Koude wervels

De draaiing van de aarde is niet constant maar vertoont kleine schommelingen. Ook worden de dagen geleidelijk aan langer. Wervels in supervloeibaar helium moeten deze veranderingen nauwkeurig en snel in beeld brengen.

`LET OP', zegt Alexander Friesch. De kersverse doctor in de natuurwetenschappen aan de Eberhard-Karls-Universiteit in Tübingen stampt op de vloer van het laboratorium en wijst naar de monitor die naast zijn meer dan manshoge meetopstelling staat. Een wild golvende lijn laat zien dat de opstelling flink trilt. Dan zet Friesch een knop om en stampt nogmaals op de vloer. Nu is op de monitor een vrijwel horizontale lijn te zien. ``Het systeem dat de trillingen actief compenseert doet het prima'', zegt Friesch niet zonder trots.

Trillingen zijn in het laboratorium voor lagetemperatuurfysica in Tübingen volstrekt taboe. Friesch en zijn collega's meten hier de werveltjes die onder heel speciale omstandigheden in supervloeibaar helium ontstaan. De werveltjes zijn ruwweg een honderdmiljoenste millimeter groot, dus onmogelijk te zien, maar ze kunnen wel worden gedetecteerd met behulp van hypergevoelige, supergeleidende sensoren. De onderzoekers hopen er variaties in de aswenteling van de aarde mee te kunnen meten.

De draaiing van de aarde wordt weerspiegeld in de draaiing van de sterrenhemel. Die lijkt constant, maar is dat niet. Op allerlei tijdschalen treden fluctuaties op die de dag tot één milliseconde korter of langer maken. Bovendien neemt de daglengte heel langzaam toe door de remmende werking van de maangetijden. Het meest nauwkeurig worden al deze fluctuaties nu gemeten met radiotelescopen die quasars volgen: radiobronnen die zo ver weg in het heelal staan dat ze als absoluut vaste punten mogen worden beschouwd.

Toch zijn de wetenschappers nog niet tevreden. De metingen vergen namelijk veel tijd en geld, terwijl de resultaten pas na vele weken beschikbaar zijn. Daarom wordt naar nieuwe en vooral snellere meettechnieken gezocht. Frisch: ``In ons lab kijken we niet naar de beweging van sterren, maar naar die van supervloeibaar helium: helium die zo koud is dat hij zonder vrijwing stroomt. Dit helium voelt niets van zijn omgeving en kan zo, net als de verre quasars, als absoluut referentiekader fungeren.''

Het hart van Friesch' meetopstelling is een ringvormig buisje dat op één punt een vernauwing van een duizendste millimeter heeft. Een langzaam trillend membraan perst er supervloeibaar helium doorheen. Hoewel dit in de vernauwing een snelheid van enkele meters per seconde heeft, stroomt het toch zonder wrijving. Laat men de amplitude van het membraan langzaam toenemen, dan wordt de snelheid op een bepaald moment echter zo groot dat het helium deze eigenschap plots verliest. Achter de vernauwing ontstaat dan een heel klein werveltje.

``Zo'n werveltje is te vergelijken met de turbulentie achter een vliegtuigvleugel, hoewel hij natuurlijk veel kleiner is'', legt Friesch uit. Het gaat namelijk om een quantummechanisch verschijnsel dat zo'n honderdmiljoenste millimeter groot is. Het ontstaan van het werveltje onttrekt een beetje energie aan het helium. Dit wordt `gevoeld' door het membraan, waarvan de amplitude dan abrupt afneemt. Daardoor neemt de snelheid van het helium in de vernauwing iets af en wordt dit hier weer supervloeibaar. Vervolgens laat men de snelheid van het helium weer toenemen todat opnieuw een quantumwerveltje ontstaat – enzovoorts.

De bewegingen van het membraan zijn uiterst klein en worden met behulp van elektrische spoeltjes omgezet in een (uiterst zwak) magnetische veld, waarvan de sterkte wordt gemeten met een SQUID (superconducting quantum interference detector). Dit is een hypergevoelige sensor die onder andere wordt gebruikt voor het meten van de magnetische activiteit van de hersenen. Het is uiteindelijk deze SQUID, de meest gevoelige elektrodynamische detector die nu bestaat, die via een aantal tussenstappen de snelheid van de vernauwing – en dus van de aswenteling van de aarde – ten opzichte van het in rust gedachte helium meet. Variaties in deze aswenteling verraden zich door variaties in de maximale amplitude van het membraan op het moment dat er een quantumwervel ontstaat.

De meetcel, die zich in een meer dan manshoge cryostaat (koudevat) bevindt, is op allerlei manieren van de buitenwereld geïsoleerd. Het ontstaan van quantumwervels mag niet door thermische, elektromagnetische en akoestische effecten worden verstoord. Trillingen, die voor zo'n werveltje ware aardbevingen zijn, vormen de grootste boosdoener. Zij worden gedetecteerd door een versnellingssensor, waarvan de signalen na versterking en 180˚ fase-omkering naar drie piëzo-elektrische buizen worden gestuurd. Deze buizen bestaan voor een deel uit een kristallijn materiaal dat onder invloed van een elektrische spanning inkrimpt of uitzet en zo de trillingen van de meetopstelling door tegengestelde bewegingen kan compenseren. Niet zonder trots vermeldt Friesch dat de gevoeligheid van de sensor ongeveer duizend maal zo groot is als die van een goede seismometer. Seismologen hebben er grote belangstelling voor.

Onlangs heeft Friesch de eerste quantumwervels gemeten en nu gaat hij een draaibare opstelling maken die ook de aswenteling van de aarde kan meten. Tijdens het draaien van de cryostaat verandert namelijk de oriëntatie van het ringkanaal ten opzichte van de richting van de aardrotatie en daardoor ook ten opzichte van het in rust gedachte helium. Dit effect is overigens al gemeten door een Franse en een Amerikaanse groep, die nu door Friesch op de hielen wordt gezeten.

concept wijzigen

Om ook variaties in de aswenteling van de aarde te kunnen meten, zal de gevoeligheid van de meetopstelling met vier orden van grootte moeten worden verbeterd (een factor 10.000). Dat is wellicht mogelijk door het ringkanaal te vergroten of uit meerdere lussen op te bouwen en door storende invloeden uit de omgeving en van de apparatuur verder te verkleinen. ``Maar misschien zullen we ook het concept moeten wijzigen'', zegt Friesch.

Er wordt al gedacht aan het meten bij nog lagere temperaturen (minder dan een duizendste graad boven het absolute nulpunt) en het gebruik van meerdere micro-openingen. In dat geval wordt niet meer het ontstaan van quantumwerveltjes gemeten, maar van de oscillerende, supergeleidende quantumstroompjes die – als gevolg van het zogeheten tunneleffect – door de micro-openingen optreden en met elkaar interfereren.

Friesch: ``Momenteel is nog niet duidelijk in hoeverre deze opties kunnen worden gerealiseerd en is dus nog niet te zeggen waar en wanneer de heliumgyroscoop daadwerkelijk variaties in de aswenteling van de aarde zal meten.'' De Amerikanen denken dat dit al in 2001 kan lukken, maar de Fransen en de Duitsers zijn wat voorzichtiger. Daar komt nog bij dat alle drie de groepen op de hielen worden gezeten door een Duitse groep die aan een vergelijkbare techniek werkt die gebaseerd is op interferentie van laserbundels: de zogeheten ringlasergyroscoop.

Geofysici volgen al deze experimenten met grote belangstelling. Nauwkeurige metingen aan de aswenteling van de aarde kunnen hen namelijk een beter inzicht geven in de eigenschappen van het inwendige van de aarde, de wisselwerking tussen kern en mantel en de uitwisseling van energie tussen aardoppervlak, oceanen en atmosfeer. Dit laatste gebeurt bijvoorbeeld wanneer in de lente de bomen uitlopen. Er komt dan méér massa boven het aardoppervlak, waardoor de aarde een pietsje langzamer gaat draaien. Misschien kan ook dit verschijnsel straks zonder een blik op de hemel worden gemeten.

    • George Beekman