2018-01 MIRA Ceti sprak met... Stefaan Poedts


Het ruimteweer, misschien niet erg bekend bij het grote publiek, maar een grote zorg voor onze moderne maatschappij die erg afhankelijk is van allerlei technologische verwezenlijkingen. De invloed van de Zon op onze planeet is immers groter dan men een eeuw geleden kon bevroeden.

 

MIRA Ceti ging professor Stefaan Poedts (°1962) interviewen in dit verband. Hij is afkomstig van Grimbergen en professor aan het departement wiskunde van de KU Leuven. Daar is hij stafmedewerker van het Centrum voor mathematische Plasma-Astrofysica.

Samen met zijn team werkt hij aan een performant model om ruimteweervoorspellingen te doen waarmee de impact van zonne-uitbarstingen op het aardmagnetisch veld vrij accuraat kan ingeschat worden. Over dit model, EUHFORIA genaamd, lees je meer in onderstaande tekst, en in bijlage zit een document dat gepubliceerd werd tijdens het ruimteweercongres van eind 2017 en toont welke voorspellingen EUHFORIA mogelijk maakt.

Maar we spraken ook over kernfusie als mogelijke energiebron van de toekomst.

Studies

Professor Poedts, kan u even schetsen hoe u als wiskundige bij het onderzoek van de zonneatmosfeer bent terecht gekomen?

Mijn belangstelling voor sterrenkunde is ontstaan tijdens mijn middelbare studies aan het Sint-Pieterscollege in Jette. Ik volgde de richting wiskunde-wetenschappen en daar kreeg ik les van twee uitstekende leraars wiskunde die allebei toegepaste wiskunde en sterrenkunde gestudeerd hadden in Leuven. Tijdens de lessen wiskunde vertelden zij soms heel boeiende dingen over de sterren en het heelal, en zo geraakte ik zelf ook geïntrigeerd door die materie.

In die tijd was het idee dat als je goed bent in wiskunde je moest gaan voor burgerlijk ingenieur. Maar tijdens een opendeurdag aan de universiteit van Leuven vond ik dat allemaal nogal erg technisch. Er was een prof die zei: je hebt allemaal ongetwijfeld al wel eens een radio opengevezen om te zien hoe dat van binnen werkt. Maar ik had dat nog nooit gedaan en dacht op dat moment dat ik wellicht toch niet echt voor burgerlijk ingenieur in de wieg was gelegd. Ik wou zeker iets met wetenschappen doen, maar wiskunde moest zeker ook prominent op het curriculum staan. En zo werd het wiskunde, waarbij ik wist dat ik na de eerste jaren ook sterrenkunde zou kunnen studeren.

Tegenwoordig kan je ook via fysica bij sterrenkunde uitkomen, maar vroeger stond sterrenkunde alleen op het programma in de faculteit wiskunde. Dat heeft historische redenen. De eerste sterrenkundigen in België waren allen, zonder uitzondering, wiskundigen, want zij hielden zich hoofdzakelijk bezig met de hemelmechanica. Het ging over het berekenen van efemeriden en banen van planeten, kometen en sterren doorheen de tijd. Dat was allemaal zeer wiskundig, daarom waren het wiskundigen die dat rekenwerk allemaal deden.

Ik heb eerst twee jaar zuivere wiskunde gehad en daarna toegepaste wiskunde met allemaal sterrenkundige vakken als optie. Omdat ik als primus afstudeerde stelde de promotor van mijn licentiaatsthesis voor om te doctoreren, wat ik gedaan heb met een studie over de verhitting van de corona van de Zon. Dat is daar een heel ingewikkeld kluwen van allerlei fenomenen die zich voordoen en mekaar beïnvloeden, om daar enigszins zicht op te krijgen moet je alles proberen te beschrijven in wiskundige modellen waarbij je zoveel mogelijk parameters moet proberen te betrekken in je berekeningen. Wiskundig gezien is dat trouwens zeer verwant aan de problemen die men heeft in het nucleaire fusieonderzoek. Het gaat in beide gevallen immers over hete plasma’s in vergelijkbare omstandigheden. In de kernfusiereactoren is het essentieel om dat plasma in toom te houden door middel van magneetvelden, zoals de lussen dat doen in de corona van de Zon. Ik heb modellen gemaakt voor die lussen, en vervolgens kon ik die modellen gewoon toepassen op wat er gebeurt in de fusiereactor.

Na mijn doctoraat ben ik nog een jaar aan de universiteit in Leuven gebleven, en in 1989 mocht ik dankzij een beurs van de Europese gemeenschap voor twee jaar aan het Max Planck-Institut für Plasmaphysik in Garching nabij München gaan werken.

Het Max Planck-instituut is een zeer prestigieuze instelling.

Op de keper beschouwd is er niet zoiets als ‘het instituut’, maar wel het Max-Planck-Gesellschaft, eigenlijk een gemeenschap van onderzoeksinstellingen, vooral in Duitsland zelf maar ook in het buitenland, waarbij meer dan tachtig onafhankelijke instituten op het vlak van sterrenkunde, biologie, geneeskunde, techniek, milieu en klimaat, humane wetenschappen en cultuur baanbrekend werk verrichten. Het is in ieder geval een geweldige referentie voor je verdere carrière als je in zo’n instituut aan de slag kan gaan, want het zijn alleen maar onderzoekers die met hun doctoraat de hoogste graden behaald hebben die er aan de slag kunnen. Daardoor is er een hoog niveau en het is er inspirerend om daar te kunnen werken.

Niet alle instituten zijn even groot, maar het instituut voor plasmafysica is wel één van de grootste. Het instituut voor wiskunde in Bonn is b.v. veel kleiner, er werken daar slechts een tiental mensen, maar het Max Planck-instituut voor zonnefysica in Göttingen is ook een redelijk groot instituut.

Zeker ook op gebied van wetenschappen heeft Duitsland heel veel te bieden?

Inderdaad, je hebt er naast de universiteiten allerlei instituten en stichtingen die wetenschappen ondersteunen. Heel bekend is zeker ook de Alexander von Humboldt Stiftung waaraan heel wat onderzoekers verbonden zijn en die ook veel doctoraatsbeurzen uitreikt.

Er zijn al meer dan honderd Nobelprijzen naar Duitse laureaten gegaan, daaronder heel wat natuurkundigen zoals Albert Einstein, Max Planck, Werner Heisenberg, Max Born en Hans Bethe. En bijna de helft van die Nobelprijswinnaars waren verbonden aan de universiteit van Göttingen. Dat was dus blijkbaar de plaats waar men moest zijn in die tijd, hetgeen wellicht alles te maken had met het feit dat zij een bibliotheek hadden en nog hebben van wereldfaam. Tegenwoordig kan je heel veel informatie op het internet vinden, maar vroeger moest je je onderdompelen in een wetenschappelijke bibliotheek om alle nodige bronnen te kunnen vinden. Bijgevolg trokken alle intellectuelen naar Göttingen om vlak bij de bibliotheek te zitten. Dat deed bv. ook de wiskundige Carl Friedrich Gauss, iemand die nooit lessen gevolgd heeft. Hij was een volbloed autodidact en installeerde zich gewoon in de bibliotheek om er alle boeken die hem interesseerden te kunnen lezen. En op die manier is hij de grootste wiskundige aller tijden geworden.

Zonneonderzoek

Toen uw doctoraat in 1988 verscheen was het aantal satellieten i.v.m. zonneonderzoek toch eerder beperkt. Wij zijn op dat vlak verwend met lopende projecten als ACE, SOHO, SDO, STEREO A en B, en binnenkort komen er nog enkele nieuwe bij zoals de Solar Orbiter en de Parker Solar Probe.

Dat klopt, het beeldmateriaal waar wij toen over beschikten was vrij pover als je dat vergelijkt met de beelden van nu. Je had de twee Helios-satellieten, en die produceerden röntgenfoto’s van de Zon in vrij lage resolutie. Het waren te weinig beelden om er filmpjes mee te maken, maar toch konden we er de corona mee zien, en het was duidelijk dat die erg heet was en dat het ging om een heel dynamische omgeving met veel golvingen. Het idee dat het die golven zouden zijn die zorgden voor de verhitting van de corona dateerde al van ergens in de jaren 1940 of zo. Met behulp van een prisma kan je het spectrum van het zonlicht ontleden, en er waren daarin spectraallijnen ontdekt die alleen maar kunnen voorkomen bij een temperatuur van twee à drie miljoen kelvin. Astronomen wisten dus dat de corona zo heet was, maar hoe dat kwam wisten ze niet.

Aanvankelijk dacht men dat het misschien om een nog onbekend scheikundig element ging, ze noemden het coronium, maar achteraf is gebleken dat het gewoon waterstof was aan heel hoge temperatuur. En die heel hoge temperatuur zou een gevolg zijn van golven in de corona.

Met de wiskundige modellen die ik tijdens mijn doctoraatsonderzoek ontwikkelde kon uitgerekend worden hoeveel van die golven je nodig hebt en hoe die op een efficiënte manier gedissipeerd kunnen worden om de energie van die golven om te zetten in warmte opdat er finaal die hoge temperaturen in de corona ontstaan.

Plasmalussen aan zonsoppervlakPlasmalussen aan zonsoppervlak

Het was in die tijd wel niet zo evident om de resultaten van mijn berekeningen te laten publiceren in de gespecialiseerde tijdschriften. Zoals je weet moet een artikel eerst nagekeken en goedgekeurd worden door andere specialisten, veelal collega’s, alvorens het gepubliceerd wordt. Het probleem was dat die collega’s niet overtuigd waren van het idee van een golfverhitting van de corona van de Zon, simpelweg omdat er geen waarnemingen waren van golven. Begrijpelijk, met de satellieten van toen maakte men maar één foto per dag, later werd dat één foto per uur. Maar aangezien het gaat om golven met een periode van een paar minuten, kan je die niet zien als je maar om het uur een foto maakt. Uiteindelijk werden mijn resultaten wel gepubliceerd, en met de satellieten van tegenwoordig die om de zoveel seconden een foto nemen zie je overal golven in de atmosfeer van de Zon. We kunnen de golven zodanig goed waarnemen, dat we er de frequenties en de amplitudes van kunnen bepalen. Op basis daarvan is het mogelijk de eigenschappen van het zonneplasma in te schatten: de dichtheid van de elektromagnetische lussen rondom de Zon en de sterkte van het magneetveld. Je kan bijvoorbeeld als je ziet hoe lang een lus is en met welke frequentie ze oscilleert uitrekenen wat de dichtheid ervan moet zijn. Dat onderzoeksdomein noemen we coronale seismologie, waarbij we de informatie die we daadwerkelijk meten bij die golven vergelijken met de theoretische modellen over het functioneren van dat coronale plasma waarin de golven zich voordoen. Hier op het sterrenkundig instituut in Leuven hebben we een aantal collega’s die in dat onderzoek gespecialiseerd zijn.

Zelf ben ik daar niet op door gegaan. Ik heb eerst enkele jaren in Duitsland onderzoek gedaan en dan ben ik naar Nederland getrokken om me bezig te houden met onderzoek i.v.m. kernfusie. Nadien ben ik teruggekeerd naar Leuven, en ik focus me nu sinds 1996 volledig op het zogenaamde ruimteweer, het Space Weather, waarbij we onderzoeken wat de invloed van de Zon is op de Aarde. We proberen wiskundige modellen te maken om het ruimteweer zo accuraat mogelijk te kunnen voorspellen. De meeste effecten van het ruimteweer op onze planeet zijn heel negatief en kosten enorm veel geld. Als we een goede voorspelling kunnen maken, kan de schade in sommige gevallen serieus beperkt worden. En zo sparen we behoorlijk veel kosten uit.

Jullie werken nauw samen met de mensen van het Solar-Terrestrial Centre of Excellence aan de Koninklijke Sterrenwacht in Ukkel?

Inderdaad, de wetenschappers die daar werken gebruiken onze modellen om hun voorspellingen te doen voor het ruimteweer van de komende dagen. Het is trouwens geen toeval dat verscheidene van hun mensen bij ons in Leuven gestudeerd hebben.

Als er zich aan het zonsoppervlak een grote zonnevlam voordoet, gaat dat veelal gepaard met de uitstoot van een grote massa geladen zonnedeeltjes, in het jargon noemen we dat een CME of ‘coronal mass ejection’. Die gigantische hoeveelheden plasma die door de Zon aan enorm hoge snelheden worden uitgestoten creëren schokgolven, en in die schokgolven worden de geladen deeltjes versneld. Het zijn die versnelde deeltjes die langs de Van Allen stralingsgordels in de atmosfeer van de Aarde terechtkomen en veel schade veroorzaken. Voor mensen op het aardoppervlak is het niet gevaarlijk want wij worden beschermd door onze dampkring en onze magnetosfeer. Maar hoe hoger je in de lucht gaat, hoe meer risico er is, dat wordt bv. al relevant voor personeel en passagiers die veel tijd in een vliegtuig doorbrengen. Eens je buiten de dampkring of buiten de magnetosfeer gaat, kom je in onbeschermd gebied terecht en wordt het risico echt wel reëel. Astronauten aan boord van het ruimtestation ISS zijn al een heel stuk minder beschermd tegen die straling. Zij zijn continu blootgesteld aan een aanzienlijke hoeveelheid straling afkomstig van de zon en vanuit de ruimte. Het gaat om ioniserende straling, en die is op termijn kankerverwekkend. Ook satellieten krijgen het zwaar te verduren als er een CME passeert, de delicate elektronica aan boord is niet altijd tegen dergelijke hoge dosissen straling bestand.

Een zonne-uitbarsting richting AardeEen zonne-uitbarsting richting Aarde

En dus proberen wij op een of andere manier te voorspellen wanneer er een effect zal zijn en hoe groot de impact ervan zal zijn op Aarde, maar dat is niet eenvoudig te realiseren. We kunnen meestal wel redelijk voorspellen wanneer er een magnetische storm zal zijn, maar hoe zwaar die storm zal zijn valt moeilijk te voorspellen omdat dit afhangt van de eigenschappen van het magneetveld van de CME. Het probleem is dat je dat magneetveld niet accuraat kunt meten. Dat kan wel aan het oppervlak zelf van de Zon omdat er van daar heel veel licht vertrekt.

Onder invloed van het magneetveld raken de spectraallijnen gesplitst, het zogenaamde Zeemaneffect, en we kunnen de sterkte van het magneetveld bepalen naarmate de spectraallijnen meer of minder gesplitst zijn. Maar eens de wolk geladen deeltjes losgekomen is van de Zon, heb je een veel ijler plasma en bijgevolg ontvangen we van dat plasma niet genoeg licht om er de spectraallijnen van te kunnen zien.

Dus hebben we geen observationele informatie over het magneetveld ervan. De enige manier om toch een idee te hebben van wat ons bij een CME te wachten staat is op basis van een wiskundig model een numerieke simulatie doen en alles helemaal door te rekenen. Tot voor kort was dat onbegonnen werk omdat het gaat over een wolk die een afstand van honderdvijftig miljoen kilometer aflegt en waarvoor je alle parameters dient uit te rekenen, dat vergt waanzinnig veel rekenkracht. Maar tegenwoordig hebben we heel sterke computers die we samen kunnen laten rekenen. Als we hier aan de KU Leuven de tweehonderd computers van ons rekencentrum tegelijkertijd gebruiken, kunnen we op een half uur tijd uitrekenen wanneer de schokgolf onze planeet zal bereiken, wat de intensiteit ervan zal zijn met informatie over de dichtheid, de snelheid en ook het magneetveld ervan.

Zijn er nog instituten waar men dergelijke modellen ontwikkelt?

In de Verenigde Staten werken ze met een eigen model, het ENLIL-model, dat al langer bestaat dan onze Europese variant. Wij hebben dat Europese model ontwikkeld omdat men i.v.m. ENLIL nogal geheimzinnig doet. De Amerikaanse onderzoekers geven niemand anders de code van hun systeem, niemand weet precies op basis van welke vergelijkingen ze hun berekeningen maken. En daarom wilden wij ons eigen model ontwikkelen. Ons model is intussen operationeel en is zeker competitief met het Amerikaanse. We hebben het EUHFORIA genoemd, een acroniem dat staat voor European Forcasting Information Asset. De naam klinkt alvast goed, vind je niet? En met ons model proberen we nog betere voorspellingen te doen dan ENLIL. Maar de twee modellen kunnen parallel gebruikt worden. EUHFORIA werd alvast geïnstalleerd in de Koninklijke Sterrenwacht in Ukkel en wordt daar nu uitvoerig getest en gekalibreerd.

Dynamische studie van zonne-uitbarsting met het EUHFORIA-modelDynamische studie van zonne-uitbarsting met het EUHFORIA-model

Als er zich nu zoiets zou voordoen als het Carrington Event, wat zouden de implicaties zijn voor onze moderne maatschappij?

Dat zou een regelrechte ramp zijn. Het Carrington Event deed zich voor begin september 1859 en was een geomagnetische zonnestorm die zich voordeed als gevolg van een krachtige CME minder dan een dag eerder. De zonne-uitbarsting zelf was zo krachtig dat de Engelse amateurastronoom Richard Carrington ze in zichtbaar licht kon waarnemen terwijl hij bezig was met zijn zonnewaarnemingen. Op 23 juli 2012 deed er zich een CME voor die in kracht ongeveer even groot was als het Carrington Event, maar de schokgolven kwamen gelukkig niet in de buurt van de Aarde.

Een van de effecten van een magnetische storm is dat er piekstromen geïnduceerd worden in structuren die lang en geleidend zijn, zoals hoogspanningskabels, pijpleidingen, ijzeren bruggen, spoorwegenlijnen, enzovoort. Het gaat om gelijkstroom, dus geen wisselstroom, en die piekstromen komen bovenop de stroom die er al inzit. Als bv. een transformator al op negentig procent van zijn capaciteit zit en dan komt daar nog zo’n piekstroom bovenop, brandt dat ding simpelweg door. Eind 2003 was er een krachtige geomagnetische storm en die heeft op die manier toch heel wat schade veroorzaakt: in Zuid-Afrika waren er meer dan tien tansformatoren doorgebrand en in het Verenigd Koninkrijk twee. Een transformator vervangen kost enorm veel geld en het duurt maanden om er een nieuwe te maken. Dan zit je toch wel een tijd zonder stroom. En dat was eigenlijk nog maar een eerder klein incident, het Carrington Event was acht keer erger.

Effecten ruimteweerEffecten ruimteweer

Er zijn intussen al verschillende studies uitgevoerd om de sociaaleconomische impact te berekenen van het ruimteweer. Je hebt niet alleen die piekstromen, maar ook alles wat met hoogfrequente golven gaat wordt onderbroken. Dus telecommunicatie-, navigatie- en GPS-systemen werken niet meer of niet nauwkeurig meer. Je hebt die ioniserende straling plus nog heel wat andere schadelijke effecten. Al die gevolgen van het ruimteweer worden voorzichtig geschat op vijf à tien miljard euro per jaar. Volgens een recente schatting uit 2017 van verzekeringsmaatschappij Eastwood zou de totale impact van een nieuw Carrington Event een kost van 2,7 biljard dollar met zich meebrengen, dat is tien keer meer dan de verwoestende orkaan Katrina die in 2005 zware ravages aanrichtte in Cuba en het zuiden van de Verenigde Staten. En het zou vijf à tien jaar duren eer alle schade hersteld zou zijn. Er cirkelen momenteel zowat duizendvijftig operationele satellieten rond de Aarde in hoge, middelhoge en lage banen. Satellieten in hoge banen zijn rechtstreeks blootgesteld aan zonnestormen en kunnen onherstelbare schade oplopen. In 2003 zijn er zo twee satellieten uit hun baan geslagen en helemaal onbruikbaar geworden. Als het echt om een reuzenstorm gaat zou hetzelfde kunnen tientallen satellieten hetzelfde lot ondergaan. In onze hedendaagse maatschappij zijn we steeds meer afhankelijk van technologie, waarbij satellieten een erg belangrijke rol spelen. Als we die kwijt spelen, hebben we bijgevolg een groot probleem.
Het enige positieve effect van die zonne-uitbarstingen is het poollicht. Dat is wonderlijk mooi, en zoals jullie wel weten doet men ook in dit verband voorspellingen waar en wanneer de aurora te zien is. Onze modellen maken het immers ook mogelijk om de impact van de versnelde zonnedeeltjes die botsen op atomen in de atmosfeer te berekenen.

Aurora ForecastAurora Forecast

Onlangs was er de European Space Weather Week, dat is een evenement dat elk jaar in november in ons land georganiseerd wordt. Dit jaar stelde een van de sprekers een economische studie voor die door een gespecialiseerd bureau uitgevoerd was om te berekenen wat de kosten en baten zijn van alle studies en modelleringen die we verrichten in verband met het ruimteweer. En uit die studie blijkt dat elke euro die in het ruimteweerprogramma geïnvesteerd wordt zorgt voor zes euro minder schade. En dit was een heel voorzichtige schatting, wellicht is de balans nog positiever. Waar we mee bezig zijn loont dus zeer zeker de moeite.

We kunnen natuurlijk proberen nog meer kosten te besparen door onze modellen nog beter te maken, dat is een voortdurend groeiproces. Wanneer er zich op de Zon een CME voordoet, duurt het een dag of twee, drie vooraleer de schokgolf tot aan de Aarde komt, de reistijd hangt af van de kracht waarmee die massa uitgestoten wordt. Bij een zeer krachtige CME zoals in het geval van het Carrington Event zal het zelfs minder dan een dag duren. Om beschermende maatregelen te kunnen treffen, moeten we onze berekeningen dus op korte tijd klaar hebben. Toen wij tien jaar geleden dergelijke berekeningen deden, duurde het maar liefst tien dagen om alle rekenwerk rond te krijgen, ook al werkten we op dat moment toch ook met vijfhonderd processoren tegelijkertijd. Maar dankzij de nieuwe generaties computers en technologieën en betere rekenmodellen slagen we er nu in om klaar te zijn op een half uur tijd.

Om tot betrouwbare resultaten te komen, moet je heel wat verschillende berekeningen uitvoeren met de input van zoveel mogelijk relevante parameters in verband met de waargenomen CME’s. Spijtig genoeg zijn er daarbij heel wat onbekenden. We kunnen bijvoorbeeld wel meten hoe breed de CME is wanneer hij aan de rand van de Zon vertrekt en met welke snelheid dat gebeurt, maar we hebben geen idee wat de dichtheid van die plasmawolk is, en van het magneetveld ervan weten we ook niets. Er komt dus heel wat onzekerheid bij de berekeningen kijken, en daaraan kunnen we ten dele verhelpen door verschillende parametersimulaties te doen. Om dus toch een goede en globale indicatie te hebben maken we vijftig à zestig simulaties. Als we vervolgens zien dat die allemaal als uitkomst hebben dat de schokgolf binnen dat welbepaalde tijdvenster bij de Aarde zal aankomen, hebben we toch een vrij accuraat idee over het verloop en de uitkomst van de CME. Maar zoals je je wel kan voorstellen vergt dat ongemeen veel rekenwerk, dat bovendien ook nog snel moet verricht worden om op tijd klaar te zijn met het oog op eventuele beschermende maatregelen.

Juni 2015 verloop CMEJuni 2015 verloop CME

Zou het op een of andere manier mogelijk zijn om dat monster op honderdvijftig miljoen kilometer afstand te temmen, bv. om er een soort reusachtige Dyson Spheres omheen te bouwen waarmee een significant deel van de uitgestraalde energie zou kunnen gerecupereerd worden?

Er bestaan wel diverse ideeën in dat verband, maar ik vrees dat we de eerstkomende honderd jaar de technologie nog niet zullen hebben om op dat vlak veel te realiseren. Het zou natuurlijk prachtig zijn om dat wel te kunnen doen, want het gaat om onvoorstelbaar veel energie.

Tijdens een periode van zonnemaximum zijn er per dag meerdere CME’s, en zelfs tijdens de periode van zonneminimum vindt er toch ook gemiddeld één keer per dag een dergelijke uitstoot van geladen deeltjes plaats. De hoeveelheid massa die hierbij weggeblazen wordt is naar onze aardse maatstaven ongemeen groot. Het gaat over massa’s in de grootteorde van 10 tot de 16de gram, of tien biljoen kg, vergelijkbaar met de massa van de Mount Everest. Kan je je de energie voorstellen die nodig is om een dergelijke massa uit te stoten met een snelheid van een paar duizend kilometer per seconde of meer dan vijf miljoen kilometer per uur? Dat komt neer op de kracht van vele duizenden atoombommen tegelijkertijd.

Het zou inderdaad fantastisch zijn mochten we al was het maar een deel van al die energie kunnen recupereren om op Aarde te gebruiken. We zouden bv. een lange elektrische draad rond de Aarde kunnen spannen waarmee we die piekstroom ten dele kunnen opvangen. Een dergelijk project realiseren is natuurlijk een gigantische technische uitdaging, voorlopig niet meer dan een droombeeld, maar misschien maken we die dromen ooit waar in de toekomst?

Hoe goed begrijpen we intussen de werking van de atmosfeer van de Zon?

We hebben een goed zicht op de structuur ervan. In de zonneatmosfeer onderscheiden we drie lagen met verschillende fysische kenmerken. Aan het oppervlak van de Zon heb je een heel dunne laag, slechts vijfhonderd km dik, de fotosfeer. 99,99 procent van het licht dat we ontvangen van de Zon vertrekt in die laag, en daar bedraagt de temperatuur zo’n 5.800 graden Celsius. Naarmate je hoger in de fotosfeer gaat, daalt de temperatuur: op 500 km hoogte is het nog 4.300 graden, het temperatuurminimum bij de Zon. Boven de fotosfeer heb je de chromosfeer, ook weer een redelijk dunne laag van 500 tot 2.500 km dik, waar je de verschillende regenboogkleuren kan vinden met daarin al die zwarte spectraallijnen. Vandaar ook de naam chromosfeer.

Wat vreemd is, is dat er daar iets gebeurt wat in strijd lijkt te zijn met de tweede wet van de thermodynamica. Die wet stelt: als je je verwijdert van een hittebron gaat de temperatuur naar omlaag. Bij de fotosfeer verloopt dat normaal zoals we daarnet stelden, maar in de chromosfeer is dat niet het geval, want ook al neemt de afstand toe ten opzichte van het zonsoppervlak, toch begint de temperatuur weer te stijgen. Aanvankelijk in de lagere chromosfeer evolueert die langzaam tot 20.000 graden, maar aan de top van de chromosfeer heb je een heel dunne transitiezone waar de temperatuur ineens oploopt tot een paar miljoen graden. En vlak daarboven heb je de corona. Die begint dus op zo’n 2.500 km boven het oppervlak van de Zon, en strekt zich via de zonnewind uit voorbij de aarde tot heel ver weg in het zonnestelsel.

Waar die plotse temperatuurstijging vandaan komt weten we nog altijd niet precies. Het grote probleem is niet aan voldoende energie komen om dat voor mekaar te krijgen, want om de gigantische corona te verhitten heb je eigenlijk opmerkelijk weinig energie nodig. Dat komt omdat het plasma waaruit de corona bestaat heel ijl is, de dichtheid ervan is bijvoorbeeld veel lager dan de lucht die wij inademen. De cruciale vraag is hoe de golven rondom de Zon kunnen omgezet worden in warmte. Als die corona immers zo ijl is, is er daar heel weinig weerstand en gaan de golven daar gewoon los door. Ze moeten dus vastgehouden kunnen worden zodat er op heel korte tijd dissipatie optreedt. Men heeft berekend dat als de Zon plots zou stoppen met schijnen de corona op amper vijftien minuten weg zou zijn. Er moet dus een mechanisme werkzaam zijn dat zo efficiënt is dat het de hele corona op een kwartiertje tot een paar miljoen graden kan verhitten. Je hebt daar die verschillende magnetische structuren, die lussen, waarbij je korte lussen hebt maar ook heel lange lussen. Typisch zijn lussen tussen 20.000 en 200.000 km lang, maar er zijn er ook van miljoenen kilometer lang. Er zijn lussen van aan de Zon tot aan de Aarde, die CME’s blijven immers verbonden met de Zon als ze aan de Aarde aankomen, dan heb je dus lussen die 300 miljoen km lang zijn. Hoe al die verschillende lussen met een zelfde efficiëntie de corona kunnen verhitten, is momenteel nog steeds moeilijk te verklaren. Ik vermoed dat we met die vraag nog wel een tijdje zullen bezig zijn. Maar dat is natuurlijk ook het boeiende aan wetenschap: je hebt een model, je gaat dat toetsen aan de waarnemingen, je kunt er een aantal waarnemingen mee verklaren maar een aantal waarnemingen ook weer niet. Dus moet je je model verder verfijnen. Misschien komt er iemand met een ander concurrerend model. En zo evolueren we geleidelijk naar een steeds beter model.

Zijn er satellieten die jullie bij voorkeur gebruiken voor het zonne-onderzoek?

Ja, gelukkig zijn er tegenwoordig een aantal satellieten die ons heel bruikbare data bezorgen. In vergelijking met de meteorologen die het weer op Aarde voorspellen en die op talloze plekken op het aardoppervlak en op zee over weerstations beschikken plus nog een boel satellieten in een baan rond onze planeet om voor extra gegevens te zorgen beschikken wij voor onze voorspellingen van het ruimteweer over veel minder informatie.

ESA's Solar OrbiterESA's Solar Orbiter

In het Lagrange evenwichtspunt tussen de Zon en de Aarde bevindt zich de ACE-satelliet. ACE staat voor Advanced Composition Explorer en de bedoeling van het ruimtetuig is een aantal parameters van de zonnewind te meten zoals de snelheid van de zonnewind, de dichtheid, het magneetveld en de temperatuur ervan. Met het SDO, het Solar Dynamics Observatory, zien we het oppervlak van de Zon. Door de rotatie van de Zon kunnen we ook zien wanneer er een actieve zone aankomt.

Maar we zouden heel graag een aantal satellieten nog dichter bij de Zon hebben. Want hoe sneller we de nodige informatie hebben, hoe beter en nauwkeuriger we onze voorspellingen kunnen doen. Weldra gaan er vanuit die optiek twee interessante satellieten gelanceerd worden: de Parker Solar Probe van de NASA in 2018 en de Solar Orbiter van de ESA in 2019. De Solar Orbiter zal de Zon tot op zo’n veertig miljoen kilometer naderen, terwijl de Parker Solar Probe zelfs tot op zes miljoen kilometer van het zonneoppervlak zal komen. Beide satellieten zullen ook buiten het eclipticavlak gaan en zullen dus ook de polen van de Zon kunnen observeren. We verwachten ook dat die twee satellieten ons zeer essentiële informatie zullen bezorgen om tot een serieuze doorbraak te komen in verband met het probleem van de verhitting van de zonnecorona.

Kan ook PROBA-3 voor jullie nuttig zijn?

PROBA-2 doet al prachtig werk in het extreem ultraviolet licht, maar PROBA-3 zal nog interessanter zijn omdat deze ruimtemissie ons de mogelijkheid zal bieden om de onderste laag van de corona gedetailleerd te bestuderen. PROBA-3 zal bovendien een heel speciale missie zijn omdat het in feite gaat over een duo-satelliet, waarbij beide toestellen in een heel precieze formatie vliegen. Een dergelijk huzarenstukje heeft men nog nooit eerder gerealiseerd.

Bedoeling is een perfecte zonsverduistering te krijgen waarbij de ene satelliet als verduisteringselement zal fungeren – zoals de Maan dat doet tijdens een zonsverduistering die we op Aarde zien – en de andere satelliet als telescoop dienst zal doen. Als beide instrumenten precies 150 meter van elkaar blijven, ontstaat op die manier een reusachtige coronagraaf. PROBA-3 zal in net geen twintig uur rond de Aarde draaien, en gedurende zes uur zullen waarnemingen gedaan kunnen worden. We kijken al erg uit naar de lancering die als alles volgens plan loopt zal plaatsvinden eind 2020.

De PI van het project is trouwens Andrei Zhukov van de Koninklijke Sterrenwacht, en zelf was ik voorzitter van het ESA-selectiecomité om uit alle voorstellen de meest geschikte toestellen te kiezen voor die ruimtemissie.

De twee sondes van PROBA-3De twee sondes van PROBA-3

Fantastisch toch als je ziet hoe op enkele decennia jullie onderzoek geëvolueerd is?

Ja, betere waarnemingen zijn belangrijk, maar even belangrijk is zeker ook de rekenkracht van de computers die we gebruiken. Met de zogenaamde parallelle computation aan onze universiteit, waarbij we vijfduizend processoren laten samenwerken, kan de snelheid bij al dat rekenwerk enorm opgedreven worden. En we zijn eigenlijk aan het wachten op de revolutionaire kwantumcomputers waar men volop mee bezig is. Eens die ter beschikking zijn, kunnen we nog heel veel sneller gaan rekenen. Om momenteel door alle rekenwerk te raken, moeten we de resolutie verlagen en minder parameters implementeren. Daardoor verliezen we natuurlijk heel wat informatie en accuraatheid. Als we ons die beperking niet meer moeten opleggen en toch snel zullen kunnen rekenen, gaan we veel betere voorspellingen kunnen doen. Maar goed, de komende generatie wetenschappers moet ook nog zijn plezier hebben, nietwaar?

Kernfusie

Zoals u eerder zei bent u ook een tijd bezig geweest met het onderzoek naar kernfusie?

Inderdaad, van 1991 tot 1995 was ik als onderzoeker verbonden aan het toenmalige Instituut voor Plasmafysica in Nieuwegein, Nederland. Intussen is dat instituut van naam en van locatie veranderd, het heet nu het Dutch Institute for Fundamental Energy Research, afgekort DIFFER, en bevindt zich in Eindhoven. Het is al sinds men inzicht heeft in de werking van de atomen zelf, dus nadat de relativiteitstheorie en de kwantumtheorie hun intrede hadden gedaan, dat men ervan droomt om op Aarde na te bootsen wat er in de kern van de sterren gebeurt omdat er bij dat kernfusieproces zoveel energie geproduceerd wordt.

Kernfusie is een veel minder gevaarlijk procedé dan de kernsplitsing op basis waarvan de huidige kerncentrales werken, want je krijgt bij fusie nooit een uit de hand lopende kettingreactie en bovendien is er op het einde ook maar een factie van het nucleaire afval dat bij de splijtingscentrales geproduceerd wordt. En omdat je uit heel weinig materie enorm veel energie kan halen, wordt kernfusie door velen beschouwd als de manier om energie te produceren voor de toekomst.

Om kernfusie te realiseren, hebben we deuterium en tritium nodig, allebei isotopen van waterstof. We noemen ze zware waterstof omdat ze naast het ene proton dat typisch is voor waterstof nog één of twee neutronen hebben in hun kern.

Deuterium is heel stabiel en komt gewoon voor in de natuur. Zo is 1 op 6.400 waterstofatomen in zeewater deuterium. Het is alleen kwestie om deuterium te isoleren uit de rest van het water, en dat vergt een aantal ingewikkelde procedés. Maar als dat lukt heb je brandstof waarmee je dus enorm veel energie kan produceren: zo kan je uit één enkele liter zeewater genoeg energie halen om een gezin een heel jaar lang van warmte en elektriciteit te voorzien.

Tritium moet je zelf maken want het is niet stabiel: het heeft een halfwaardetijd van 4.500 dagen. Dat wil zeggen dat er na een goeie twaalf jaar nog de helft van de oorspronkelijke hoeveelheid tritium overblijft. Men maakt gebruik van een kernreactor om tritium te fabriceren. Daarbij gaat men lithium zodanig met neutronen bestoken dat je in de reactie tritium krijgt.

Intussen schieten de werken aan een nieuwe internationale kernfusiereactor blijkbaar niet echt op?

De ITER in het Zuid-Franse Cadarache zit inderdaad een paar jaar achter op schema, maar er wordt hoe dan ook aan verder gewerkt. Na de succesvolle experimenten in 1997 met de JET nabij Oxford in Engeland waarbij kon aangetoond worden dat kernfusie werkt, was het de bedoeling om hetzelfde te doen, maar op grotere schaal. De fusiereactor van de JET, de Joint European Torus, is immers te klein om voldoende rendement te halen: om de kernfusie te doen slagen moet er meer energie ingestopt worden dan dat er uitkomt, en dat is natuurlijk niet de bedoeling.

ITER staat voor International Thermonuclear Experimental Reactor, en met die veel grotere fusiereactor zou het binnen afzienbare tijd mogelijk moeten zijn om beduidend meer energie te produceren dan dat men erin stopt. Als de bouw en de constructie van alle instrumentarium afgerond zijn, idealiter tegen het jaar 2035, kan men gaan experimenteren en zien of dit type reactor perspectieven biedt voor commercieel gebruik. Dus hopen maar dat we binnen enkele decennia in Cadarache van een echte doorbraak kunnen spreken.

De opbouw van ITER in het Franse CadaracheDe opbouw van ITER in het Franse Cadarache

Indien kernfusie hanteerbaar wordt als energiebron voor het alledaagse leven, zou dat wel een schitterend alternatief zijn voor wind- en zonne-energie waar men momenteel zoveel van verwacht. Dat zijn best interessante manieren om energie op te wekken, maar of een hoogtechnologische en industriële maatschappij zich enkel daarop kan baseren valt erg te betwijfelen, er is nu eenmaal niet altijd Zon en wind.

In Duitsland besliste de regering in 2011 om versneld uit de kernenergie te stappen en over te schakelen op hernieuwbare energiebronnen. Maar sinds hun kernenergie-uitstap is de balans alles behalve positief te noemen. Zo is de Duitse CO2-uitstoot enorm toegenomen. Er is in Duitsland heel veel industrie en die heeft natuurlijk constant heel veel energie nodig. Als er onvoldoende Zon en wind is om de noodzakelijke energie op te wekken kloppen ze aan bij andere landen en kopen daar dan energie. En de energie die ze vanuit Frankrijk importeren is trouwens kernenergie. Die energie wordt over het Europees stroomnetwerk, o.a. via België, naar Duitsland getransporteerd. Maar eigenlijk is dat netwerk daar niet voor gemaakt en zorgt het Duitse energietransport geregeld voor overbelasting van dat netwerk. Stel dat daar dan ten gevolge van een zonnestorm nog zo’n geomagnetische stroomstoot bovenop komt ligt het Europese netwerk gegarandeerd helemaal plat. Bovendien hebben ze in Duitsland ook een back-up systeem, bestaande uit een hele reeks gascentrales, voor in geval van nood. Die centrales moeten ze permanent in werking houden, ook als ze die niet meteen nodig hebben. Het duurt immers wel een week tot een paar weken om een gascentrale op te starten, en dus houden ze die constant aan de gang, waardoor hun CO2-uitstoot verder naar omhoog gaat.

Gezien de klimaatopwarming zou de uitstoot van CO2 maximaal moeten beperkt worden, maar we zien dat er op dat vlak de laatste jaren een stijging met veertig procent is in Duitsland. Als ons land zou overstappen van kernenergie naar alternatieve energie, zou er bij ons ook waarschijnlijk zo’n stijging zijn. Voor het klimaat is kernenergie zeker een betere zaak aangezien er geen CO2-uitstoot is. Maar zonder kernenergie heb je dan weer minder kans op een grote nucleaire ramp zoals in Tsjernobyl en Fukushima. Is het ene beter dan het andere? Dat is een discussie zonder einde.

Maar ook bij kernfusie zijn er toch een aantal problemen, niet?

Een groot probleem is dat de technologie om kernfusie op een zodanige manier te laten verlopen dat het veilig gebeurt en commercieel rendabel is vrij ingewikkeld is. Zoals je ziet met de site in Cadarache duurt het vele jaren om zo’n instrument te bouwen. Maar eens het allemaal werkt, zou dat wel eens een serieuze boost kunnen geven, en wie weet kan men uiteindelijk dingen zodanig miniaturiseren dat in de toekomst dergelijke centrales vlot te bouwen zijn.
Een ander probleem is dat kernfusie hoe dan ook met radioactieve straling te maken heeft. Het gaat dan wel niet om zware kernen zoals uranium of polonium waarbij erg veel ioniserende straling vrijkomt en dit gedurende miljoenen en zelfs miljarden jaren. Bij tritium gaat het om lichte atoomkernen, waardoor de straling veel minder sterk is en de halveringstijd maar in de orde is van tientallen jaren. Maar het is natuurlijk niet helemaal stralingsvrij, en dus is er wat dat betreft wel degelijk een probleem.

Sterke magneetvelden moeten het hete plasma beheersbaar makenSterke magneetvelden moeten het hete plasma beheersbaar maken

En dan is er natuurlijk nog dé grote uitdaging bij kernfusie: het hete plasma onder controle houden. Bij de Zon gebeurt de fusiereactie bij vijftien miljoen graden, maar in de kernfusiereactoren op Aarde moeten we bijna tien keer hogere temperaturen halen om datzelfde te kunnen realiseren. Hier is de druk immers veel lager dan in het midden van de Zon, en opdat er toch voldoende botsingen zouden zijn tussen atoomkernen om fusie te krijgen, moet de temperatuur zo hoog zijn. Op zich is het geen probleem om het plasma tot honderdvijftig miljoen graden te verhitten, maar die infernale temperaturen moeten wel beheersbaar zijn. Het idee is om alles te laten plaatsvinden binnen een gesloten torusvormig systeem, waarbij sterke magneetvelden als onzichtbare wanden functioneren. Dergelijke opstelling noemen we een tokamak. Om het kernfusieproces gaande te houden moet die opstelling voldoende groot zijn. En het is daarom dat men in Cadarache zo’n gigantische constructie bouwt om het plasma waarin de kernfusie optreedt in grote magneetvelden gevangen te kunnen houden. Dan kan men op een gecontroleerde manier testen doen van uren lang om te zien of alles verloopt volgens plan.

Mocht er internationaal voldoende bereidheid zijn om kernfusie snel te doen lukken, en dit door voldoende financiële middelen ter beschikking te stellen, zou het volgens mij niet al te lang meer duren vooraleer er overtuigende resultaten zouden gehaald worden. Maar in zo’n grote en complexe dossiers spelen er vaak allerlei factoren mee die erg vertragend kunnen werken. Bovendien heeft kernenergie tegenwoordig wel wat de perceptie tegen, zeker omdat sommige lobbygroepen erg goed zijn in het onder de aandacht brengen van alle mogelijke risico’s die met kernenergie gepaard gaan. Het grote publiek en de media zijn daar gevoelig voor. Plus dat momenteel veel geïnvesteerd wordt in wind- en zonne-energie en ook nog in andere alternatieve energiebronnen. Wat op zich een goede zaak is, want je moet als maatschappij niet alles inzetten op één enkele technologie.

Waarom heeft kernenergie zo’n slechte reputatie? Is het niet ook een zaak van onvoldoende weten waarover het gaat?

Werking kerncentraleWerking kerncentrale

Als je alleen al maar ziet waar landen hun kerncentrales bouwen, merk je meteen dat ze die nooit vlakbij hun hoofdstad zetten, maar vaak niet ver uit de buurt van een grens of aan de kustlijn. Bij ons heb je bv. Doel dicht bij de Nederlandse grens en Frankrijk deed hetzelfde met Chooz, vlak aan de Belgische grens. Er zijn zeer zeker een aantal zware ongelukken geweest met kerncentrales, en die hebben natuurlijk wel op iedereen veel indruk gemaakt. Dus zonder risico is de productie van kernenergie zeker niet, maar als je de balans zou maken van alle ongelukken die er al gebeurd zijn in koolmijnen, in gascentrales, enzovoort zou het aantal dodelijke slachtoffers veel hoger liggen.

Er zou dus zeker meer rationeel moeten omgegaan worden met deze hele kwestie. Persoonlijk lijkt het mij beter om te investeren in nog beter beveiligde kerncentrales of eventueel in de nieuwste generatie kerncentrales die veel veiliger en stabieler zijn dan de eerste generatie centrales die wij momenteel in België hebben.

Als we het vanuit het perspectief van het milieu bekijken is kernenergie zeker geen slechte optie. Er is natuurlijk het probleem van het kernafval, maar dat kan op een veilige en verantwoorde manier worden opgeborgen. Misschien moeten we ook meer onderzoek verrichten om kernafval via plasma-fysische toepassingen te neutraliseren, er zijn immers wetenschappers die beweren dat dit zou kunnen. Het lijkt me beter om dat allemaal grondig te onderzoeken alvorens definitief de stekker uit het kernenergiedossier te trekken en voor honderd procent over te schakelen op wind- en zonne-energie. Denk aan het Duitse scenario, waardoor we riskeren de klimaatproblemen nog erger te maken dan ze nu al zijn.

Of moeten we hopen dat in het verhaal van de klimaatopwarming de Zon onze redding kan zijn? Stel dat de Zon de komende jaren minder actief zou worden – hetgeen we natuurlijk niet weten – zou er op Aarde een kleine ijstijd kunnen ontstaan, waarbij de afnemende zonnewarmte de klimaatopwarming zou kunnen compenseren. We beleven in ieder geval momenteel een zwakkere cyclus, en het zou kunnen dat de volgende nog zwakker is.

Veel dank voor het boeiende interview, professor, en nog veel succes met uw werk in verband met het ruimteweer, we volgen het met veel belangstelling.

Tekst: Francis Meeus
09/02/2018