Je leest:

Prijs naar de bliksem

Prijs naar de bliksem

De Minerva-Prijs 2004 van de Stichting FOM voor de beste natuurkundige publicatie van een vrouw in de afgelopen twee jaar is toegekend aan prof.dr. Ute Ebert.

Ebert (42) krijgt de prijs voor een artikel waarin zij het spontane opsplitsen van vonken verklaart met behulp van nauwkeurige simulaties en analytisch inzicht. Ebert, de drijvende kracht achter het onderzoek, en haar collega’s gebruiken hiervoor een eenvoudig model. Tot nu toe namen natuurkundigen aan dat dit model zonder toevoegingen wel de groei maar niet het vertakken van vonken kon verklaren.

De jury prijst Ebert om haar moed om te werken aan een dergelijke wiskundige beschrijving van een probleem. Het onderzoek heeft tot zeer succesvolle resultaten geleid, die zijn gepubliceerd in onder andere het prijswinnende artikel. De jury hoopt dat Eberts doorzettingsvermogen en zelfvertrouwen om, tegen de heersende mode in, te doen wat ze leuk vindt, een inspiratiebron is voor iedere fysicus.

Prof. dr. Ebert is sinds 1998 verbonden aan het Centrum voor Wiskunde en Informatica (CWI) in Amsterdam, waar ze op dit moment leider is van het pilot-thema ‘Nonlinear dynamics and complex systems’. Daarnaast is ze sinds 1 maart 2002 één dag in de week hoogleraar aan de faculteit Technische Natuurkunde van de Technische Universiteit Eindhoven. bron: FOM

Bliksem is de indrukwekkendste vorm van een elektrische ontlading in de natuur. Zo’n ontlading bestaat uit een elektrische stroom door materiaal dat normaal niet geleidend is. Dit treedt op als plotseling hoge elektrische spanning op een niet-geleidend materiaal komt te liggen. In het begin van het ontladingsproces groeien dunne geïoniseerde en dus geleidende kanaaltjes door de materie met snelheden van een duizendste tot een honderdste van de snelheid van het licht. Deze groeiende kanaaltjes doen in veel opzichten denken aan de voortplanting van mechanische breuklijnen en vertakken vaak. Zij bepalen het latere pad van vonk of bliksem.

Binnen 250 nanoseconden groeien elektrisch geleidende kanalen in gewone lucht vanuit een positief geladen naald boven naar een negatief geladen plaat beneden. De afstand bedraagt 2,5 centimeter en de spanning 25 kilovolt. Links is de belichtingstijd 5 nanoseconden, rechts 1 microseconde. Te zien is dat de kanalen niet over hun hele lengte een zwak licht uitzenden, maar alleen de actief groeiende koppen van de kanalen. De langgerekte vorm van sommige koppen is een gevolg van hun snelheid. Als de opname maar 0,8 nanoseconde duurt, zijn alle koppen in essentie bolvormig.bron: E. van Veldhuizen, TU/e Klik op de afbeelding voor een grotere versie.

Theorie achter ontladingen

Ebert doet met haar groep op het Centrum voor Wiskunde en Informatica in Amsterdam onderzoek naar de theorie achter deze ontladingen. De huidige stand van zaken doet denken aan de hydrodynamica waar de Navier-Stokes-vergelijking tot de collegestof behoort, maar de turbulentie nog steeds raadsels geeft. De basisvergelijkingen die de groei en het vertakken van de kanaaltjes beschrijven bevatten drie mechanismen: 1) creëren van meer ionisatie door elektronen die in sterke lokale elektrische velden versneld worden en daarna op neutrale deeltjes botsen; 2) elektrische stromen in het geïoniseerde gebied, en daardoor 3) de opbouw van ruimteladingen die het elektrische veld veranderen.

Nauwkeurige simulaties die de Amsterdamse onderzoekers uitvoerden, laten zien hoe elektrisch geleidende en afgeschermde kanalen ontstaan. In de groeiende kanaalkop wordt een inwendige structuur gevormd. De structuur is opgebouwd uit een elektrisch afgeschermde binnenkant omgeven door een dunne elektrisch geladen afschermlaag. Dit leidt tot een krachtige versterking van het lokale elektrische veld net aan de buitenkant van de gekromde afschermlaag, net als voor de punt van een bliksemafleider. In dit sterke lokale elektrische veld worden ionen en elektronen aangemaakt. Als de afschermlaag voldoende dun wordt, wordt ze instabiel en vertakt het ionisatiekanaal. Door dit begrip van de processen te ontwikkelen, hebben de onderzoekers voor het eerst kunnen voorspellen wanneer zo’n vertakking optreedt.

Ebert legt hier wiskundig een verband met de groei van bijvoorbeeld sneeuwkristallen, koralen en dergelijke, waarbij ook vertakking optreedt. Om het fenomeen analytisch te verklaren, beschouwen de onderzoekers het systeem namelijk als een systeem met twee fasen. Een bewegend grensvlak scheidt de geïoniseerde fase van de niet-geïoniseerde fase. Dergelijke tweefasesystemen vertonen soortgelijke instabiliteiten. Zo kunnen de onderzoekers er bekende wiskundige vergelijkingen op loslaten die ook gelden voor andere tweefasesystemen zoals bijvoorbeeld twee vloeistoffen met verschillende viscositeiten.

Bliksem

Op dit moment richt Ebert zich op kleine vonken over afstanden van één tot vijftig centimeter in een zuiver gas als argon of stikstof. Daarnaast doet zij ook onderzoek naar ontladingen over grotere afstanden en bij hogere spanningen, bijvoorbeeld bij bliksem of bij zogenaamde sprite-ontladingen van wolken opwaarts tot hoogtes van tachtig tot negentig kilometer, waar de ionosfeer begint.

Ebert is ook betrokken bij het experimenteel onderzoek van ir. Tanja Briels, dr. Eddie van Veldhuizen en prof.dr. Gerrit Kroesen aan de Technische Universiteit Eindhoven. De Eindhovense onderzoekers kijken met ultrasnelle CCD-camera’s naar ontladingen. Deze foto’s geven voor het eerst een goed beeld van de echte dynamica op de tijdschaal van nanoseconden (één nanoseconde is 10-9 seconde). Zo kunnen de onderzoekers nu deze beginfase van vonken en bliksems direct zien. Dit levert voor het theoretisch begrip van deze verschijnselen nieuwe uitdagingen, zowel op het analytische als het numerieke vlak.

Een numerieke berekening van de vertakking van een negatief kanaal. De plaatjes vertonen lijnen van gelijke elektronendichtheid op vier opeenvolgende tijdstippen.

In 1987 studeerde Ebert af in de natuurkunde aan de Universiteit van Heidelberg in Duitsland. Vervolgens bracht ze een onderzoeksjaar aan de Hebreeuwse Universiteit in Jeruzalem door en promoveerde zij aan de Universiteit van Essen op een onderwerp in de polymeerdynamica. In 1994 kwam ze als postdoc naar het Instituut-Lorentz van de Universiteit Leiden. Sinds 1998 is ze verbonden aan het Centrum voor Wiskunde en Informatica (CWI) in Amsterdam, waar ze op dit moment leider is van het pilot-thema ‘Nonlinear dynamics and complex systems’. Daarnaast is ze sinds 1 maart 2002 één dag in de week hoogleraar aan de faculteit Technische Natuurkunde van de Technische Universiteit Eindhoven.

Minerva-prijs

Het doel van de tweejaarlijkse Minerva-Prijs is vrouwelijke onderzoekers in de natuurkunde meer zichtbaarheid te geven. De prijs maakt deel uit van het FOm/v-Stimuleringsprogramma dat FOM in 1998 heeft ingesteld om meer vrouwelijke natuurkundigen te behouden voor de Nederlandse fysica. Het programma bood vrouwelijke onderzoekers onder andere extra mogelijkheden voor financiering van onderzoeksvoorstellen en tijdelijke wetenschappelijke posities, en van reizen, congresbezoek en uitnodigen van vrouwelijke gastonderzoekers. Alle middelen in het FOm/v-Stimuleringsprogramma zijn inmiddels bestemd. De prijs zelf heeft als specifiek doel excellente vrouwelijke fysici voor het voetlicht te brengen en een impuls te geven aan de carrière van de prijswinnares. Aan de Minerva-Prijs is een geldbedrag van 5000 euro verbonden, door de winnares vrij te besteden.

Meer weten:

Dit artikel is een publicatie van Stichting Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM).
© Stichting Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM), alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 25 februari 2004

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.