Hij staat nog geen tien seconden aan of daar begint het al: een zacht geruis in de waterkoker. Het geruis wordt steeds luider. Soms hoor je zelfs scherpe knallen. Zodra het water begint te koken, is het meteen weer zalig stil. Wat zit hierachter?
Michel Versluis weet het antwoord. Als hoogleraar fysische en medische akoestiek aan de Universiteit Twente weet hij alles van vloeistoffysica. En van bubbels. Die laatste zijn de sleutel tot het mysterie. „Aan het oppervlak van het verwarmingselement bereikt het water al snel het kookpunt”, vertelt hij. „Er ontstaan piepkleine belletjes die heel snel groeien en imploderen. Ze bestaan zo kort dat je ze niet ziet.”
De groeiende belletjes imploderen doordat ze steeds meer tegendruk ervaren van het omringende water, legt Versluis uit. Het is als een soort veer die je oprekt en die dan weer terugschiet. „Hoe verder ze het water wegduwen, hoe harder het ook weer terugstroomt. Dat leidt tot een enorme volumeafname van het belletje: de implosie. De druk in het belletje neemt toe en de waterdamp condenseert weer.” Condensatie associëren we vaak met afkoeling, maar hoge druk krijgt het ook voor elkaar.
Samen klinken al die micro-implosies als ruisen. Het ruisen wordt luider naarmate er meer en grotere belletjes imploderen. Ontstaan er nóg grotere bellen, die het wateroppervlak bereiken, dan kookt al het water en hoor je niks meer.
Grote temperatuurverschillen
Oudere apparaten verwarmen soms minder gelijkmatig, vooral door kalkaanslag op het verwarmingselement. Versluis: „Daardoor ontstaan lokaal grote temperatuurverschillen. Dat kan leiden tot hevigere implosies met luidere knallen.”
Het verschijnsel heet cavitatie, omdat er holtes, of caviteiten, in de vloeistof ontstaan. „Dat kan op twee manieren: door een snel stijgende temperatuur, of door een snel dalende druk. In beide gevallen ontstaat er damp in de vloeistof, in de vorm van belletjes.”
Cavitatie treedt bijvoorbeeld op bij scheepsschroeven die snel ronddraaien onder water. Snelheidsverschillen tussen schroef en water veroorzaken onderdruk, waarin dampbellen ontstaan en imploderen. „Dat geeft vloeistofmechanische klappen op het metaaloppervlak”, legt Versluis uit. „Dit proces kan de schroef op den duur behoorlijk eroderen.”
Een andere bekende is de pistoolgarnaal. Die kan zijn schaar zo snel dichtklappen dat hij het water ertussen wegschiet met wel 100 km per uur. Ook dat veroorzaakt onderdruk en een imploderende bel. Met de schokgolf die vrijkomt (zo luid als een pistoolschot), kan de garnaal kleine prooien doden.
Soms komt bij het imploderen zelfs licht vrij. „In een perfect ronde bubbel komt al die energie op één punt bij elkaar. Dan ontstaat daar een heel heet plasma, dat een lichtflits uitzendt. Met het blote oog kun je dat niet zien, maar wij kunnen het wel meten.” Ontstaat er ook licht in een waterkoker? „In theorie kan dat, ja. Ik denk dat je dat wel zou kunnen meten.”
Versluis werkt in Twente in een interdisciplinair team dat cavitatie medisch wil toepassen. Als je microscopisch kleine luchtbelletjes in iemands bloedbaan injecteert („volkomen ongevaarlijk”), dan weerkaatsen die het geluid van een echoapparaat. „Zo kun je de doorbloeding van een orgaan zien én meten. Of juist het gebrek daaraan. Je kunt er zelfs infarcten mee behandelen. We zitten nog in de onderzoeksfase, maar we kunnen belletjes rondom een bloedprop met ultrageluid in trilling brengen, waardoor ze imploderen. Zo kun je die bloedprop verbrokkelen.”
