Onder druk
Wetenschappelijk onderzoek kan niet zonder goede data en onderzoeksinstrumenten. Welke onderzoeken worden mogelijk dankzij een faciliteit? En hoe gaat zo’n ondersteunende organisatie te werk? Deze keer: van klotsend aardgas tot rondvliegende aerosolen, The Atmosphere bij MARIN biedt onderzoekers volledige controle over temperatuur, druk en gassamenstelling.
Tekst: Merel Engelsman
Als je een huis-tuin-en-keukensnelkookpan op het fornuis opwarmt, stijgt niet alleen de temperatuur, maar ook de druk in de damp boven de vloeistof. ‘Bij veel onderzoek dat gebruik maakt van een drukvat is het juist belangrijk om bijvoorbeeld de temperatuur constant te houden, terwijl je de druk varieert of omgekeerd, of om ze beide tegelijk te veranderen’, vertelt Rodrigo Ezeta, hoofdonderzoeker van The Atmosphere, dat door gebruikers de ATM wordt genoemd. De autoclaaf – het afgesloten cilindervormige drukvat – van de ATM is 15 meter lang en heeft een diameter van 2,5 meter. Een van de unieke kenmerken is dat de temperatuur en de druk van zowel de vloeistof als het gas erin onafhankelijk van elkaar zijn in te stellen, met grote precisie en over een groot bereik: van 15 oC tot 200 oC en van 20 mbar tot 10 bar. Gebruikers hebben bovendien volledige controle over de samenstelling van het gas in de autoclaaf, waarbij ze kunnen kiezen uit niet-condenseerbare gassen zoals helium, stikstof en zwavelhexafluoride of condenseerbare stoom/waterdamp.
Recepten
In plaats van een ondoorzichtige metalen behuizing, heeft The Atmosphere talloze kijkglazen, sensoren en (hogesnelheids)camera’s waarmee onderzoekers hun experimenten tot in detail kunnen observeren. Ezeta: ‘The Atmosphere is volledig geautomatiseerd. Voor het instellen van de experimentele omstandigheden gebruiken wij zogenaamde recepten: simpele instructies die The Atmosphere in volgorde uitvoert, zoals een computer een programma compileert. Zo kan onder minimaal toezicht een continue datastroom worden gecreëerd.’
Opwarmen en afkoelen
De temperatuur van zowel het gas als de vloeistof wordt ingesteld met thermische olie die door buizen stroomt. Voor de gassen bevinden deze buizen zich in de wand van de autoclaaf. Om tot een snelle temperatuurverandering van de vloeistof te komen, en daarmee datavergaring flink te versnellen, wordt deze buiten de autoclaaf gekoeld of opgewarmd – door middel van buizen in een externe stoomgenerator. De grote omvang van The Atmosphere en het ruime bereik waren randvoorwaarden voor het onderzoeksprogramma SLING waarbinnen de faciliteit is gebouwd. Maar bij het ontwerpen werd al ruimschoots rekening gehouden met mogelijke andere toepassingen. ‘The Atmosphere is ook ontworpen met het oog op productontwikkeling en procesoptimalisatie’, zegt Ezeta. ‘Een goed voorbeeld hiervan is het project waarin we innovatieve isolatiesystemen voor LNG-tanks ontwikkelden. Met experimenten in The Atmosphere optimaliseerden we bestaande warmteoverdrachtmodellen voor verdampingsgas.’
Vloeistoffen op Mars
Meerdere externe wetenschappers hebben zich al bij MARIN gemeld, bijvoorbeeld voor onderzoek naar vloeistoffen op Mars of het bestuderen van luchtbellenschermen die de onderwatergeluidsoverlast van offshore windmolenparken verminderen. ‘We maken zelf deel uit van het MIST-consortium dat onder andere onderzoek doet naar de dynamica van aerosolen in de context van virusoverdracht door de lucht, waaronder het virus dat de covid-19-pandemie heeft veroorzaakt.’
Klotsend LNG
Als aardgas wordt vervoerd als brandstof voor de scheepvaart, gebeurt dat bij cryogene temperatuur, een zeer lage temperatuur waardoor het gas vloeibaar is: liquefied natural gas (LNG). Het klotsen van dat vloeibare aardgas kan de speciale, geïsoleerde brandstoftanks beschadigen. ‘Idealiter onderzoeken we dit klotsen in experimenten op werkelijke schaal met gebruik van LNG, maar dat is duur en onpraktisch’, zegt Rodrigo Ezeta. Als onderzoeker was hij betrokken bij het SLING-onderzoeksprogramma. ‘The Atmosphere bracht ons dichter bij de werkelijkheid dan tot nu toe mogelijk was. En door slim te spelen met temperatuur, druk en samenstelling van het gas, kunnen we de fysica van deze cryogene vloeistof onderzoeken met behulp van gewoon water.’
Het SLING-onderzoek is numerieke stromingsleer op het scherpst van de snede. Dankzij de precieze controle over de omgevingsfactoren en de nauwkeurige hogesnelheidsmetingen van de hoogte en vorm van de door hen gecreëerde golven, bood The Atmosphere een ideale experimentele omgeving voor het toetsen van numerieke simulaties aan de theorie. Ezeta noemt dat de heilige graal van dit onderzoek. ‘We konden ook theorie en experimenten met elkaar verbinden, bijvoorbeeld wat betreft de oscillaties (trillingen) in gasbelletjes die ingevangen zijn in een brekende golf.’
Het SLING-programma is in november 2021 afgerond, maar het zal een blijvende impact hebben. Ezeta: ‘LNG is slechts een van de oplossingen die de EU implementeert om de uitstoot van de scheepvaart te verminderen. De kennis en methoden die we binnen SLING hebben gegenereerd, zijn in principe ook van toepassing op andere cryogene vloeistoffen, zoals vloeibaar ammoniak en vloeibare waterstof. Hiermee versnellen we de transitie naar een emissievrije scheepvaart.’
Er is nergens ter wereld een vergelijkbaar instrument
Aerosolen als ziekteverspreiders
Aerosolen zijn minuscule druppels met een diameter van enkele duizendsten van een millimeter. Ze worden bijvoorbeeld gevormd als we praten, hoesten of zingen en kunnen zodoende als ziekteverspreiders fungeren. Hun exacte bijdrage aan ziekteoverdracht is echter nog niet helemaal ontrafeld. In het onderzoeksprogramma MIST wil een groot consortium van medici, biologen, ingenieurs en fysici de kennis hierover verder vergroten. ‘We gaan onder allerlei omgevingscondities de overlevingsduur en besmettelijkheid van virussen in aerosolen onderzoeken’, vertelt Detlef Lohse. Hij is hoogleraar fysica van vloeistoffen aan de Universiteit Twente en projectleider van MIST.
Een hoge mate van controle over de omgevingsomstandigheden – zoals de temperatuur en in dit geval in het bijzonder de luchtvochtigheid – is essentieel voor het bouwen en valideren van theoretische en numerieke modellen van ziekteoverdracht via de lucht. Zo ontstaan schone data. Laboratoriumexperimenten bieden deze controle ook, maar slechts op een schaal van enkele tientallen centimeters, terwijl het in de praktijk gaat om klaslokalen, treinen en vliegtuigcabines. Lohse: ‘The Atmosphere biedt ons een relatief ruime omgeving waarbinnen we de relevante omgevingsfactoren heel nauwkeurig kunnen controleren. En met de hogesnelheidscamera’s kunnen we het groeien en slinken van aerosolen nauwkeurig vastleggen. Er is nergens ter wereld een vergelijkbaar instrument. Dankzij The Atmosphere kunnen wij onze theorieën en modellen toetsen, en extrapolaties doen van een zeer kleine tot op een werkelijke schaal.’