Imploderende gasbel wordt zo heet als plasma

Een imploderende argon- of xenongasbel in geconcentreerd zwavelzuur ontwikkelt zoveel hitte dat de temperatuur in de bel kan oplopen tot wel 20.000 graden. Dit blijkt uit experimenten van twee Amerikaanse fysici. Zo'n hoge temperatuur, waarbij zich een plasma vormt, is bij instortende gasbellen in een vloeistof niet eerder waargenomen. Of zich in het plasma ook kernfusie afspeelt, is onduidelijk (Nature, 3 maart).

Wanneer een gasbel in een vloeistof onder invloed van de druk van ultrasoon geluid (frequentie boven de gehoorgrens) ineenstort, loopt de temperatuur op – vergelijk het met samenpersen van de lucht in een fietspomp die ook warm wordt. Dit imploderen gaat razendsnel, en de ontwikkelde warmte is voldoende om de gasbel aan het gloeien te krijgen. Vandaar de naam van het verschijnsel: sonoluminescentie, omzetting van geluid in licht. Het is een heftig proces en toen imploderende gasbellen in 1917 scheepsschroeven bleken te beschadigen schakelde de Britse marine de beroemde Lord Rayleigh in om het probleem te analyseren. Een theoretisch model uit 1999, mede ontwikkeld door de Twentse fysicus Detlef Lohse, wist als eerste goed raad met de karakteristieken van het uitgezonden licht.

In het vorige week gepubliceerde experiment werkten Kenneth Suslick en Daniel Flannigan, verbonden aan de universiteit van Illinois in Urbana-Champaign, met gasbellen van argon of xenon in geconcentreerd zwavelzuur. Die vloeistof heeft het voordeel van een lage dampdruk, zodat nauwelijks vloeistofmoleculen de bel binnenvliegen en daar energie wegvangen. Ook is de viscositeit (stroperigheid) van geconcentreerd zwavelzuur relatief groot, wat de bolvorm van de gasbellen – en daarmee het focusseren van de geluidsenergie – ten goede komt. Eenatomige gassen als argon en xenon hebben bovendien het voordeel dat er geen energie gaat zitten in rotaties en interne trillingen van (samengestelde) moleculen. Al met al is de sonoluminescentie in zwavelzuur duizend keer zo hoog als in water. De Amerikanen bereikten bij krachtig geluid temperaturen van 20.000 graden. Bewijzen voor plasmavorming zagen ze in de spectra van de lichtflitsjes van de ineenstortende bellen.

Sporen van kernfusie in de imploderende gasbel zijn door Suslick en Flannigan vooralsnog niet waargenomen. Sinds 2002 claimt Rusi Taleyarkhan van de Purdue Universiteit in sonoluminescentie van aceton en zwaar water deuteriumfusie te hebben gezien, een waarneming die door collega-fysici in twijfel is getrokken. In vervolgexperimenten hoopt het duo uit Illinois deze prangende kwestie op te kunnen lossen.