Naar de content

Pulserende plasma's en atomaire biljartballen

Onderzoeksinstituut DIFFER kijkt op fundamenteel niveau naar duurzame energieproductie

Een close-up van gemagnetiseerd plasma met roze licht in een donkere ruimte.
Een close-up van gemagnetiseerd plasma met roze licht in een donkere ruimte.
Bram Lamers voor DIFFER (met toestemming)

Een Magnum is geen ijsje en benzine kun je ook uit lucht maken. Bij onderzoeksinstituut DIFFER is niets te gek als het gaat om nieuwe energiebronnen. NEMO Kennislink ging langs en leerde van alles over zonnebrandstoffen en de extreme condities in een kernfusiereactor.

16 september 2016

Wie het gebouw van onderzoeksinstituut DIFFER in Eindhoven binnenloopt kan gemakkelijk in verwarring raken. Wordt hier wetenschappelijk onderzoek verricht? Het is namelijk een heel mooi gebouw met dito interieur. Stijlvolle stoelen, designlampen, hippe vloerkleden. Een groot contrast met het gemiddelde universitaire natuur- of scheikundegebouw, waar een onzalige mix van systeemplafonds, kille verlichting en vaal beige meubilair de aanblik bepaalt.

Het DIFFER-gebouw is nog maar een jaar oud en dat verklaart waarom het er allemaal zo gestroomlijnd en modern uitziet. Toch rukt ook hier de science styling op – de eerste wetenschappelijke posters hebben zich al op een muur genesteld. Maar genoeg over het uiterlijk, tijd voor een kennismaking met de inhoud. DIFFER staat voor Dutch Institute For Fundamental Energy Research. Ze doen hier fundamenteel onderzoek naar energie en dan vooral naar nieuwe, duurzame bronnen voor de productie van energie. Die bronnen zijn al voorhanden overigens, namelijk de zon en het atoom. Maar hoe kun je die energie vangen, opslaan en gebruiken? Dat zijn de grote vragen waar hier ongeveer tweehonderd wetenschappers en technici aan werken.

Benzine zonder aardolie

De eerste halte tijdens de rondleiding is het microgolfplasma-lab, waar we kennismaken met promovendus Bram Wolf en postdoc Tiny Verreycken. Hun onderzoek valt onder het kopje solar fuels ofwel zonnebrandstoffen, dat een van de twee hoofdlijnen van het DIFFER-onderzoek is. NEMO Kennislink schreef al eerder over solar fuels. Kort gezegd gebruik je dan CO2 uit de lucht als grondstof om met zonne- of windenergie brandstoffen zoals benzine en diesel te maken.

Bram Wolf legt uit waarom dat een goed idee is. “Brandstoffen zijn nog steeds de meest effectieve energiedragers die we kennen, zeker als we energie voor langere tijd willen opslaan. De energie sla je op als chemische bindingen in de brandstofmoleculen.” Benzine, diesel en andere brandstoffen die we nu uit aardolie produceren bestaan voornamelijk uit koolstof- en waterstofatomen, maar die kun je ook ergens anders vandaan halen. CO2 uit de lucht is heel interessant als koolstofbron, omdat je bij dan bij het verbranden van de brandstof geen extra CO2 produceert. Je maakt dus een CO2-neutrale brandstof.

Om CO2 te gebruiken moet je de moleculen eerst uit elkaar halen. Dissociëren noemen ze dat hier. “De eenvoudigste manier om een gas te dissociëren is door het heel heet te maken, zodat de moleculen sneller gaan bewegen”, zegt Wolf. “Hoe sneller ze bewegen, hoe groter de kans dat ze kapotgaan. Er gaat echter veel energie verloren in de vorm van warmte.”

Gelukkig kan het ook efficiënter, vertelt Tiny Verreycken. “Als je van het gas een plasma maakt, kun je de toegevoegde energie gericht sturen, zodat je alleen specifieke trillingen opwekt in de moleculen, zonder dat het gas opwarmt. Daardoor verlies je veel minder energie.” Een plasma maak je door een elektrisch veld op te wekken in een gas. Er zijn altijd enkele losse elektronen aanwezig en die worden door het elektrische veld versneld. Als ze vervolgens tegen de gasmoleculen botsen kunnen daar ook elektronen uit vrijkomen. Er ontstaat een soort sneeuwbaleffect, waarbij steeds meer moleculen uit elkaar vallen.

Gericht vibreren

In de onderzoeksruimte staat een kleine versie van een plasmagenerator. Verreycken gebruikt deze opstelling om te onderzoeken hoe je de dissociatie van CO2 zo effectief mogelijk kan laten plaatsvinden. Een van de manieren die ze toepast is het zogeheten pulsen: herhaaldelijk aan- en uitzetten van het plasma. Dat gaat heel snel, van honderd keer per seconde tot wel tien miljoen keer per seconde. “Het is belangrijk om te zorgen dat het plasma niet te heet wordt, want dan krijg je ongewenste reacties waarbij het gedissocieerde CO2 zich weer terug vormt. Je wilt daarom de temperatuur laag houden. Daarnaast willen we onderzoeken of door te pulsen ook specifiek de productie van trillende CO2 moleculen kunnen stimuleren, zodat dissociatie nog efficiënter verloopt. We vermoeden dat niet alleen de temperatuur een rol speelt.”

Omzetting van CO2 naar CO in een microgolfplasma. Waldo Bongers voor DIFFER (met toestemming)

Over het plasmaonderzoek kunnen beide nog veel meer vertellen, maar de tijd is voorbij gevlogen en de volgende stop kondigt zich aan. Van de handzame generator van Verreycken en Wolf schakelen we over naar de grootste opstellingen van DIFFER: de ionenversneller en de MAGNUM. We stappen een grote ruimte binnen die vrijwel volledig wordt gevuld door een joekel van een buis die na een bocht dwars door de muur gaat en uit het zicht verdwijnt.

Tijdens een eerdere Open Dag kon het publiek de ionenversneller van dichtbij bekijken. Inmiddels is de opstelling operationeel. Norbert van Onna voor DIFFER (met toestemming)
Miranda van den Berg bij de ionenversneller. Op de achtergrond is zien we de opstelling naar links afbuigen. Hier vindt selectie plaats: alle ongewenste ionen vliegen hier letterlijk uit te bocht. Esther Thole voor NEMO Kennislink

Uit de bocht

We zijn in het domein van projectcoördinator Miranda van den Berg die het gevaarte overduidelijk van haver tot gort kent. De ionenversneller wordt gebruikt voor diagnostisch onderzoek, vertelt Van den Berg. Niet voor medische doeleinden, maar voor een zeer gedetailleerd beeld van materialen en oppervlakken. Ze wijst op de enorme buis. “Hier zetten we de ionen, dat zijn geladen deeltjes, onder hoge spanning waardoor ze gaan versnellen. We gebruiken vooral lichte ionen, zoals waterstof en helium. Vervolgens gaan ze door die bocht en dat is een magneet die een hoek van negentig graden maakt. Dat zorgt voor selectie. Alle ionen die een afwijkende massa hebben, zoals vervuilingen of aan elkaar geplakte ionen, vliegen hier letterlijk uit de bocht. Wat overblijft is een heel zuivere ionenbundel die je tegen je monster laat botsen.”

Met zo’n ionenbundel kun je heel precies de structuur en de samenstelling van een materiaal ‘bekijken’. Van den Berg legt uit wat er precies gebeurt: “Stel je voor dat ik een paar biljartballen op de grond laat vallen. De manier waarop ze terug stuiteren geeft mij informatie over de ondergrond. Is die van rubber, dan stuiteren ze hoger dan bij een stenen vloer. Komen ze allemaal recht omhoog, dan is het oppervlak heel egaal. Stuiteren ze juist alle kanten op, dan is het onregelmatig gevormd, maar uit de verschillende terugkaatshoeken kan ik wel de structuur berekenen. Zo werkt het met de ionenbundel ook.” Maar wat heeft dat met energieonderzoek te maken? Voor het antwoord moeten we de buis volgen die door de muur is verdwenen.

Links zien we de ionenbuis door de muur verdwijnen, rechts komt de buis binnen bij MAGNUM. De drie ronde onderdelen zijn magneten, die ervoor zorgen dat de ionenbundel z’n focus behoudt. Esther Thole voor NEMO Kennislink

Wij lopen even om en komen terecht in een aangrenzende grote ruimte waar de MAGNUM staat. Dit zou je best het paradepaardje van DIFFER kunnen noemen. “MAGNUM is gebouwd om de condities in de uitlaat van ITER na te bootsen”, vertelt Van den Berg. Voor wie de draad nu kwijt is: ITER is een kernfusiereactor die momenteel in Zuid-Frankrijk wordt gebouwd. En dan zijn we bij de link met energieonderzoek, want van kernfusie wordt veel verwacht in termen van duurzame energieproductie. Kernfusie is de andere pijler van het DIFFER-onderzoeksprogramma.

Een deel van MAGNUM. In de witte tank worden de monsters blootgesteld aan het plasma en daarna gebombardeerd met de ionen uit de ionenversneller. Die buis komt van rechtsonder het beeld in. Bram Lamers voor DIFFER (met toestemming)
Bram Wolf bij de nieuwe, iets grotere microgolfplasma-generator. Deze is net gearriveerd en daarom nog niet operationeel. Esther Thole voor NEMO Kennislink

Spaceshuttle

“Wat wij hier genereren, kun je vergelijken met de warmte die een spaceshuttle op z’n neus krijgt bij terugkeer in de dampkring. Het is belangrijk om te onderzoeken hoe een materiaal dat je bijvoorbeeld in de reactorwand gebruikt, op die extreme omstandigheden reageert. Een probleem bij fusiereactoren is dat de brandstof in de wand gaat zitten. Wij willen weten hoe de wand er dan uit komt te zien.” De MAGNUM is direct verbonden met de ionenversneller in de naastgelegen ruimte en dat biedt grote voordelen, aldus Van den Berg. “We kunnen nu in MAGNUM een materiaal blootstellen aan de condities van een fusiereactor en er vervolgens zonder onderbreking de diagnostische kracht van de ionenversneller op loslaten. Dat is een unieke combinatie.”

En soms rollen er onverwachte resultaten uit. “De wanden van de fusiereactor zijn van wolfraam, een keihard en moeilijk bewerkbaar metaal dat pas smelt bij heel hoge temperaturen. Maar opeens zagen we een zwarte laag ontstaan na blootstelling in MAGNUM. Dat was balen, want het wolfraam bleek dus toch aangetast te worden. Totdat een chemicus ernaar keek en die vond het geweldig. Hij zag namelijk een heel bijzondere nanostructuur en vroeg zich af hoe we dat hadden gedaan. Het wolfraam had nanoharen gekregen en dat blijkt heel interessant voor het katalysatoronderzoek.”

Een close-up van gemagnetiseerd plasma met roze licht in een donkere ruimte.
Links blokjes wolfraam die worden blootgesteld aan gloeiend heet plasma dat MAGNUM produceert. Bram Lamers voor DIFFER (met toestemming)

Met die mooie toevalligheid sluiten we het bezoek af. Nog duizelend van alle informatie over plasma’s, ionenbundels en harig wolfraam loop ik via de mooie hal met de stijlvolle stoelen weer naar buiten. Maar toch wint de inhoud.

ReactiesReageer