Je leest:

Laser op met die bliksem!

Laser op met die bliksem!

Opgeblazen tv’s, computers en wasmachines, bosbranden, uitgevallen elektriciteitscentrales, storing in een kernreactor. Een blikseminslag kan helemaal verkeerd uitpakken. Vandaar dat er gezocht wordt naar manieren om onweerwolken van hun gevaarlijke lading te ontdoen. Afweergeschut van lasers moet de goeie ouwe bliksemafleider overbodig maken.

De Amerikaanse ruimtevaartorganisatie NASA is misschien wel het bangst voor onweer. Dat komt doordat de bliksem een voorkeur heeft voor hooggelegen punten. En wat steekt er in de kuststreek van Cape Canaveral nu hoger in de lucht dan een voor lancering gereedstaande raket? Bovendien is Florida de staat waar in Amerika de meeste blikseminslagen plaatsvinden. Bij iedere raketlancering wordt dus angstvallig gekeken naar de onweerskans.

Blikseminslag vlakbij de Space Shuttle. bron: Nasa

In 1969, 36 seconden na de start van Apollo-12, ging het bijna mis. Bij een snelheid van 380 km/uur en een al bereikte hoogte van 1,8 km zag de bemanning van de maanraket een felle lichtflits. Direct daarna floepten de waarschuwingslampjes aan. Op de grond zagen de toeschouwers verbijsterd hoe de bliksem zich als een slang tussen de voortijlende raket en het lanceerplatform kronkelde. Zowel in het Apollo-moederschip als het vluchtleidingscentrum op de grond honkten de sirenes dat diverse systemen waren uitgevallen. Daaronder bevond zich – gelukkig maar even – het vluchtnavigatiesysteem.

Blikseminslag vlakbij de Apollo 12. In de eerste minuut na de lancering werd deze missie geraakt door een bliksemstraal. Die speelde een aantal seconden tussen platform en raket heen en weer, maar de raket en inzittenden overleefden het gelukkig. bron: Nasa

Astronaut Charlie Conrad op dat spannende moment: “Okay gang: we waren onze navigatie kwijt. Ik weet niet wat er aan de hand is, maar nog steeds werkt er van alles niet. De lampjes voor de brandstofcellen staan te flikkeren, evenals die van het elekticiteitscircuit. De brandstofcellen zijn nu afgesloten en er is een overbelasting van het elektrische circuit. Doorverbindingselementen 1 en 2 zijn uit. Ook A en B zijn uit.”

Tot 52 seconden na de lancering schichte de bliksem heen en weer tussen de grond en de raket. Toen kronkelde de laatste ‘slang’ vanaf het lanceerplatform omhoog. Zou de navigatie voor langere tijd zijn uitgevallen, dan was de ramp niet te overzien geweest. Zonder de signalen van de vluchtleiding zou de raket ongecontroleerd door de lucht zijn gaan zwalken. Terwijl de eerste trap van de raket werd afgestoten, lukte het astronaut Alan Bean de brandstofcellen weer te activeren. “We werken nog aan het elektrische circuit en schoffelen zo een voor een de problemen weg,” klonk de stem van commandant Conrad opgelucht: “Maar ik denk dat jullie de boel nog maar eens goed voor alle weertypen moeten testen!”

Vliegen door de bliksem

Hoewel ieder vliegtuig gemiddeld wel één keer per jaar door de bliksem wordt getroffen, is vliegen veiliger dan iedereen denkt. Als een vliegtuig door de bliksem wordt getroffen, gaat het erom de elektrische stroom zo snel mogelijk naar de bliksemafleiders aan de vleugeltips te geleiden. Een aluminium vliegtuig was vroeger weliswaar een perfecte ‘kooi van Faraday’. Maar door het gebruik van kunststofvezels voor vliegtuigrompen en vliegtuigvleugels moet de elektrische geleidbaarheid op een andere manier zijn gewaarborgd. Dat gebeurt door speciale, elektrische stroom geleidende aluminiumverf, bliksemafleiderstrips en elektrische schakelingen die de boordapparatuur tegen plotselinge stroomstoten moeten beveiligen. Ook is de ‘huid’ rondom de brandstoftanks in de vleugels zodanig verdikt dat hij voldoende weerstand biedt aan de verhitting door elektrische stromen.

Hoeveel geluk de Apollo-12 bemanning had, bleek later in 1987. Toen kreeg de NASA misschien de duurste inslag uit zijn geschiedenis te verwerken. De bliksem trof een een onbemande Atlas-Centaur raket en joeg de centrale boordcomputer op hol. In plaats van gecontroleerde vuurstoten, liet de computer de raketmotoren op volle kracht branden. De raket brak in stukken en explodeerde in de lucht. Tussen het puin regende ook de verpulverde lading neer. In de neuskegel van de raket bevond zich een vele miljoenen dollars dure communicatiesatelliet.

“De NASA is niet de enige die wij tegen de bliksem proberen te beschermen,” zeggen Ralph Bernstein en Karl E. Stahlkopf van het Electric Power Research Institute, die in Florida een speciaal laboratorium oprichtten voor onderzoek naar een betere inslagpreventie. "Ons land wordt jaarlijks door zo’n 20 miljoen inslagen getroffen. Daardoor vinden een paar honderd mensen de dood, vallen elektriciteitscentrales uit en ontstaan bosbranden. Naast raketten worden ook vliegtuigen getroffen. Ook ontstond door blikseminslag ooit een ernstige storing in een kerncentrale.

“Natuurlijk kun je wel vanalles van bliksemafleiders voorzien. Maar dat voorkomt niet dat indirecte blikseminslag enorme schade kan aanrichten. Bij indirecte blikseminslag wordt een huis of bouwwerk niet zelf geraakt, maar iets anders in de omgeving. Via een goede geleider, zoals het elektriciteitsnet, gaat de stroomstoot dan verder en richt elders grote schade aan.

“Wat er gebeurt is dat in het elektriciteitsnet een overspanning ontstaat. Die verloopt zo snel, dat gewone smeltveiligheden in een huis niet op tijd doorslaan. Bij moderne elektronische apparatuur moet de stroomvoorziening echter stabiel zijn. Wat je dus krijgt is dat de inslag zelf geen schade aanricht, maar indirect wel tv’s, computers, geluidsinstallaties, elektronisch gestuurde cv-installaties en wasmachines in verderop gelegen huizen ‘opblaast’.”

Menselijke bliksemafleider

Wereldwijd vinden 600 bliksemontladingen per seconde plaats. De meeste daarvan zijn tussen wolken onderling of tussen twee verschillende delen van één wolk; slechts 100 ontladingen per seconde gaan tussen grond en wolk. In de tropen onweert het vaker en heviger dan in gematigde streken. De ‘hoofdstad van de bliksem’ is de Ugandese hoofdstad Kampala, waar het twee van de drie dagen dondert en bliksemt. Aan de polen onweert het nagenoeg nooit; een eskimo hoeft niet bang te zijn voor blikseminslag. In Nederland worden jaarlijks zo’n twintig personen door de bliksem getroffen. Eén op de drie daarvan kan het niet navertellen.

Eén ‘menselijke bliksemafleider’ was boswachter Roy C. Sullivan uit de Amerikaanse staat Virginia. Zijn aantrekkingskracht voor de bliksem openbaarde zich voor het eerst in 1942. Bij die eerste inslag verloor hij de nagel van een teen. In juli 1969 werd hij opnieuw getroffen en raakte hij zijn wenkbrauwen kwijt. Precies een jaar later werd zijn linkerschouder verschroeid en in april 1972 vloog zijn haar in brand. In augustus 1973 verbrandde zijn nieuw aangegroeide haar en verschroeiden zijn benen. In juni 1976 liep hij een gekwetste enkel op en in juni 1977 werd hij met brandwonden aan borst en buik naar het ziekenhuis gebracht. Die laatste keer werd hij overigens getroffen tijdens het vissen. In 1983 overleed Sullivan. Niet ten gevolge van een blikseminslag, maar omdat hij een einde aan zijn leven maakte vanwege een onbeantwoorde liefde.

Benjamin Franklin, vertellen beide geleerden, liet in 1752 op levensgevaarlijke wijze een vlieger op aan een metalen draad. Hij geloofde het ‘elektrische vuur’ uit de wolk te kunnen trekken, nog voordat dit kon inslaan. Later realiseerde Franklin zich dat je via een puntige staaf de bliksem kon geleiden. Zo werd het principe van de bliksemafleider geboren.

Benjamin Franklin werd beroemd om zijn – nogal gevaarlijke! – eerste bliksemexperiment. Later bedacht hij dat een puntige metalen staaf een goed alternatief was voor een vlieger. bron: the Bettman Archive

“In dat oorspronkelijke experiment van Franklin zat misschien meer dan iedereen vermoedde,” vervolgen Bernstein en Stahlkopf. “Want stel dat je een elektrisch geladen wolk van tevoren zou kunnen ontladen? Dan ontkom je aan de stroomstoot van ettelijke duizenden tot wel 300.000 ampères, die optreedt tijdens de verwoestende ‘terugslag’” h3. (zie het kader ‘Bliksem slaat niet in, maar uit’)

Bliksem slaat niet in, maar uit

Als de lucht tussen een onweerswolk en de grond niet goed meer isoleert (er is door de bewegingen van bevriezende waterdruppeltjes tussen aarde en wolk dan een spanningsverschil opgebouwd van tientallen miljoenen tot wel honderd miljoen volt), ontsnapt negatieve lading uit de wolk en die baant zich zigzaggend een weg naar de aarde. Dit is de voor het blote oog onzichtbare voorontlading: een soort gids die door de isolerende luchtlaag heen de gemakkelijkste weg zoekt naar de aarde. De voorontlading daalt met een snelheid van ongeveer 150 km/s en legt per keer stapsgewijs ongeveer 50 meter af. Van wolk naar aarde duurt de stapsgewijze voorontlading ongeveer 0,02 seconde. Soms slaat een deel van de voorontlading een zijpad in. Dat is de oorzaak van de zich later vertakkende bliksemflits. Maar er is meestal maar één voorontlading die de strijd wint en waarlangs de echte ontlading plaatsvindt. Als die de aarde voldoende is genaderd, schiet vanaf het oppervlak een vonk omhoog. Die terugslag gaat met een snelheid van 150.000 km/s (de helft van de lichtsnelheid) en ontmoet de voorontlading 10 tot 50 meter boven de grond. Op dat moment schiet de elektrische stroom omhoog. In vijf tot tien miljoensten van een seconde wordt het vingerdikke ontladingskanaal verhit tot 30.000 oCelsius. Door de supersnelle verhitting loopt de druk op tot 20.000 hectopascal. Het bliksemkanaal zet sterk uit en er ontstaat een plotselinge luchtverdunning. De klap waarmee die weer door de omringende lucht wordt gevuld, is de donder.

Eén manier om de bliksem vóór te zijn is het lanceren van raketten die aan een honderden meters lange metaaldraad zijn verbonden. Zowel in Frankrijk als de Verenigde Staten zijn dit soort raketten op onweerswolken afgevuurd. De raket-methode werkt echter vaker niet dan wel omdat ofwel de metaaldraad afbreekt, ofwel de elektrische veldsterkte op aarde nog niet groot genoeg is voor een voldoend groot verschil ten opzichte van de wolk. En vindt er langs de draad een ontlading plaats, dan is die kunstmatig opgewekt en daardoor nooit zo hevig als een spontane ontlading. Wél heeft het raketonderzoek gegevens opgeleverd over de opbouw van de bliksem (enkele ontladingen na elkaar) en zijn ontladingssnelheid.

Door de meegetrokken stalen draad houdt deze raket de elektrische potentiaal van de grond aan. Als de raket hoogte wint, wordt hij een eilandje van lage potentiaal in de lucht – een aanlokkelijk doelwit voor de bliksem, die zich dan voortijdig ontlaadt. bron: www.aero.org

Bliksemverontreiniging

Bliksem is verantwoordelijk voor ongeveer een kwart van de hoeveelheid aan het aardoppervlak vrijkomende stikstofoxiden. Door de temperatuur van 30.000 graden vindt namelijk dezelfde chemische reactie plaats als in de verbrandingsmotoren van auto’s en vliegtuigen. De stikstof van de lucht (N2) verbindt zich met zuurstof (O2) tot stikstofoxiden (NOx). Stikstofoxiden spelen een kwalijke rol. In de stratosfeer vormen ze salpeterzuur, waardoor de tegen ultraviolet licht beschermende ozonlaag wordt afgebroken. Aan de grond zorgen ze juist weer voor de aanmaak van ozon, dat in de lagere delen van de atmosfeer zorgt voor een ongewenste opwarming van het aardoppervlak en voor irritaties van slijmvliezen en luchtwegen. Per jaar produceert de bliksem 10 tot 15 miljoen ton stikstofoxiden. Daarmee is hij op de mens na (24 miljoen ton door verstoking van fossiele brandstoffen en 8 miljoen ton door het verbranden van bossen en grasland) op dit gebied de grootste luchtvervuiler.

Zou je in plaats van metaaldraad niet beter laserstralen kunnen gebruiken om een geleidend stroomkanaal door de lucht te ‘schieten’, vroegen de onderzoekers zich af. In het begin leek dat onmogelijk omdat intense lasers de lucht zo sterk ioniseerden dat die ondoorzichtig werd voor de laserstraling. De laser deed dan weliswaar zijn werk, maar veel te ‘goed’ zodat-ie niet hoger in de lucht kwam.

“In 1997 lukte het Japanse onderzoekers dit probleem te omzeilen door gebruik te maken van krachtige infraroodlasers,” vervolgen Bernstein en Stahlkopf. "In plaats van een lange bundel gebruikten zij lasers om op verschillende hoogten een onderbroken spoor van geïoniseerde, en dus elektriciteit geleidende luchtbellen te maken. Zij kregen ontladingen tot 35.000 ampère. Door via een netwerk van meetapparatuur na te gaan hoe het elektrisch veld onder de wolken veranderde, lukte het hen de laserstralen af te vuren vlak voor de al op handen zijnde inslag.

“Een nadeel van de Japanse methode is nog dat hun lasers 20.000 megawatt aan energie vreten. Jean-Claude Diels en Xin Miao Zhao, twee natuurkundigen van de universiteit van New Mexico en het Los Alamos National Laboratory, proberen het daarom met ultraviolet licht en gewoon wit licht van veel minder krachtige lasers. Via spiegels gaat de gemeenschappelijke straal kaarsrecht omhoog, zodat een geleidend kanaal ontstaat waarlangs de stroomstoot zich kan ontladen.”

Hier wordt een raket getest die elektrische lading in een onweerswolk vroegtijdig moet aftappen. bron: Sandia National Laboratories

In het laboratorium werkt het apparaat van Diels en Zhao al op volle toeren. Tussen elektroden zijn al elektrische ontladingen opgewekt op een moment dat het spanningsverschil nog maar de helft bedroeg van de doorslagspanning van de lucht. Dat belooft veel, want dat betekent dat hun apparaat al zou kunnen worden ingezet om het ‘hemelvuur’ af te tappen nog voordat de onweersbui zijn hoogtepunt bereikt.

“Als alles meezit kan onze laser tien keer per seconde de aanzwellende onweerswolken te lijf,” rapporteren Diels en Zhao enthousiast. “Het enige nadeel is dat onze proefopstelling zo log en kwetstbaar is dat we er nog niet mee op pad kunnen door het land. Maar we werken nu aan een mobiele laser en gaan daar binnenkort mee aan de slag.”

Als het visioen van het viertal heren in vervulling gaat, dan is in de 21ste eeuw de bliksem getemd. In plaats van het ongecontroleerde geflits van nu worden we dan getracteerd op gratis lasershows waarmee het spanningsverschil tussen aarde en lucht wordt ontladen.

Bronnen

Jean-Claude Diels, Ralph Bernstein, Karl E. Stahlkopf, Xin Miao Zhao: Lighning control with lasers; in Scientific American, augustus 1997. Helmut Vieser: Lebensadern des Feures; in Bild der Wissenschaft, augustus 1997.

Dit artikel is een publicatie van Astronet.
© Astronet, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 26 juni 2003

Discussieer mee

0

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

LEES EN DRAAG BIJ AAN DE DISCUSSIE