Streamers in bliksem beter in beeld door uitbreiding wiskundig model

Streamers –  elektrisch geleidende kanaaltjes in gassen zoals lucht – komen voor in het voorstadium van bliksem. Over hun gedrag in verschillende soorten gasmengsels was nog niet zo veel bekend. Gideon Wormeester, promovendus van het Centrum Wiskunde & Informatica (CWI) in Amsterdam, bereidde de streamermodellen uit en verklaarde enkele nieuwe verschijnselen. Op 29 augustus promoveert hij aan de Technische Universiteit Eindhoven op zijn proefschrift ‘Propagation Mechanisms of Positive Streamers in Different Gases’. Onderzoek aan streamers heeft toepassingen in de lichtindustrie, bij reiniging van rookgassen, in de biomedische wereld en bijvoorbeeld bij het maken van energiezuinige schakelaars voor energiebedrijven.

Elektronlawine
"De werking van een streamer vergelijk ik wel eens met een spijker", legt Gideon Wormeester uit.  "Met een hamer alleen kan ik geen gat maken in een dikke plank, maar met een spijker wel. Lucht geleidt de elektriciteit slecht, en het gemiddelde veld in een onweerswolk alleen is niet genoeg om bliksem op te starten. Streamers kunnen met hun scherpe punt van ionen of elektronen wel een pad banen naar de aarde, waarna de bliksem kan overslaan."

Wormeester onderzocht de voortplanting van streamers in mengsels van stikstof en zuurstof, en in zuivere stikstof. "Theoretisch kunnen in zuiver stikstof geen positieve streamers ontstaan maar in de praktijk gebeurde dit toch. Met mijn modellen liet ik zien dat een vervuiling van slechts één zuurstofmolecuul op een miljoen stikstofmoleculen al genoeg was om toch een elektronenlawine op te wekken. Aan de industrie en academia kan ik nu meegeven, dat voor dit soort doeleinden zuiver gas niet bestaat, en dat kleinste, onvermijdbare verontreinigingen echt verschil maken".  

Wormeester heeft verder de CWI-software om streamers de simuleren  ARCoS  uitgebreid. Deze software is open source beschikbaar gemaakt. De resultaten kunnen mogelijk gebruikt worden bij het ontwikkelen van energie-efficiëntere stadionlampen, pijnloze elektrische wondontsmetting met koude plasma’s en milieuvriendelijke high voltage switches. Het onderzoek is mede gefinancierd door technologiestichting STW en is uitgevoerd in de Multiscale Dynamics onderzoekgroep op het CWI. Energie is een van de speerpunten van het Centrum Wiskunde & Informatica.

Meer informatie
- de homepage van de CWI-onderzoeksgroep Multiscale Dynamics
- de ARCoS (Adaptive Refinement Code for Streamers) software

Illustratie 1 (bovenaan): Nieuwe simulaties van het CWI kunnen meer details verklaren van het gedrag van streamers, die voorkomen in het voorstadium van bliksem. Hier een simulatie van de elektrische veldsterkte van een streamer in lucht (bron: CWI). 

Illustratie 2: Streamers in pure stikstof in een experiment in Eindhoven (bron: S. Nijdam, TU/e). Wormeester verklaarde het streamergedrag met zijn nieuwe simulaties.

Illustratie 3: De laatste foto van de serie hieronder laat in verschillende kleuren de vorming van streamers zien op verschillende momenten in de tijd (bron: S. Nijdam, TU/e). Deze illustratie is gepubliceerd in J. Phys. D: Appl. Phys 44 (2011) 455201.

 

Het onderzoek is gefinancierd door technologiestichting STW.