicht bij de aarde is te vinden.

En dan kunnen plasmamotoren een belangrijke rol spelen bij de kolonisatie van het zonnestelsel, want ruimtevaartuigen kunnen bijvoorbeeld op andere planeten waterstof tanken voor de terugreis.

De koploper op het gebied van plasmamotoren is de Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket (VASIMR), waar al tientallen jaren aan gewerkt wordt, eerst bij NASA en nu bij Ad Astra.

In het eerste compartiment van de motorkamer wordt gas verhit tot duizenden graden, waardoor het verandert in plasma. Vervolgens stuurt een magnetisch veld het elektrisch geladen plasma naar een andere motorkamer, waar radiogolven het plasma verhitten tot een miljoen graden, zodat het sterk uitzet.

Ten slotte leidt een magnetisch veld het plasma door een straalpijp de ruimte in – met snelheden van ruim 50.000 meter per seconde.

Met een stroomsterkte van 200 kW kan de plasmamotor een vermogen leveren van 5 newton. Dat is niet genoeg om een raket door de atmosfeer te krijgen, maar wel om een vaartuig vanuit een baan om de aarde verder de ruimte in te sturen.

Ad Astra voert beslissende tests uit met de plasmamotor, die 100 uur achtereen moet draaien voordat hij in de ruimte wordt getest. De technologie is belangrijk voor sondes die goederen van en naar de maan vervoeren, maar ook voor lange ruimtereizen.

In het binnenste deel van het zonnestelsel kunnen zonnepanelen de nodige stroom leveren; alleen op reizen naar de buitenplaneten zal het bijvoorbeeld nodig zijn om een kleine kernreactor mee te brengen om stroom op te wekken.

Zeewater kan stroom worden

Het meest ambitieuze plan voor het gebruik van plasma als brandstof is een centrale die de zon nabootst. In de zon bestaat waterstof in de plasmatoestand, waarbij atoomkernen en elektronen zijn gespleten en de atoomkernen continu fuseren tot helium, met een enorme energieontlading tot gevolg.

Op dit moment worden er wereldwijd reactoren gebouwd waarin temperaturen van 100-200 miljoen graden waterstofplasma moeten creëren, waardoor de atoomkernen kunnen fuseren, net als in de zon.

De belangrijkste brandstoffen in fusiecentrales zijn zware waterstof, die uit zeewater gewonnen kan worden, en superzware waterstof, die in de reactor wordt geproduceerd door lithium te bestralen met neutronen (die vrijkomen als waterstof helium wordt).

De lithiumreserves zijn toereikend voor 1000 jaar consumptie en zeewater is in de praktijk een oneindige bron van zware waterstof. Zware waterstof uit 40 liter zeewater en superzware waterstof uit 5 gram lithium – de inhoud van de batterij van een mobieltje – kunnen evenveel energie leveren als 40 ton steenkool.

Fusiecentrales zullen veilig zijn omdat waterstoffusies direct kunnen worden gestopt door de toevoer van brandstof naar de reactorkamer af te sluiten.

De reactor stopt net zoals een automotor die zonder benzine komt te zitten. Fusie-energie laat ook geen hoog radioactief brandstofafval achter, in tegenstelling tot splijtingsenergie die wordt gebruikt in de huidige kerncentrales, want het enige restproduct is helium.

In het energiesysteem van de toekomst, waarbij zonne- en windenergie fluctueren met het weer, kunnen fusiecentrales een basisniveau van energie leveren, zodat er altijd groene stroom naar het stopcontact gaat.

Zo kan plasma ons van steenkool en olie naar een wereld van onuitputtelijke en klimaatvriendelijke energie brengen.