Je leest:

Een pilsje in gewichtloosheid

Een pilsje in gewichtloosheid

Auteur: | 30 maart 2001

Afgelopen oktober was de Europese ruimtevaartorganisatie ESA al een stuk verder in het leefbaar maken van de ruimte dan de NASA. Nog geen week voordat de eerste bewoners van het internationale ruimtestation zich aan hun Spartaanse verblijf op vierhonderd kilometer boven de aarde waagden, liet de ESA vier Delftse lucht- en ruimtevaartstudenten bier tappen in gewichtloosheid. Natuur & Techniek-medewerker Carl Koppeschaar was erbij en maakte mee hoe het eerste astronautenpilsje als een snoer van bellen door de ruimte zweefde.

Dat was tof, hè?", roept Patricia Koppenaal glunderend van plezier. Ze heeft zojuist, net zoals astronauten dat doen in de ruimte, een koprol in gewichtloosheid gemaakt. Patricia is derdejaars studente lucht- en ruimtevaart aan de TU Delft. Samen met de Belgische TU Delft-studenten Veerle Sterken, Thomas Lombaerts en Thijs De Witte vormt ze het onderzoeksteam ‘The Beertenders’.

Een half jaar eerder werd hun voorstel om bier te tappen in gewichtloosheid geselecteerd voor de Student Parabolic Flight Campaign van de ESA. Nu klieven ze aan boord van de speciaal daartoe omgebouwde Airbus A300 ‘ZERO-g’ door het Franse luchtruim. Op 7,6 km hoogte schiet het toestel steeds steiler omhoog. Bij een hoek van 47 graden schakelt de bemanning twintig seconden lang de motoren uit. In die tijd volgt het toestel een paraboolbaan. Totdat het toestel weer uit zijn duikvlucht optrekt, is het in vrije val zodat de inzittenden gewichtloos zijn. Terwijl Patricia filmt en ik de verrichtingen van de studenten fotografeer, opent Thomas de tapkraan. Een lange sliert vloeistof zweeft door de lucht. Aan het uiteinde vindt een afsnoering plaats tot goudgele bellen. Voor het eerst is er ook bier ‘in de ruimte’!

Koprol. Patricia Koppenaal, derdejaars studente lucht- en ruimtevaart aan de tu Delft, maakt een koprol in gewichtloosheid tijdens een paraboolvlucht in de omgebouwde Airbus 300. Carl Koppeschaar

Bellensnoer. Het eerste gewichtloze astronautenpilsje zweeft als een snoer van bellen door de ruimte.

Van koolzuurgas tot schuimkraag

Bier bevat koolzuurgas (CO2). Als je bier in een open glas laat staan, ontsnapt het koolstofdioxide naar de lucht. Door het bier te bottelen, blijft het gas in de vloeistof opgesloten. Bij het bottelen wordt het bier zodanig afgevuld dat hooguit een overdruk van twee bar ontstaat. Zolang het flesje gesloten blijft, is er sprake van een evenwicht. Er komt voortdurend koolzuurgas uit het bier vrij dat zich verzamelt in de ruimte onder de kroonkurk. Evenveel gasmoleculen duiken echter weer terug de vloeistof in.

Pas als je de dop van de fles trekt, raakt het evenwicht verbroken. Het gas onder de dop schiet naar buiten en de plotselinge ontsnapping van de moleculen veroorzaakt een temperatuursverlaging. Het gas zet uit en drukt daarbij de omringende lucht weg. De energie die het daarvoor nodig heeft, onttrekt het aan zichzelf: de bewegingsenergie van de gasmoleculen neemt af. Dat betekent dat de temperatuur daalt.

Bij een tot 8°C gekoeld biertje kan de temperatuur van het gas afnemen tot wel –35°C. De afkoeling duurt een fractie van een seconde, maar is voldoende om de aanwezige waterdamp in het gas te laten condenseren tot druppeltjes. Zo ontstaat een fijne, witte mist die omhoog komt uit de nek van het geopende flesje.

Ook dieper in het flesje vinden veranderingen plaats. Allereerst ontstaan de karakteristieke belletjes. Voordat het flesje geopend wordt, zijn die niet te zien. Door de overdruk blijft het koolzuur in het bier opgelost. Eenmaal blootgesteld aan de buitenlucht valt de druk terug tot de normale waarde, zodat de gasbelletjes kunnen ontsnappen. Aangezien gas lichter is dan vloeistof, rijzen de belletjes naar het oppervlak. Daar vormen ze met in bier aanwezige eiwitten de schuimkraag.

Bierstroom binnen de perken

De ESA lijkt een speciale voorkeur te hebben voor dit soort onderzoeken. Want vijf jaar geleden experimenteerde een ander studententeam van de TU Delft ook al met een pizzatafel in gewichtloosheid. Hun ‘nul-g pizzatafel’ was gebaseerd op de werking van een stofzuiger. De tafel was voorzien van gaatjes en een aangepaste stofzuiger hield de bodem van de pizza op zijn plaats. Ruimtevaartingenieurs hielden het experiment nauwlettend in de gaten. Dit kon wel eens dé oplossing zijn als je in de ruimte eens wat anders wil dan eten dat je uit een tubetje moet knijpen.

“Ik denk dat ze ons ‘Beer-O-Space’-experiment ook op die praktische toepasbaarheid hebben beoordeeld”, legt Veerle Sterken, de woordvoerster van het viertal, voor de vlucht uit. "Wij waren geïnteresseerd in het gedrag van vloeistoffen in gewichtloosheid. We prakkiseerden ons suf wat er zou gebeuren met koolzuurhoudende dranken zoals bier en cola.

Schuimt bier ook in de ruimte? Koolzuurgas hoopt zich normaal bovenin een biervat op en stuwt het bier via een buis onderin het vat naar de tapkraan. Maar in gewichtloze toestand vermengt het koolzuurgas zich met het bier en kan er geen constante bierstroom ontstaan. Je moet daarom een speciaal vat gebruiken, waarin het bier en het koolzuurgas door een membraan van elkaar gescheiden zijn."

Milieuvriendelijk biervat

De vier studenten vonden een oplossing. Die was dichterbij dan ze dachten. Aan hun faculteit bleek door eerder afgestudeerde studenten net een nieuw, milieuvriendelijk biervat te zijn ontwikkeld. Daarin zat al zo’n membraan. Op het vat werd een handpomp aangesloten om de bierstroom binnen de perken te houden. Voorkomen moest worden dat het bier in het vliegtuig, waar de druk lager is, te hard uit de tapkraan zou spuiten.

De vier studenten vonden een oplossing. Die was dichterbij dan ze dachten. Aan hun faculteit bleek door eerder afgestudeerde studenten net een nieuw, milieuvriendelijk biervat te zijn ontwikkeld. Daarin zat al zo’n membraan. Op het vat werd een handpomp aangesloten om de bierstroom binnen de perken te houden. Voorkomen moest worden dat het bier in het vliegtuig, waar de druk lager is, te hard uit de tapkraan zou spuiten.

“Volgens de regels van Novespace, het bedrijf dat de vluchten voor de ESA uitvoert, mogen er absoluut geen vloeistoffen of gassen vrij in de cabine van het toestel rondzweven”, vervolgt Sterken. "Dit met het oog op de veiligheid. In gewichtloosheid is er geen echt boven of onder en dan kan vocht makkelijk bij de vliegtuigbedrading, met het gevaar voor kortsluiting. We maakten daarom van niet-brandbaar materiaal een hermetisch afsluitbare handschoenkast. Een flinke klus, want de kast moest aan allerlei mechanische eisen voldoen. Hij moest 9 g aankunnen. Ook moest hij natuurlijk doorzichtig zijn en volkomen waterdicht, terwijl we toch tussen de parabolen door – in totaal worden tijdens elke vlucht 32 parabolen gevlogen – materialen wilden vervangen.’

Lek als een vergiet

Die eis voor absolute waterdichtheid wordt het experiment bijna fataal. De dag voor de vlucht hebben de vier studenten rode koppen van inspanning. Terwijl de handschoenkast tijdens een laatste test met water wordt gevuld, sijpelt het er langs één kant uit. “Repareren, of niet vliegen!”, is het bevel van Wubbo Ockels, de eerste Nederlandse astronaut en thans hoogleraar bemande ruimtevaart aan de TU Delft, die de paraboolvluchten voor het Office of Education and Outreach van de ESA organiseert.

Koortsachtig gaan de vier in de weer met lijm, kit en alle andere bevestigingsmiddelen die ze kunnen vinden. Hoezeer ze door het oog van de naald kruipen, wordt de ochtend van hun eerste vlucht duidelijk. Terwijl Patricia en Thomas de flesjes voor andere vloeistofexperimenten vullen (Veerle en Thijs vliegen pas de volgende dag), wordt nog eens getest of de handschoenkast niet lekt. Ze hebben geluk.

Maar voor een stel Italiaanse studenten wordt zo’n test een drama. Hun toestel, dat dient om de instabiliteit van een straal vloeistof te bekijken, lekt als een vergiet. “Eruit!”, klinkt het onverbiddelijk. Ontzet kijken de Italianen toe hoe het veiligheidsteam de bouten van het rekwerk open boort en hun installatie de vliegtuigtrap afdraagt. “Jullie hebben morgen nog een kans”, zegt Ockels sussend tegen de Italianen. “Maar als de boel vanmiddag niet waterdicht is, missen jullie de laatste vlucht en kan het experiment niet worden uitgevoerd.”

Eindelijk stijgt de ZERO-g op. We vertrekken richting Bretagne, waar we zonder gevaar voor het luchtverkeer parabolen kunnen vliegen. De allereerste parabool veroorzaakt veel hilariteit. Na de aanvankelijke verzwaring tot 2 g bereikt het vliegtuig de vereiste hellingshoek van 47 graden voor het begin van de paraboolbaan. Tijdens de pull-up zweeft iedereen verrast omhoog. Gelukkig zijn er overal banden waar je je aan kunt vasthouden of je voeten in kunt steken. Anders zou iedereen kriskras door de cabine schieten.

Bellen

Na de eerste twee parabolen beginnen de experimenten. Afgesproken wordt dat de redacteur van 2 Vandaag, die de studenten voor de televisie volgt, het allereerste losdraaien van de bierkraan zal filmen, terwijl ik het tappen van het pilsje in een bekertje zal proberen vast te leggen. Fotografisch gezien was dat een gelukkige keuze, want terwijl de televisiecamera snort, spuit het bier met grote kracht uit de slang en is alleen een grote hoeveelheid wegspattende vloeistof te zien. Later vermindert Thomas de druk van het biervat. Als het pilsje dan in een bekertje wordt getapt, stroomt het minder krachtig en is het hele proces in detail te fotograferen.

Toch valt het biertappen flink tegen. Theoretisch zou een hoeveelheid vloeistof, eenmaal vrijzwevend, een bolvorm moeten aannemen om het oppervlak zo klein mogelijk te maken. Het is moeilijk de vloeistofbollen van de bierstroom te isoleren en in plaats van een mooie, grote bal bier ontstaan hooguit bolletjes ter grootte van een pingpongbal. De vloeistof blijft ook een mengsel van bier en belletjes. Zelfs na verloop van tijd vormt zich geen appetijtelijke schuimkraag. Verder blijft het in een plastic bekertje getapt bier door adhesie aan de wanden kleven. Hoe er ook wordt geschud, het bier wil maar niet als een vrij zwevende bol uit het bekertje komen.

Dan maar een flesje cola schudden en de dop eraf draaien. Zoals te verwachten valt, spuit de cola er door de ontwikkelde gasdruk uit. Talloze bellen vliegen door de handschoenkast voordat ze aan de doorzichtige wanden vastkleven. Ook hier zijn door de bruine vloeistof heen overal bellen te zien.

De 23 seconden bleken te kort

“Doordat er in gewichtloosheid geen opwaartse druk is, blijven de koolzuurbelletjes homogeen door de vloeistof verspreid. Het biermengsel vormt dus eigenlijk een emulsie”, schrijft Thomas Lombaerts later in het teamverslag over de vlucht. “De grauwe kleur en ondoorzichtigheid van het bier worden vermoedelijk veroorzaakt door de veranderde straalbreking van licht als gevolg van de vele belletjes. Dat zie je ook bij sommige Duitse biersoorten zoals Hefe Weissen, waarbij het lang duurt voordat alle belletjes naar boven zijn geborreld. In ons geval zagen we de belletjes in het bier ook niet uitzetten. De 23 seconden bleken daarvoor te kort. Misschien dat het na verloop van tijd wel gebeurt en dat zich dan toch een bolvormige schuimkraag vormt? Zoiets zou alleen gedurende langere tijd, dus in een omloopbaan om de aarde, zijn na te gaan.”

Sponsor Bavaria

“Vlucht geslaagd, biertappen geslaagd, maar nog geen eenduidige conclusies en dus aanleiding tot mogelijk vervolgonderzoek”, concludeert Wubbo Ockels na afloop tevreden. “Kijk, dat is nou precies de bedoeling van onze studentenvluchten. De beste experimenten gaan door naar wetenschappelijke paraboolvluchten die later plaatsvinden. De volgende ronde is de echte ruimte. Omdat de ESA en zijn internationale partners nu bezig zijn met de bouw van het internationale ruimtestation ISS, waar vijftien jaar lang met gewichtloosheid kan worden geëxperimenteerd, is het van cruciaal belang dat nu al proeven worden uitgevoerd als voorbereiding voor toekomstige experimenten in de ruimte.”

Ockels is dus tevreden. Sponsor Bavaria eveneens. Die leverde het bier en steunde de studenten ook financieel. Bavaria mag zich voortaan het ‘eerste pilsje in gewichtloosheid’ noemen en kan feitelijk zó in het Guinness Book of Records.

Maar ja, die waterdichte handschoenkast. Omdat geen druppel vocht in het vliegtuig mocht rondvliegen, heeft niemand kunnen genieten van het astronautenpilsje. Misschien is dat maar goed ook. Want gezien vorm en structuur van het gewichtloze bier zullen de bierfabrikanten nog heel lang moeten experimenteren alvorens ze een nieuw afzetgebied zullen vinden in de ruimte.

Dit artikel is een publicatie van Natuurwetenschap & Techniek.
© Natuurwetenschap & Techniek, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 30 maart 2001

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.