Stortgoedtechnologie

EEN BELANGRIJK verschil tussen de taartjes die worden gebakken van het strandzand van de Noordzee en die welke worden bereid uit de modder van de Amsteloever is dat de eerste bij het drogen niet krimpen en de laatste wel. Zandtaarten behouden hun oorspronkelijke vorm, moddergebak krimpt en krijgt scheuren. Op de lange duur wint de modder het weer van het zand, want volkomen droog zand vertoont geen samenhang en verwaait.

Dit beschreef Jearl Walker destijds, in januari 1982, in een grondig artikel over het bouwen van zandkastelen in Scientific American. Voorop stond de vraag hoe het toch mogelijk was dat vochtig zand, zand voorzien van het smeermiddel water, steviger bouwmateriaal was dan droog zand. Het antwoord komt van allerhande elektrische effecten, waarbij ook de dipool-eigenschappen en de ionisatie van water een rol spelen. In nat zand overheerst de onderlinge aantrekking tussen de korrels, droge korrels stoten elkaar af. Dat wil zeggen: als ze heel dicht bij elkaar worden gebracht. Je kunt ook zeggen dat zuiver droog zand geen enkele cohesie vertoont.

Peuters en kleuters komen daar achter zonder Scientific American op te slaan. Aan zichzelf overgelaten kan schoon en droog zand op den duur geen steilere hoek met het horizontale vlak aanhouden dan ongeveer 35 graden. Deze hoek wordt wel de angle of repose, de natuurlijke hellingshoek genoemd. De kneep zit in de toevoeging `op den duur', want voor korte tijd is zand wel degelijk een steiler talud te geven maar dan ontstaat al gauw een instabiele, storingsgevoelige situatie. Wie op een zonnige, droge en winderige dag vroeg op het strand is en zich bij de al halfvergane bouwwerken van de vorige dag opstelt kan zien hoe langs de uitdrogende flanken van taarten en kastelen voortdurend kleine zandlawines naar beneden stromen. Zij zijn op weg naar hun natuurlijke hellingshoek.

Het ontstaan en de ontwikkeling van dit soort lawines, lawines van niet samenhangend materiaal zoals zand en grind, maar ook graan en meel en andere poeders, is het onderzoeksterrein van de zogenoemde stortgoed- of poedertechnologie. Het is een toepassingsgerichte discipline die erg afhankelijk is van empirisch onderzoek waardoor zij binnen academische kringen nooit veel aanzien heeft verworven. In Nederland is de bezigheid praktisch weggezuiverd, in Nature en Science wordt er maar sporadisch over gepubliceerd. Science van 20 maart 1992 heeft een mooi overzichtsartikel.

Zand, graan, suiker en zout kunnen stromen maar ze gedragen zich daarbij anders dan echte vloeistoffen. Dat is al aan de eerste de beste zandloper te zien: het debiet van het uit het bovenste reservoir naar beneden wegstromende zand is praktisch onafhankelijk van de vullingsgraad van dat reservoir. Echte vloeistoffen zouden steeds langzamer gaan lopen. Het stromingsgedrag van de `bulk solids', dat onderzoekt de stortgoedtechnoloog.

En veel meer, natuurlijk. Zo is er veel aandacht voor ontmenging (`segregation') van poeders die uit twee of meer verschillende korreltypen zijn samengesteld. Bijna altijd is de ontmenging ongewenst, zoals bij de bereiding van buskruit, pigment, müsli en gedroogde soep, en moeten allerlei voorzorgsmaatregelen worden getroffen om haar te voorkomen. Globaal is nu wel bekend wanneer segregatie dreigt, toch laat men zich nog steeds verrassen door het gemak waarmee twee nauwelijks verschillende korreltypen tot ontmenging kunnen komen.

Laat men een goed gemengd mengsel van zand en suiker (of iets dat daar op lijkt) door een poedertrechter vrij wegstromen naar een vlakke ondergrond dan ontstaat soms een kegel die uit afwisselende laagjes zuiver zand en suiker is opgebouwd. Het mooist komt dat tot uitdrukking bij de proefopzet die hier is weergegeven, een opstelling waarbij het poedermengsel vanuit één punt wegstroomt tussen twee ruiten van plexiglas. Twee jaar geleden zijn in Nature (27 maart '97) de belangrijkste voorwaarden voor dit soort ontmenging beschreven. Hij treedt alleen op als de grootste korrels de kleinste angle of repose hebben. Een jaar later (Nature, 8 januari '98) is daar door anderen als voorwaarde aan toegevoegd dat het poedermengsel voldoende langzaam tussen het plexiglas stroomt. Laat men het te hard weglopen dan blijft de segregatie uit.

Van belang is dat de feitelijke korrelscheiding plaats vindt in de voortdurend optredende lawines. Dat verklaart misschien waarom er in toenemende mate over deze `avalanches' wordt gepubliceerd. Vorige maand bracht Nature (20 mei) een artikel van twee Franse onderzoekers die onomstotelijk hebben aangetoond dat er twee verschillende soorten lawines zijn. Hun poeder bestond uit glasparels met een diameter van 0,18 tot 0,3 mm. Daarvan werd een flinke laag aangebracht op een plaatje waarover fluweel was gespannen – de parels glijden wel over elkaar, maar niet over het fluweel. Werd het plaatje langzaam overeind getrokken dan bleef, al naar gelang de uiteindelijk aangebrachte hellingshoek, een meer of minder dikke laag parels aan het fluweel hangen. In de dunnere lagen stroomden de met een naald opgewekt lawines alleen naar onderen weg, in de dikke lagen breidden de lawines zich ook naar boven uit. Uphill!

Wie op het strand wat proefjes neemt begrijpt wat er wordt bedoeld. De Fransen hebben de glasparellawines gefotografeerd, maar heel vaak wordt het voorkomen van lawines in poeders gesignaleerd en geanalyseerd aan de hand van de minigeluidjes die erbij ontstaan (zie het overzichtsartikel in Science van 20 maart '92). Ook zandlawines maken lawaai, maar de kleine op het strand, en de grotere die glijdend van de duinen zelf opwekt, worden natuurlijk moeiteloos overstemd door het vriendelijk ruisen van de Noordzee. Maar voldoende grote zandlawines kunnen een geluid maken waar het hart van stilstaat, het is hier vorig jaar in een stukje over `booming sand' beschreven. Vandaag is er aan toe te voegen dat men 2,5 minuut naar booming sand in Nevada kan luisteren op www.personal.engin.umich.edu/ nori/booming_sand.html. Te mooi voor woorden.