Hete bubbels; Nieuw model weet raad met sonoluminescentie

Sonoluminescentie is het verschijnsel waarbij geluid luchtbellen in water zo sterk samenperst dat ze lichtflitsen uitzenden. Het wapenlaboratorium Lawrence Livermore heeft het begin van een verklaring.

'IN DIT GLAS WATER zit genoeg energie om heel Chicago wekenlang van energie te voorzien.'' Aldus de fysicus dr. Alistair Barkley aan het begin van de actiethriller Chain Reaction - vlak voordat hij wordt vermoord. De film, die najaar 1996 in Nederland draaide, gaat over de ontdekking van een revolutionaire manier om uit water goedkope, schone energie te winnen. Het proces dat hoofdrolspeler Keanu Reeves met een toevallige toon uit zijn keyboard in gang zet - hem de rest van de film het ene na het andere bloedstollende moment bezorgend - heet sonoluminescentie: de omzetting van geluid in licht, hier uitmondend in kernfusie. Natuurlijk hoeft Reeves niet alles in zijn eentje op te knappen maar krijgt hij hulp van leggy dame en begenadigd fysica Rachel Weisz.

Behalve in de film bestaat sonoluminescentie ook in het echt. Maar terwijl Hollywood er een slordige 40.000.000 dollar voor over heeft, moeten de weinige onderzoeksgroepen die zich met het exotische verschijnsel bezighouden het doen met een paar honderdduizend dollar. Het idee is simpel. Geluid dat op een kolf water wordt afgestuurd kan onder bepaalde condities luchtbellen zo krachtig samenpersen dat ze lichtflitsen uitzenden. Zelfs zijn er aanwijzingen dat het gas zo heet wordt dat waterstoffusie optreedt. De vrees is al geuit dat Saddam Hussein hiervan misbruik zal maken maar de fysicus William Moss, expert op het gebied van sonoluminescentie, heeft dit ontzenuwd. In Science News rekende Moss voor dat wanneer je de aarde vol sonoluminescentie-opstellingen zet, dit in een uur tijd net genoeg fusie-energie oplevert om een kopje water een paar graden te verwarmen.

HELBLAUWE GLOED

Het waren Frenzel en Schultes die in 1934 in hun Keulse laboratorium de helblauwe gloed waarmee sonoluminescentie gepaard gaat voor het eerst opmerkten. Omdat het onderzoek experimenteel lastig was en geen duidelijke resultaten opleverde, ebde de belangstelling weg. Tot de Amerikanen Gaitan en Crum er in 1990 in slaagden met één luchtbel in water te experimenteren, in plaats van met een heleboel tegelijk. Voor het eerst kon fatsoenlijk aan het verschijnsel worden gemeten en single bubble sonoluminescence (SBSL) werd een hot topic.

Als je weet hoe het moet is het opwekken van sonoluminescentie een koud kunstje. Dure apparatuur komt er niet aan te pas en Scientific American publiceerde in 'the amateur scientist' van februari 1995 een handleiding voor de knutselaar (kosten: ongeveer 100 dollar). Het komt erop neer dat een geluidsgolf in het water van een kolf een luchtbel creëert, deze tegen de opwaartse kracht in (denk aan een strandbal onder water) op zijn plaats houdt, en in de maat van de verdichtingen en verdunningen van het geluidsveld doet zwellen en krimpen. In de praktijk lukt het het best bij ultrasoon geluid van 27 kHz (boven de gehoorgrens) met een sterkte van zo'n 110 decibel (een betonboor op 1 meter afstand).

Het opwekken van SBSL mag simpel zijn, meten wat er precies gebeurt lukt alleen met dure apparatuur. Inmiddels is bekend dat de luchtbel aan het begin van zijn cyclus een paar micron groot (een micron is eenduizendste millimeter), aangroeit tot 50 micron, om in zeer korte tijd tot 0,5 micron te imploderen onder het uitzenden van een lichtflits. Daarna trilt de bel nog wat na, waarop de cyclus zich herhaalt.

Door de bel met lasers en gevoelige fotomultiplicatorbuizen af te tasten, vond de groep van Seth Putterman in Los Angeles in 1994 dat de SBSL-lichtflitsen hooguit 50 picoseconden duren (een picoseconde is een miljardste van een miljardste van een seconde). Bovendien volgden ze elkaar in verbluffende regelmaat op. Het uitgezonden licht bevat een aanzienlijke component aan ultraviolet, wat erop duidt dat de temperatuur in de bel oploopt tot tienduizenden graden celsius. Ten slotte bleek de aanwezigheid van edelgas in de bel (argon, xenon, helium; optimale concentratie 1%) cruciaal - met zuurstof en stikstof alleen bleef het effect achterwege.

MYSTERIES

Nog altijd is sonoluminescentie omgeven met mysteries. Welk fysisch mechanisme zit er achter de lichtflitsen? Waarom duren ze zo kort? Hoe ziet het spectrum eruit in het verre ultraviolet, straling die het water rond de bel absorbeert zodat we haar niet te zien krijgen? Waarom lukt het effect het best in water? Waarom is sonoluminescentie zo afhankelijk van de temperatuur?

Het zijn vragen waarop de theoretici zich al jaren het hoofd breken. De wildste suggesties zijn al gedaan, zoals die van de vacuümfluctuatie. Hoge ogen gooit het idee van de schokgolf, in 1960 geopperd door Peter Jarman in Londen. Een schokgolf ontstaat als de snelheid waarmee de belwand implodeert groter is dan de geluidssnelheid (vergelijk de straaljager die door de geluidsbarrière gaat en een knal veroorzaakt). Het resultaat is een sterk gecomprimeerd gas waarin de temperatuur oploopt als in een fietspomp. De schokgolf-hypothese won onlangs aan kracht toen Seth Putterman in Physical Review Letters berichtte dat hij met ultrakorte laserpulsen had gemeten dat het ineenstorten van de bel sneller gaat dan Mach 4, het viervoudige van de geluidssnelheid.

Dit resultaat zal William Moss als muziek in de oren hebben geklonken. Enkele weken geleden publiceerde de fysicus uit Los Angeles in Science een theoretisch model voor sonoluminescentie dat als eerste consistent is met de beschikbare experimentele gegevens. Zo verklaart het de korte duur van de lichtflitsen en ondersteunt het de recente theoretische voorspelling van David Lose dat de bel tijdens de sonolumenescentie wel eens volledig uit argon zou kunnen bestaan.

Voor zijn theoretische berekeningen maakte Moss gebruik van het computermodel LASNEX. In de dagen van de Koude Oorlog is dat aan het Lawrence Livermore National Laboratory (waar veel aan wapenresearch is gedaan) ontwikkeld om uit te rekenen hoe kernfusie precies in zijn werk gaat wanneer een blokje materiaal, opgesloten en samengeperst in een stel laserbundels, zeer sterk verhit raakt. Nu deed LASNEX dienst om de vloeistofdynamica van een met gas gevulde, door vloeistof omgeven bel door te rekenen aan de hand van de relevante formules.

De berekeningen wijzen uit dat tijdens het ineenstorten van de bel inderdaad een schokgolf optreedt die het gas in de bel samenperst en verhit, met name in het centrum van de bel. De moleculen raken geïoniseerd en het resultaat is een lichtgevend plasma, waarbij de energie van de ionen wordt overgedragen op de elektronen en razendsnel wegvloeit. De duur van de lichtflits werd door Moss berekend op 25 picaseconde. Ook biedt het model ruimte aan een bescheiden mate van kernfusie in een bel waarin naast gewoon waterstof ook de zware variant deuterium aanwezig is. Experimenteel moet dit nog worden aangetoond door op zoek te gaan naar neutronen die bij kernfusie tussen zware en gewone waterstof vrijkomen. Moss hoopt op één per uur.

Het is deze futiele maat die sonoluminescentie als energiebron in Chain Reaction - laat staan als geheim wapen in handen van Saddam Hussein - diskwalificeert. Dat betekent niet dat het verschijnsel slechts leeft in de hoofden van fundamentele onderzoekers. De imploderende bel is door de hoog oplopende temperatuur op te vatten als een soort minireactor waarin chemische processen optreden die onder normale omstandigheden 'niet kunnen'. Op die manier is het mogelijk met sonoluminescentie lastig afbreekbare verontreinigingen, bijvoorbeeld koolstoftetrachloride, uit oppervlaktewater te verwijderen, een techniek die inmiddels tot prototypes heeft geleid. Het wachten is op Hollywood.