Natuurkundigen zijn cool, maar zó cool!? Dat dacht deze verslaggever toen het Instagramaccount van de jonge kernfysicus bijna 27.000 volgers op Instagram had. De verklaring? De kernfysicus werd in 2009 beroemd toen hij het Junior Eurovisie Songfestival won met het nummer Click clack.
Als kind keek Ralf Mackenbach – terwijl zijn ouders dachten dat hij sliep – naar Cosmos, een docuserie op tv over het heelal met de Amerikaanse astronoom Carl Sagan. Toen werd, tussen de muziekoptredens door, zijn vuur voor natuurkunde aangewakkerd.
Eind november verdedigde Mackenbach (28) zijn proefschrift over kernfusie aan de TU Eindhoven. Cum laude. In een kleine, witte, tl-verlichte kamer van de universiteit vertelt hij over zijn onderzoek van de afgelopen vier jaar terwijl hij bladert door zijn dikke proefschrift. Dat het „diehard natuurkunde” is, vindt Mackenbach zo leuk aan kernfusie. Kernfusie gaat over plasma’s: stromende ‘vloeistoffen’ die reageren op elektromagnetische velden. En dat zijn onderzoek een duidelijk maatschappelijk doel heeft, een duurzame energiebron voor de toekomst, vindt hij ook mooi.
De zon straalt dankzij kernfusie. Bij de extreme druk en temperatuur in het binnenste van deze ster versmelten kernen van lichtere atomen waardoor nieuwe, zwaardere atomen ontstaan: uit vier waterstofatomen ontstaat bijvoorbeeld helium. Daarbij komt ontzettend veel energie vrij. Op aarde proberen natuurkundigen deze energiebron na te bootsen in reactoren. Veelbelovend is dat een kernfusiereactie geen broeikasgassen produceert. Ook geeft kernfusie minder radioactief afval dan kernsplijting, die haar energie juist haalt uit het splijten van zwaardere atoomkernen tot lichtere elementen.
De Amerikaanse klimaatgezant John Kerry noemde kernfusie op de klimaattop in Dubai een „revolutie voor de wereld”. Is dat zo?
„Voor het klimaatprobleem moeten we in 2050 naar net zero CO2-uitstoot. Ik denk dat kernfusie daarbij niet veel gaat betekenen, op zo’n korte termijn. Nu is nog nergens een reactor die meer energie opwekt dan je erin moet stoppen. We moeten ook nog een infrastructuur bouwen voor kernfusie. Maar op lange termijn is kernfusie wel heel interessant. De wereldbevolking groeit en in steeds meer landen vragen mensen meer en meer energie. In die groeiende energievraag kan kernfusie wel een rol spelen.”
Lees ook
‘Sommige kernfusiebedrijven verkopen vliegende tapijten’
Hoe gaat dat, atoomkernen laten fuseren op aarde?
„Dat doen we in een fusiereactor: een soort grote, metalen donut met kabels eromheen. In de donut die ik in Duitsland bezocht zou je gehurkt kunnen staan; hij is zo’n halve meter hoog. Het centrum van de donut verwarmen we tot 150 miljoen graden Celsius. Dat kan gewoon met microgolven die een magnetron ook gebruikt om eten te verwarmen. In de donut stoppen we de lichte elementen deuterium en tritium, en door verhitting vormt zich een gloeiend heet plasma. Daarin is de temperatuur hoog genoeg voor de atomen om hard te botsen en uiteindelijk te fuseren.”
Hoe warmte vanuit de donut naar de buitenwanden lekt – dat onderzoekt Mackenbach. Dat is een van de grote, complexe problemen die opgelost moeten worden om van kernfusie een efficiënte energiebron te maken.
„Je wil niet dat die hitte snel naar de wanden van de donut gaat; dan zouden ze smelten. Met magneetvelden – waar het plasma als een kralenketting aan blijft plakken – proberen we het plasma aan de binnenkant te houden. Die magneetlijnen verklaren overigens de donutvorm. Als de magneetlijn recht was zou die ergens tegen een muur op botsen, en daar verlies je het hete plasma. De magneetvelden wekken we op met spoelen die op de buitenkant van de donut zitten. De temperatuur van de spoelen is net iets boven het absolute nulpunt [-273°C]. Hierdoor krijg je een gigantisch temperatuurverschil in de donut. En een temperatuurverschil wil zichzelf gelijktrekken. Net zoals wanneer je koude melk in hete thee doet. Dan zie je wervels ontstaan waarmee de koude melk en de hete thee mengen. Dat gebeurt ook met het plasma in de reactor. En daar wil je van af. Die wervels zorgen ervoor dat de warmte weglekt, waardoor het lastiger is de fusiereacties gaande te houden.”
Hoe onderzocht je die wervelingen?
„Wervelingen zijn chaotisch. Het kost heel veel rekenkracht om uit te rekenen welke wervelingen precies gaan ontstaan in een bepaald plasma. Ons idee is: we gaan dat niet eens proberen uit te rekenen. Voor mijn onderzoek vroeg ik mij af: kun je uitrekenen wat – in een bepaald plasma – de maximale hoeveelheid energie is die in al die wervelingen kan zitten? En het antwoord is ja, en ik stelde de formule op. Geruststellend was dat, wanneer volgens de formule veel energie in de wervels zat, en er dus veel warmte zou kunnen weglekken, er volgens computersimulaties ook daadwerkelijk veel warmte weglekte in die plasmaopstelling.”
Hoe helpt die kennis kernfusie op aarde?
„Je kan de formule gebruiken om een nattevingerberekening te maken om bijvoorbeeld te voorspellen in wat voor vorm plasmadonut de minste warmte-energie verloren gaat via wervelingen. Het gaat hierbij niet om de huls van de fusiereactor, maar de vorm van de baan die het plasma aflegt langs de magneetlijnen. Die vorm regel je met de spoelen.”
Om zijn nek draagt Mackenbach een zilveren ketting met een bedel die eruitziet als een gewokkelde donut ter grootte van een euromunt. Het is de vorm van het plasma in een fusiereactor in Duitsland.
En? Welke vorm is het efficiëntst?
„Dat weten we nog niet precies. Het hangt van meerdere factoren af: hoe groot wil je de reactor precies maken en hoe verwarm je het plasma precies? Wel lijken de optimale vormen die we tot nu toe vinden op echte reactoren: zo’n gewokkelde donut als in Duitsland lijkt het goed te doen.”
Waar ligt jouw toekomst?
„Ik plan nooit ver vooruit. Maar ik weet wel zeker dat ik onderzoek doen het leukst vind. In het nieuwe jaar ga ik voor mijn postdoc naar Zwitserland om verder te gaan met de donutvormen.”
Je gaf een presentatie voor de Universiteit van Nederland over kernfusie. Wil je zelf als Carl Sagan op een podium vertellen over wetenschap?
„Ja! Het is ontzettend leuk om een balans te vinden tussen de waarheid vertellen en iets begrijpelijk uitleggen voor een breed publiek. Ik weet ook wel – door mijn ervaring in de muziek – hoe je de aandacht moet vasthouden. Je wil niet té veel informatie per minuut zenden; je wil het ook gewoon leuk maken. Tijdens het optreden ga je ook niet steeds tussen twee nummers door twintig minuten praten.”
