Star-Warslaser ontleedt smog en wietdampen

Een ontwerp is pas goed als het ook de gewenste resultaten oplevert. In dit geval dus: het karakteriseren van de deeltjes in de lucht. Als testcase nam Weiß de roetdeeltjes die uit de uitlaat van een dieselmotor komen. Hij wilde aan het uitlaatgas kunnen zien of aan de originele brandstof wel of niet een stof was toegevoegd die ervoor zorgt dat er minder schadelijke stoffen vrijkomen.

Na enkele inleidende experimenten, waaruit bleek dat het systeem zelfs verschillende soorten roet kon herkennen, ging Weiß met een echte dieselmotor aan de slag. De resultaten waren opmerkelijk: aan het spectrum was zelfs de hoeveelheid toevoegingen te herkennen.

Marijnissen: ,,Via STW zijn we in onderhandeling met een Amerikaans bedrijf om het apparaat op de markt te brengen. Het kan behalve voor milieu-onderzoek ook gebruikt worden in bijvoorbeeld de farmaceutische industrie, om het productieproces te controleren. Ik heb er al een presentatie over gehouden bij een farmaceutisch bedrijf. De productie-afdeling was er enthousiast over, het analytisch laboratorium helemaal niet.”

De intensiteit van de laserpuls moet afgestemd worden op het te onderzoeken materiaal. ,,Anorganische stoffen hebben eenhoge intensiteit nodig, maar organische stoffen gaan dan zover kapot dat je ze niet meer kunt herkennen. Als je de samenstelling van bijvoorbeeld de buitenlucht wilt bepalen, moet je dus na elkaar metingen voor de organische en de anorganische aërosolen doen. Maar als je wilt onderzoeken welke stoffen samen een roetdeeltje vormen, gebruik je de laserintensiteit als variabele om de verschillende stoffen zo goed mogelijk te herkennen,” legt Marijnissen uit.
Wiet

Een andere toepassing van de opstelling brengt Weiß in zijn proefschrift ter sprake onder het opschrift ‘Pyrolyse van cannabis.’ In gewoon Nederlands: het verhitten van wiet zodat het verdampt. Die damp was het aërosol dat Weiß wilde karakteriseren. Marijnissen: ,,Het grappige was dat Weiß zelf niet rookte, geen shag of sigaretten en al helemaal geen wiet. Via via zijn we aan wat van dat spul gekomen en we hebben het in een glazen kolfje verhit. Dat werkte heel goed, de damp stroomde er vanaf.”

Met de nodige aanpassingen aan de laserpuls kon het meetsysteem het werkzame bestanddeel uit de cannabisbladeren inderdaad herkennen. Is het spectrum van wiet eenmaal bekend, dan kan het meetsysteem dus voortaan als detector fungeren.

Weiß ziet dan ook een mogelijke toepassing van zijn meetinstrument in het opsporen van drugs en explosieven op bijvoorbeeld vliegvelden. De speurhonden kunnen dan vervangen worden door een soort kruimeldieven waarmee de kleding van verdachte individuen gecontroleerd wordt op sporen van wiet of Semtex.

Maar dan moet er nog wel het een en ander aan het apparaat veranderen. Marijnissen: ,,De hele opstelling is nu nog te groot. Maar voor praktische toepassingen kan een aantal onderdelen eruit. Het pompsysteem blijft voorlopig het grootste. Misschien dat we in de toekomst met een soort ventiel kunnen werken, dan heb je minder pompen nodig. Het onderzoek naar schaalverkleining gaat in ieder geval door.”

Het streven is om een volgende versie niet groter dan een tafelblad te laten zijn. Uiteindelijk moet het hele systeem in een koffer passen. Een grote koffer, lacht Marijnissen, maar toch handzamer dan wat er nu staat.

Het vliegt met driehonderd meter per seconde door de lucht en wordt door een laser aan stukken geschoten. Ra, ra, wat is dat? Nee, het heeft niets te maken met de videoversie van Independence Day. Laat de fiction maar buiten beschouwing, het raadsel draait om science. Dus nogmaals: wat vliegt daar?

Het lijkt een flauw spelletje, maar het is een van de kernvragen van de vakgroep deeltjestechnologie van de faculteit Scheikundige Technologie en Materiaalkunde: wat voor deeltjes bevinden zich in de lucht om ons heen? Martin Weiß promoveerde vorige week dinsdag op het ontwerp van een apparaat dat deze vraag kan beantwoorden. Door de deeltjes met een laser kapot te schieten en de brokstukken te analyseren, wist hij zelfs een aantal soorten roet van elkaar te onderscheiden.

Aërosolen, de kleine vaste of vloeibare deeltjes in de lucht, beïnvloeden het klimaat, kunnen mensen ziek maken en spelen een grote rol bij smogvorming. Om de processen die hierbij optreden beter te begrijpen, is kennis over de grootte en de chemische samenstelling van de deeltjes nodig. Weiß ontwierp een apparaat dat beide eigenschappen kan meten van telkens één deeltje.

De werking van het apparaat lijkt uit een aflevering van Star Trek te komen. Het te onderzoeken deeltje passeert eerst twee laserstralen die zijn grootte meten. De tweede straal fungeert bovendien als startsignaal voor een derde, sterke laserstraal die het deeltje aan stukken schiet. De brokstukken worden in een elektrisch veld versneld en de tijd die ze nodig hebben om een bepaalde afstand af te leggen geeft informatie over de samenstelling van de fragmenten.

,,Het apparaat werd door medewerkers uit de vakgroep Star Wars genoemd,” verteld dr.ir. Jan Marijnissen, initiator van deze tak van onderzoek en de dagelijkse begeleider van Weiß. ,,Een echte naam is er trouwens nog niet eens.”
Milieu

Ruim tien jaar geleden bouwde Nasa in de Verenigde Staten de eerste prototypes van dergelijke apparaten. Marijnissen las er enkele artikelen over, bedacht een beter uitvoerbaar apparaat en diende een voorstel in bij onderzoeksfinancier STW (Stichting voor de Technische Wetenschappen). Het voorstel werd gehonoreerd en nu is het apparaat er werkelijk.

,,Het eerste model van de aërosol-inlaat werd helemaal van glas gemaakt,” vertelt Marijnissen. ,,Dat was een afstudeeropdracht. Die afstudeerder, Olaf Kievit, promoveerde daarna op hetzelfde apparaat. Een korte tijd werkten Kievit en Weiß samen aan de opstelling en nu staat er een werkend prototype.”

De aërosolen komen het meetapparaat binnen via eenvacuümsysteem dat door zeven pompen leeggezogen wordt. De inlaat bestaat uit een aantal kamers, die steeds een lagere druk hebben. De buitenlucht, vermengd met aërosolen, wordt naar binnen gezogen als gevolg van deze reeks drukverschillen. Tegelijkertijd worden de aërosolen gescheiden van de rest van de lucht: de zwaardere deeltjes kunnen de snelle richtingsveranderingen van de weer afgezogen lucht niet volgen en schieten rechtdoor het meetgedeelte binnen.

Afhankelijk van de grootte hebben de deeltjes dan een constante snelheid bereikt van ongeveer driehonderd meter per seconde. De kleine deeltjes gaan iets harder, de grote langzamer. Weiß stuurt de aërosolen vervolgens door twee laserstralen heen die op vaste afstand van elkaar zijn opgesteld. Uit de tijd die verloopt tussen het passeren van de twee stralen blijkt de snelheid van het deeltje en dus zijn grootte. De helft van zijn probleemstelling was daarmee opgelost.

De andere helft van het onderzoek betrof de samenstelling van het aërosol. Om die te bepalen, vuurt het apparaat van Weiß een intense laserpuls op het deeltje af. Het brandpunt van de gebruikte lichtbundel ligt op een vast punt, een korte afstand achter de tweede detectiebundel van de groottemeting. Kort nadat het deeltje de tweede bundel is gepasseerd, zendt de laser een lichtpuls uit.

Als gevolg van de laserpuls spat het aërosol uiteen in een aantal geladen fragmenten ofwel ionen. Door een elektrisch veld aan te leggen, vliegen de geladen fragmenten in de richting van een detector. Dit apparaat meet de hoeveelheid lading die aankomt en de tijd die de fragmenten erover hebben gedaan om de weg van de explosie tot de detector af te leggen. Op deze manier ontstaat een zogenaamd massaspectrum. Uit het spectrum wordt uiteindelijk de chemische samenstelling van het originele aërosol bepaald.

Een ontwerp is pas goed als het ook de gewenste resultaten oplevert. In dit geval dus: het karakteriseren van de deeltjes in de lucht. Als testcase nam Weiß de roetdeeltjes die uit de uitlaat van een dieselmotor komen. Hij wilde aan het uitlaatgas kunnen zien of aan de originele brandstof wel of niet een stof was toegevoegd die ervoor zorgt dat er minder schadelijke stoffen vrijkomen.

Na enkele inleidende experimenten, waaruit bleek dat het systeem zelfs verschillende soorten roet kon herkennen, ging Weiß met een echte dieselmotor aan de slag. De resultaten waren opmerkelijk: aan het spectrum was zelfs de hoeveelheid toevoegingen te herkennen.

Marijnissen: ,,Via STW zijn we in onderhandeling met een Amerikaans bedrijf om het apparaat op de markt te brengen. Het kan behalve voor milieu-onderzoek ook gebruikt worden in bijvoorbeeld de farmaceutische industrie, om het productieproces te controleren. Ik heb er al een presentatie over gehouden bij een farmaceutisch bedrijf. De productie-afdeling was er enthousiast over, het analytisch laboratorium helemaal niet.”

De intensiteit van de laserpuls moet afgestemd worden op het te onderzoeken materiaal. ,,Anorganische stoffen hebben eenhoge intensiteit nodig, maar organische stoffen gaan dan zover kapot dat je ze niet meer kunt herkennen. Als je de samenstelling van bijvoorbeeld de buitenlucht wilt bepalen, moet je dus na elkaar metingen voor de organische en de anorganische aërosolen doen. Maar als je wilt onderzoeken welke stoffen samen een roetdeeltje vormen, gebruik je de laserintensiteit als variabele om de verschillende stoffen zo goed mogelijk te herkennen,” legt Marijnissen uit.
Wiet

Een andere toepassing van de opstelling brengt Weiß in zijn proefschrift ter sprake onder het opschrift ‘Pyrolyse van cannabis.’ In gewoon Nederlands: het verhitten van wiet zodat het verdampt. Die damp was het aërosol dat Weiß wilde karakteriseren. Marijnissen: ,,Het grappige was dat Weiß zelf niet rookte, geen shag of sigaretten en al helemaal geen wiet. Via via zijn we aan wat van dat spul gekomen en we hebben het in een glazen kolfje verhit. Dat werkte heel goed, de damp stroomde er vanaf.”

Met de nodige aanpassingen aan de laserpuls kon het meetsysteem het werkzame bestanddeel uit de cannabisbladeren inderdaad herkennen. Is het spectrum van wiet eenmaal bekend, dan kan het meetsysteem dus voortaan als detector fungeren.

Weiß ziet dan ook een mogelijke toepassing van zijn meetinstrument in het opsporen van drugs en explosieven op bijvoorbeeld vliegvelden. De speurhonden kunnen dan vervangen worden door een soort kruimeldieven waarmee de kleding van verdachte individuen gecontroleerd wordt op sporen van wiet of Semtex.

Maar dan moet er nog wel het een en ander aan het apparaat veranderen. Marijnissen: ,,De hele opstelling is nu nog te groot. Maar voor praktische toepassingen kan een aantal onderdelen eruit. Het pompsysteem blijft voorlopig het grootste. Misschien dat we in de toekomst met een soort ventiel kunnen werken, dan heb je minder pompen nodig. Het onderzoek naar schaalverkleining gaat in ieder geval door.”

Het streven is om een volgende versie niet groter dan een tafelblad te laten zijn. Uiteindelijk moet het hele systeem in een koffer passen. Een grote koffer, lacht Marijnissen, maar toch handzamer dan wat er nu staat.