De razendsnelle explosie van een bevriezende waterdruppel

Supergekoelde waterdruppel bevriest van buiten naar binnen en explodeert.

Foto’s Sander Wildeman

Beelden van een hogesnelheidscamera tonen hoe waterdruppels exploderen als ze van buiten naar binnen bevriezen.

Eerst bevriest de buitenste schil. Als ook het water aan de binnenkant verandert in ijs ontstaan er barstjes en bubbels in de schil. Vervolgens verschijnt er door de druk een soort naaldvormig uitsteeksel. Snel daarna barst de druppel uit elkaar in ijssplinters.

Hoe zo’n explosie precies verloopt, was nog niet bekend. Om dat te onderzoeken legden natuurkundigen van de Universiteit Twente het hele proces vast met een hogesnelheidscamera. Hun onderzoek verscheen 24 februari in Physical Review Letters.

De explosie onstaat doordat water uitzet als het bevriest. Dit in tegenstelling tot de meeste andere materialen die krimpen als ze afkoelen. Als een druppel erg snel afkoelt, bevriest eerst de buitenkant. Daarna volgt het water aan de binnenkant, dat tijdens het bevriezen met veel kracht uitzet. Daardoor duwt het tegen de bevroren schil aan en spat het geheel uit elkaar.

De druppels exploderen alleen als het bevriezen erg snel gaat. Dat komt bijvoorbeeld voor bij industriële processen waar waterdruppels al erg koud zijn en dan plots helemaal bevriezen. „De explosies van bevroren druppels komen ook voor in erg koude wolken”, vertelt hoogleraar vloeistofdynamica Detlef Lohse, een van de auteurs. „Hier kan het zorgen voor een razendsnelle overgang van waterdruppels naar ijs in een wolk.” De schilvers van één uiteenspattende druppel zorgen ervoor dat tal van andere druppels ook bevriezen. Die kunnen vervolgens ook exploderen, waardoor er een cascade van ijsvorming ontstaat. Dit proces kan het soms razendsnelle ontstaan van hagel of andere neerslag in wolken verklaren.

De onderzoekers van de Universiteit Twente wilden daarom weten hoe de explosie verloopt. Daarvoor gebruikten ze druppels zuiver water van ongeveer een millimeter groot. Om de druppels gecontroleerd te laten bevriezen, brachten de onderzoekers ze in een speciaal ontworpen vacuüm kastje. Door het verdampen van water en de daarvoor nodige energie verlaagt de druppeltemperatuur tot -7 graden Celsius. De druppels zijn dan nog niet bevroren maar wel supergekoeld.

Normaal gesproken bevriest water bij nul graden Celsius, maar extreem zuiver water blijft bij veel lagere temperaturen vloeibaar. Dat komt doordat ijsvorming een beginnetje nodig heeft. Meestal is het een kleine verontreiniging in het water dat de vorming van ijskristallen in gang zet als de temperatuur steeds lager wordt. Als er geen verontreinigingen zijn kan water bij -45 graden Celsius nog vloeibaar zijn.

De supergekoelde druppeltjes water van -7 graden Celsius uit het experiment hebben maar een heel klein zetje nodig om ze te laten bevriezen. Het zetje werd gegeven door met een puntig stukje zilverjodide de druppel aan te raken. „Er ontstaat dan binnen een paar microseconden een schil van ijs aan de buitenkant”, zegt Lohse. Dit laagje wordt van binnen uit steeds dikker. Zodra de druk van het uitzettende ijs aan de binnenkant te hoog wordt, zie je op de videobeelden heel precies hoe de barsten en bubbels onstaan en hoe binnen twee seconden de druppel uit elkaar knalt.

    • Dorine Schenk