Nobele Alfred en het ozongat; Geleerden zoeken oplossing in microgolven en waterdruppeltjes

Het ozongat kan worden gedicht, althans in theorie. De Russen zetten grote magnetrons in, ontworpen om Amerikaanse raketten uit te schakelen. Een Amerikaanse plasmafysicus wil alle verkeersvliegtuigen negatief geladen deeltjes laten sproeien. De plannen liggen op tafel door de vasthoudendheid van bierbrouwer Heineken.

PRAAT MET HEINEKEN over het ozongat en al snel blijkt dat hij niet tot ver in de volgende eeuw wil wachten tot het zich langs natuurlijke weg herstelt. Heineken brengt zijn ozongatpassie regelmatig ter sprake in de jury van de naar hem genoemde Heinekenprijs voor het milieu: “Officieel zit ik als toehoorder bij de jurybijeenkomsten. Maar op een keer zei ik daar ietwat geïrriteerd: ik heb met al die konijnen die de straat oversteken en met die eekhoorntjes op de hoge snelheidslijn niets te maken. Ik heb die prijs bedoeld voor technische oplossingen van echte milieuproblemen, zoals het ozongat. Kunnen we dat niet dichtschieten? Wie doet daar wat aan?”

De in 1990 ingestelde Dr. A.H. Heinekenprijs voor het milieu is een van de vijf Heinekenprijzen die iedere twee jaar via de Koninklijke Nederlandse Akademie van Wetenschappen wordt uitgereikt. Er zijn prijzen voor milieu, kunst, geschiedwetenschap, geneeskunde en biochemie.

Prof.dr. E.K. Duursma, emeritus hoogleraar oceanografie en oud-directeur van het Delta-instituut in Yerseke en het Nederlands Instituut voor Onderzoek der Zee (NIOZ) op Texel, zegde een paar jaar geleden als lid van de jury van de milieuprijs een literatuuronderzoek toe. Duursma: “Als de heer Heineken vroeg of er niets aan het ozongat kon worden gedaan reageerde de jury steeds kritisch. Ik ook. Maar ik was ook wel benieuwd. Ik wilde wel eens kijken. Maar na een literatuuruitdraai van ruim 3.000 artikelen over cfk's, ozon en UV te hebben nagevlooid stelde het resultaat me aanvankelijk teleur.”

Chloorfluorkoolwaterstoffen (cfk's) staan bekend als inerte gassen. Ze waren geliefd als drijfgas en koelvloeistof. In 1973 waarschuwde James Lovelock, de eerste winnaar (1990) van de Heinekenprijs voor het Milieu dat de cfk's, eenmaal uit de spuitbus, niet vergaan, maar zich langzaam hoog in de atmosfeer ophopen. Een jaar later berekenden Rowland en Molina dat UV-stralen de cfk's wel klein krijgen. Maar dat daarbij chloorradicalen ontstaan die de ozonlaag aantasten.

De spuitbusoorlog brak uit. Milieu-activisten verwijderden spuitbussen uit de winkelschappen. In 1978 verbood president Carter het gebruik van cfk's in spuitbussen, in de Verenigde Staten. Het duurde tot 1987 voordat het Montrealprotocol over het afschaffen van cfk's door de meeste deelnemende landen werd ondertekend. De Indiase regering vond het een rijkeluis protocol voor westerse landen, tekende niet en bouwde nog twee cfk-fabrieken. Recent heeft China cfk-fabrieken gebouwd. De ontwikkelingslanden mogen tot begin volgende eeuw cfk's maken en gebruiken.

BIJ DE BRON

In de pogingen om productie en gebruik terug te dringen pasten geen maatregelen om de atmosfeer schoon te maken. De vervuiling moest, geheel in de filosofie van de jaren zeventig, bij de bron worden aangepakt.

Het verklaart deels Duursma's eerste teleurstelling. Nog steeds zijn atmosfeeronderzoekers niet aan de schoonmaak begonnen. Ze meten hoe de atmosfeer er voor staat. En schrijven computerprogramma's die voorspellen hoe groot over een aantal jaren het ozongat is en hoe warm de broeikas.

Duursma: “Het is niet verbazingwekkend dat het vernietigen van cfk's en de opbouw van de ozonlaag niet serieus werd genomen. Je moet opeens in enorme volumes en hoeveelheden denken. Het kost vreselijk veel energie om de atmosfeer te beïnvloeden en het is daardoor ontzettend duur. Maar tegelijkertijd kun je spreken van een lobby tegen het actief dichten van het ozongat. De onderzoekers vrezen voor de budgetten voor het onderzoek waarmee ze nu bezig zijn.”

Duursma noemt in zijn eindverslag voor de Heinekenstichting voor het Milieu zes methoden om het ozongat te dichten. Sommige werken alleen in het hoofd van een onderzoeker, andere zijn onderbouwd met modelberekeningen en kleinschalig laboratoriumonderzoek. De Israeliër Avnir wilde aan stratosferische ballonnen zonnepanelen en UV-lampen hangen en met de op grote hoogte gegenereerde UV-straling ozon maken. De Russen Karol en Khodataev dachten met lasers, respectievelijk radarinstallaties in de stratosfeer de ozonlaag te herstellen. Bij de radartechniek is het nodig metaaldeeltjes in de stratosfeer te strooien. De Amerikaan Cicerone opperde om 50.000 ton propaangas (LPG) in het ozongat te spuiten. LPG vangt de chlooratomen weg die het ozon aantasten. Cicerone lanceerde zijn plan voordat LPG in de atmosfeer als broeikasgas bekend werd. Toen hij daarvan hoorde, trok Cicerone zijn plan schielijk in. Plannen waarbij chemicaliën in de atmosfeer worden gebracht om een 'natuurlijke' situatie te herstellen liggen slecht bij onderzoekers die aan het kritisch oog van de milieubeweging bloot staan.

Duursma: “De radar- en lasertechnieken vragen soms meer energie dan alle centrales in de Verenigde Staten kunnen leveren. Daardoor zijn ze niet toepasbaar. Die eerste plannen waren niet altijd goed doordacht. Dat komt doordat dit soort nieuw werk er altijd uit een soort hobbyisme bij wordt gedaan, met geld dat overschiet van andere projecten. Fondsen voor onderzoek naar het dichten van het ozongat zijn moeilijk te krijgen. Een professor zet er een student op en die doet het werk. De atmosfeeronderzoekers konden de eerste plannen negeren en denken nu nog dat het nooit wat wordt met het reinigen van de atmosfeer. Maar de laatste jaren zijn er goede voorstellen gedaan, op basis van serieus laboratoriumwerk. De voorstellen zijn volgens mij zo goed dat je op kleine schaal veldproeven moet gaan doen om te kijken of de labresultaten in de praktijk ook werken.”

PLASMAFYSICI

In Duursma's eindrapport 'Kan de ozonlaag worden hersteld?' staan serieuze voorstellen van de Amerikaanse prof.dr. Alfred Y. Wong en, in meer uitgewerkte vorm, van de Russische prof.dr. Igor A. Kossyi. Beide zijn plasmafysici, geen atmosfeeronderzoekers.

Heineken: “Ik voel veel voor de Russen. Ze hebben de kennis, de apparatuur, het hart voor de zaak, maar geen geld. Ze willen wat gaan doen.”

Kossyi schuift de DON radar van het Russische A-135 anti-raket-defensiesysteem naar voren als een van de Russische microgolfbronnen die op kilometers hoogte chloorfluorkoolwaterstoffen kunnen afbreken. Duursma bezocht Kossyi eind februari in Moskou en woonde ook een symposium bij over het herstel van de ozonlaag. Duursma: “De Russen nemen het probleem serieus. Ik was onder de indruk van de betrokkenheid van het Doemalid dr. Oleg Khabarov. Maar onder de veertig aanwezigen waren ook sceptici. Iemand vroeg zich af waarom dit westerse probleem door hen moest worden opgelost. En een ander dacht dat het ozongat sinds bijna twee decennia ontstaat door een verandering van de luchtcirculatie rond Antarctica.”

Op verzoek van Duursma schreef Kossyi voor de Heinekenstichting voor het Milieu de opzet van een mogelijk veldexperiment voor ozonlaagherstel en legde hij contacten met collega's op andere instituten die mee zouden kunnen werken. De eerste experimenten kosten volgens Kossyi 660.000 dollar.

Het idee is dat krachtige microgolfgeneratoren vanaf de grond op acht tot tien kilometer hoogte gasontladingen veroorzaken. De moleculen in de lucht ioniseren daardoor. Bundels van twee generatoren kunnen vanaf de grond zo worden gericht dat ze elkaar hoog kruisen en daar voldoende energie afleveren om elektronen vrij te maken. Als een cfk-molecuul wordt bestraald kan meteen een negatief chloorion vrijkomen. Maar belangrijker is dat de in de gasontlading vrijgekomen elektronen bij contact met cfk's daar makkelijk negatieve chloorionen uit losmaken.

Cfk's staan er om bekend dat ze niet makkelijk chemische reacties met andere stoffen aangaan. Maar fysisch zijn de cfk's niet stabiel. In CFCl (freon) hebben de drie chlooratomen die veel groter zijn dan het koolstofatoom waar ze aan gebonden zijn, weinig bewegingsruimte. De binding tussen koolstof en chloor is energetisch ongunstiger dan de situatie waarbij een chlooratoom een elektron bindt en als negatief chloorion een zogenaamde edelgasconfiguratie aanneemt.

Ozongatherstel draait dus om de productie van Cl-ionen. Zodra een chlooratoom een negatief ion is geworden, is de kans klein dat het ooit nog een ozonvernietigend chloorradicaal in de stratosfeer wordt. De Russen willen cfk's boven in de troposfeer, op tien kilometer hoogte afbreken. Dat is veel lager dan de stratosferische hoogte van 20 kilometer waar de verdunning van de ozonlaag plaatsvindt. Lager is de cfk-concentratie echter tienmaal hoger en al die cfk's zijn op weg naar boven. Kossyi vreest dat bij ionisatie op grotere hoogte vervelende nevenreacties ontstaan waarbij ozon wordt afgebroken. In een in 1994 gepubliceerd artikel (J. Phys. D, 27 (1994) 1311-1318) schrijven onderzoekers van Kossyi's General Physics Institute in Moskou: “De ontledingsproducten zullen waarschijnlijk met de neerslag uit de atmosfeer verdwijnen.”

De afbraak van een cfk-molecuul kost 30 kilo-elektronvolt, zeggen de Russen. Kossyi schat het benodigde ingestraald vermogen per volume op 10 Joule per kubieke centimeter. Met een omhoog gestraald vermogen, via een array van samenwerkende magnetrons, van 10 GW (gigawatt, een miljard watt) kan jaarlijks 30.000 ton cfk's worden afgebroken. Zonder verdere onderbouwing stellen de auteurs dat in een tot twee jaar tijd zo de cfk-voorraad boven Antarctica die daar het ozongat veroorzaakt afgebroken kan worden.

WOLGABOOT

“Tien gigawatt, dat is het jaarlijkse elektriciteitsverbruik in Nederland,” vult plasmafysicus prof.dr. F.C. Schüler van het FOM-instituut voor Plasmafysica Rijnhuizen in Nieuwegein aan. Schüler bevestigt onmiddellijk de grote expertise die de Russen met microgolfgeneratoren hebben en hun belangstelling voor de afbraak van cfk's. Schüler: “In 1994 was ik op een congres over Westers-Russische wetenschappelijke samenwerking. Dat was op een grote Wolgaboot die vanuit Moskou vertrok en waar je een week op zat. Een dag lang is er toen gepraat over de mogelijkheid om met microgolven in de atmosfeer cfk's af te breken.”

Microgolfgeneratoren die magnetronstraling met een golflengte van 1 centimeter, een frequentie van ongeveer 30 GHz, met piekvermogens van 1 GW, in pulsen van 20 nanoseconde (nanoseconde is een miljoenste milliseconde) en een pulssnelheid van ongeveer honderd per seconde uitzenden, zijn in Rusland te koop. De microgolfgenerator van de tegen vijandige raketten gerichte DON-radar onderscheidt zich door een langere puls (een milliseconde) bij een wat lager piekvermogen (0,2 GW) en een golflengte van 8 centimeter. De grondantenne heeft een straal van 12 meter.

Schüler betwijfelt toch of de vermogens van de microgolfgeneratoren die hij kent voldoende zijn om cfk's af te breken, maar zodra apparaten gaan samenwerken en de gasontlading in elkaar kruisende bundels plaatsvindt, kan hij zich mogelijkheden voorstellen.

Schüler: “Als je daarmee omhoog gaat stralen heb je natuurlijk wel een veiligheidsprobleem. De duiven vallen gaar uit de lucht. Vliegtuigen moeten ook uit de buurt blijven. Ze zullen niet meteen verdampen, maar door de elektromagnetische puls die ze krijgen raken ze van slag. Die generatoren zijn daar gedeeltelijk ook voor ontworpen.”

Hopelijk vormt het Russische werk geen bedreiging voor de Amerikaanse plasmafysicus prof.dr. Alfred Y. Wong. Die wil in alle verkeersvliegtuigen een tank voor 1.000 liter water inbouwen. Op alle 50.000 vluchten die dagelijks wereldwijd worden uitgevoerd zouden de vliegtuigen in het eerste uur het water als geladen druppeltjes moeten versproeien. De helft als negatief geladen druppeltje, de andere helft positief geladen. Duursma: “De ladingsverdeling is nodig omdat anders het vliegtuig positief geladen wordt. Dat is onaangenaam als het toestel weer op de grond komt.”

Maar het gaat Wong om de negatief geladen druppeltjes. Cfk's die in de druppeltjes terecht komen vallen makkelijk uit elkaar. Het mechanisme is hetzelfde als bij de Russische magnetronstraling. Chloor neemt graag een elektron op. Dat is energetisch voordeliger dan aan het koolstofatoom vast te zitten. Op de vlieghoogte van 9 tot 12 kilometer verdampen de druppeltjes snel. Duursma: “Dat is geen probleem. De lading gaat dan over op zuurstofmoleculen. Botst een cfk daarmee dan zal er ook een negatief chloorion ontstaan. Wong onderzoekt sinds kort ook de mogelijkheid om direct geladen zuurstofmoleculen te versproeien.”

VACUÜMKAMER

Wong testte het waterdruppelconcept in een vacuümkamer en het werkt. Verder is het een kwestie van rekenen. Wong denkt dat de druppeltjes voorlopig een lading kunnen krijgen van 15,4 coulomb per kilo. Bij 50.000 vluchten die ieder 1.000 liter verspreiden kunnen we, schrijft Wong, 4,8x1027 chlooratomen per dag vrijmaken. De schatting is dat er momenteel 2,5 ppb (deeltjes per miljard) chloor in de atmosfeer zit. Dat zijn in de stratosfeer 1,95x1032 chlooratomen. Het moet terug naar 1,75 ppb, omdat het ozongat pas optrad bij 2 ppb. Het betekent dat er 5,8x 1031 chlooratomen weg moeten worden gehaald. Wong in de preprint van het wetenschappelijk artikel dat hij aan Duursma mee gaf: “Met onze huidige experimentele opzet kost het ongeveer drie decennia om dat doel te bereiken. Maar als we de ladingsdichtheid weten te verhogen tot dicht bij de limiet, dan kan het werk in 3 tot 4 jaar gedaan zijn.”

De sproeiende vliegtuigen zijn niet Wongs eerste idee voor ozonlaagherstel. Hij was de eerste die in een lage-druktank waarin de stratosfeer werd nagebootst met UV-straling ozon maakte, dat liet verdwijnen onder invloed van cfk's en vervolgens weer liet ontstaan toen hij de cfk's en chloorradicalen met negatieve lading vernietigde (Physical Review Letters, 9 mei 1994). Het experiment leidde tot het voorstel om grote stratosferische luchtschepen met voetbalveldgrote geladen schermen door de ijswolken boven Antarctica te laten varen. Ze zouden de chloorradicalen omzetten in chloorionen en die binden. Wong kreeg veel bijval van de lekenpers. Maar niet van atmosfeeronderzoekers, schreef de Science-redactie zuur (3 juni 1994). Die zagen grote technische problemen. Een half jaar later probeerden vier atmosfeeronderzoekers onder aanvoering van A.A. Viggiano Wongs luchtschepen in luchtkastelen te veranderen (Science, 6 januari 1995). Hun voornaamste bezwaar was gebaseerd op metingen met een massaspectrometer aan een stratosferische ballon op 33 kilometer hoogte. Na de productie van negatieve lading op die hoogte mat de massaspectrometer allerlei negatieve deeltjes (NO3, CO3) maar niet de chloorionen die Wong er na introductie van negatieve lading wilde wegvangen.

Vorig jaar verscheen de repliek van Wong (Physics Letters A, 15 juli 1996). De atmosfeeronderzoekers hadden een groot meetprobleem, is kort samengevat zijn kritiek. Wong denkt dat tijdens het hoge experiment de ontstane chloorionen direct in het instrument bleven hangen en niet in de massaspectrometer terecht kwamen.

Uit de uitgesponnen controverse blijkt hoezeer de plannen voor actief ingrijpen in de atmosfeer op verzet stuiten.

Betekent de openlijke steun voor verdere experimenten van Heineken nu niet dat de reputatie van de Heinekenprijzen, uitgereikt via de prestigieuze Koninklijke Akademie van Wetenschappen, gevaar loopt?

Heineken: “Nee, de prijzen hebben hier niets mee te maken. De Akademie trekt zich hier niets van aan.”

Duursma: “Ik vergelijk het graag met het begin van de waterzuivering in de jaren zestig. Toen had men het over de biological oxygen demand. Alle water zou zelfzuiverend zijn. Maar we kregen wel stinkende sloten. Nu praat je alleen over het ozongat boven Antarctica, het geeft daar wat veranderingen aan het plankton, maar dat valt nog mee en voor de rest ben je al lang blij dat je in de zon zit. Maar niemand weet hoe erg het nog wordt, mocht het gat buiten Antarctica komen. De op rekenmodellen gebaseerde voorspellingen zijn allerminst betrouwbaar. Ik vind dat we moeten proberen er iets aan te doen. En als het meevalt kan dit onderzoek volgens mij nog spin off hebben naar de lage luchtverontreiniging. Wong is ook bezig met de stedelijke verontreinigingen, zoals rond Mexico City en Los Angeles. Hij wil daar ook die druppeltechnieken gaan uittesten.”

Waarom begon Heineken eigenlijk over de ozonlaag? Er zijn nog 25 andere belangrijke milieuproblemen.

Heineken: “Dat is nou niet aardig om te zeggen. Dan zitten we weer op het thema: waar bemoeit deze bierbrouwer zich mee. Dat hebben we met Eurotopia, mijn idee voor een nieuwe landenindeling van Europa, ook gehad. Ik bemoei me ermee omdat ik zie dat anderen het niet doen. En u ziet: we hebben een mijlpaal bereikt. Nou ja, een mijlpaaltje.”

Ozonpest

De ozonlaag op 10 tot 25 kilometer hoogte beschermt het leven op aarde tegen schadelijke ultraviolette straling van de zon. De vorming van ozon uit zuurstof, en andersom verloopt in zijn eenvoudigste vorm volgens de vier zogenaamde Chapman-reacties, genoemd naar de Britse chemicus die deze fotochemische reacties in de jaren dertig van deze eeuw opstelde.

O2 > O + O

O + O > O3

O3 > O2 + O

O + O3 > 2O2

De eerste reactie verloopt onder invloed van UV-straling met een golflengte van 130 tot 240 nanometer. Het uiteenvallen van ozon (de derde reactie) gebeurt in UV-straling van 270 nm. Heel hoog in de stratosfeer, op 50 kilometer ongeveer, is veel UV-straling, maar weinig zuurstof. Onderin is veel zuurstof, maar weinig UV-straling. Die factoren bepalen de hoogte van de ozonlaag.

Als alleen deze reacties in de atmosfeer zouden optreden, zou er veel meer ozon zijn dan ooit gemeten. Stikstofoxiden katalyseren de ozonafbraak, terwijl het atomair zuurstof in de Chapmanreacties ook met water kan reageren tot OH-radicalen. Dat gebeurt vooral in de troposfeer (tot ongeveer 10 à 15 km hoogte) De hogere stratosfeer is erg droog. Erg is die vorming van OH-radicalen niet, want ze breken allerlei rondzwevende deeltjes af.

Chloorfluorkoolwaterstoffen (cfk's), bekend als drijfgassen uit spuitbussen en koelvloeistoffen, zijn de pest voor ozon. Niet omdat er zo vreselijk veel cfk's in de ozonlaag zitten, maar omdat UV-straling uit cfk's atomair chloor kunnen vrijmaken. Eén chloorradicaal kan wel 500.000 ozonmoleculen afbreken voor het radicaal een negatief chloorion wordt en als HCl neerslaat.

Het ozongat ontstaat sinds 1979 ieder jaar in de lente boven Antarctica doordat in de lange winter ijswolken erg hoge uitlopers hebben. Cfk's adsorberen aan de ijsdeeltjes en ontleden. Daarbij ontstaat zeer reactief atomair chloor. Pas als de zon weer op Antarctica valt komt de afbraakreactie goed op gang. Atomair chloor (Cl) reageert met ozon (O) tot zuurstof (O) en chlooroxide (ClO). Deze verbinding kan onder invloed van UV-straling weer terugreageren tot een chlooratoom dat opnieuw met ozon kan reageren. Onderzoekers die de ozonlaag willen herstellen richten zich niet meer sterk op de productie van ozon, maar op het omzetten van zoveel mogelijk chloor in negatieve chloorionen. Die veroorzaken in tegenstelling tot het atomair chloor weinig schade aan de ozonlaag.