Op 7 december 1995 drong een NASA-sonde de atmosfeer van Jupiter binnen. Terwijl de sonde, de Jupiter Atmospheric Probe, met meer dan 100.000 km/u. door de wolken zoefde, verhitte de wrijving de lucht rond het vaartuig tot meer dan 28.000 graden Fahrenheit. Hierdoor werden atomen in geladen deeltjes gesplitst en ontstond een elektrische soep die plasma wordt genoemd. Plasma verklaart natuurlijke fenomenen zoals bliksem of het noorderlicht; de zon is een reusachtige brandende bal plasma.

Het plasma baande zich een weg door het hitteschild van de Jupitersonde, veel sneller dan iemand bij de NASA had voorspeld. Toen de ingenieurs van het agentschap de gegevens van de sensoren in het hitteschild analyseerden, beseften ze dat hun zorgvuldige modellen het bij het verkeerde eind hadden gehad. Het schild desintegreerde veel meer dan verwacht in sommige gebieden, en veel minder in andere. De sonde overleefde het ternauwernood, en de enige reden daarvoor was dat ze een foutmarge in het ontwerp hadden ingebouwd door het extra dik te maken. “Dit bleef een open vraag”, zegt Eva Kostadinova, een plasma-expert van de Auburn University, tegen Wired. “Maar als je nieuwe missies wilt ontwerpen, moet je kunnen modelleren wat er aan de hand is.”

Bevestigd aan ruimtevaartuig van een miljard dollar

Het is erg moeilijk om de omstandigheden van een hogesnelheidsintrede van een ruimtevaartuig in een compacte atmosfeer precies na te bootsen, dus het is moeilijk om modellen die voor zo’n ruimtemissies worden bedacht op nauwkeurigheid te testen.

Dat vormt ook een belemmering voor nieuwe hitteschildmaterialen die lichter of beter zouden kunnen zijn dan de op koolstof gebaseerde hitteschilden die nu worden gebruikt. Als je ze niet kunt testen, is het erg moeilijk om er zeker van te zijn dat ze zullen werken wanneer ze aan een ruimtevaartuig van een miljard dollar worden bevestigd.

Eerdere tests hebben lasers, plasmastralen en hogesnelheidsprojectielen gebruikt om de hitte van het binnendringen van het vliegtuig te simuleren. Maar geen enkele daarvan is helemaal goed. “Geen enkele ruimtevaartfaciliteit op aarde kan de hoge temperaturen bereiken die je ervaart bij atmosferische penetratie van iets als Jupiter”, zegt Kostadinova.

Verzengende hitte van een reactor

Nieuw onderzoek door Kostadinova en haar medewerker Dmitri Orlov van UC San Diego heeft een mogelijk alternatief aangetoond: de verzengende hitte in het binnenste van een experimentele kernfusiereactor.

Er bestaan een paar honderd dergelijke reactoren, bekend als tokamaks, in door de overheid gefinancierde onderzoeksfaciliteiten over de hele wereld. De bekendste daarvan zijn de Joint European Torus in het Verenigd Koninkrijk, en ITER, de International Thermonuclear Experimental Reactor, een 35-natiesamenwerkingsverband in Zuid-Frankrijk.

Onderzoekers gebruiken deze tokamak al tientallen jaren om de uitdagingen aan te gaan van kernfusie. In een tokamak worden krachtige magneten gebruikt om woelig plasma vast te houden, zodat het de tientallen miljoenen graden kan bereiken die nodig zijn om atomen te doen samensmelten en energie vrij te maken.

Plasma

Maar Kostadinova en haar medewerker Dmitri Orlov waren meer geïnteresseerd in het plasma binnenin deze reactoren. Zij beseften dat dit zowat de perfecte simulatie is van een ruimteschip dat de atmosfeer van een gasreus, een planeet die voornamelijk uit gassen bestaat, penetreert. Orlov werkt aan de DIII-D fusiereactor, een experimentele tokamak in een faciliteit van het Amerikaanse ministerie van Energie in San Diego, maar zijn achtergrond is lucht- en ruimtevaarttechniek.

Samen gebruikten ze de DIII-D faciliteiten om een reeks experimenten uit te voeren. Via een poort op de bodem van de tokamak brachten zij een reeks koolstofstaven in de plasmastroom, en gebruikten hogesnelheids- en infraroodcamera’s en spectrometers om na te gaan hoe deze uiteenvielen. Orlov en Kostadinova vuurden ook minuscule koolstofkorrels met hoge snelheid in de reactor, om op kleine schaal na te bootsen wat het hitteschild van de sonde in de atmosfeer van Jupiter zou hebben ondervonden.

De omstandigheden in de tokamak waren opmerkelijk vergelijkbaar wat betreft de temperatuur van het plasma, de snelheid waarmee het over het materiaal stroomde en zelfs de samenstelling. Zo bestaat de Joviaanse atmosfeer voornamelijk uit waterstof en helium, de DIII-D tokamak gebruikt deuterium, een isotoop van waterstof. “In plaats van iets met een zeer hoge snelheid te lanceren, hebben we een stilstaand object in een zeer snelle stroom gebracht”, zegt Orlov.

De experimenten, die deze maand werden gepresenteerd op een bijeenkomst van de American Physical Society in Pittsburgh, hebben geholpen om de modellen te valideren die zijn ontwikkeld door NASA-wetenschappers met behulp van gegevens die zijn teruggestuurd door de sonde. Maar zij dienen ook als een proof of concept voor een nieuw soort testen.

Proeftuin

Of kernfusiereactoren een praktische proeftuin zullen zijn valt nog te bezien – het zijn ongelooflijk gevoelige apparaten die voor een heel ander doel zijn ontworpen. Orlov en Kostadinov kregen tijd in DIII-D als deel van een speciale inspanning om de reactor te gebruiken om wetenschappelijke kennis uit te breiden. Ze konden dit doen door gebruik te maken van een poort die in de tokamak is ingebouwd om veilig nieuwe materialen te testen. Maar het is een duur proces. Hun dag aan de machine kostte een half miljoen dollar. Als gevolg daarvan zullen dit soort experimenten in de toekomst waarschijnlijk slechts sporadisch worden uitgevoerd.

Met verdere experimenten hopen Orlov en Kostadinova dat de modellen kunnen worden verbeterd en gebruikt om het ontwerp van het hitteschild voor toekomstige missies te optimaliseren. Door meer materiaal aan te brengen waar het nodig is, maar het ook weg te halen waar het niet nodig is. NASA’s DAVINCI+ missie, die aan het eind van dit decennium naar Venus zal worden gelanceerd, zou de eerste kunnen zijn die hiervan kan profiteren.

Bovendien kan de techniek worden gebruikt om nieuwe materialen te testen, zoals siliciumcarbide. Of nieuwe vormen van hitteschilden, die gebruik maken van een mix van passieve materialen die afbranden, en andere componenten die dat niet doen.

Als het misgaat

Het onderzoek zou ook kunnen helpen bij het ontwerp van fusiereactoren zelf. Tot nu toe is het meeste onderzoek begrijpelijkerwijs gericht geweest op de plasmareacties in de kern van een tokamak. Maar naarmate kernfusie steeds commerciëler wordt, zal er meer aandacht moeten worden besteed aan de constructie van de reactoren. En aan het ontwerp van materialen die de fusiereactie kunnen opvangen en de energie veilig kunnen afvoeren als het misgaat…

(jvdh)