Om zijn onderzoek uit te kunnen leggen, heeft natuurkundige Chris Smiet donuts gebakken, van klei. Hij heeft ook een angstaanjagend complexe afbeelding op zijn 3D-monitor, maar hij begint met de donut.
‘Zo’n negentig procent van alle bekende materie in het universum is plasma’, begint hij. ‘Dat wil zeggen dat de elektronen zich vrij van de atoomkernen kunnen bewegen.’ De intergalactische ruimte is ontzettend ijl, maar het kleine beetje spul dat er is, is plasma. Sterren zijn plasma, en bliksems, en het neon in een neonlamp is plasma, en zorgt ervoor dat de lamp licht geeft.
Smiet: ‘Stel dat je een ringetje hebt van plasma. Dan kunnen de elektronen daarin vrij bewegen: ze vormen dus een elektrisch stroompje.’ Op de middelbare school leerde u al dat elektriciteit en magnetisme nauw verweven zijn met elkaar: haaks op de stroom zal een magneetveld ontstaan. De veldlijnen van dat veld lopen daardoor als een donut om het plasmaringetje heen.
‘Stel nou dat ik een tweede ringetje heb, geschakeld in het eerste ringetje. Dan loopt de stroom die door het tweede ringetje gaat, langs het magneetveld van het eerste ringetje.’ En dan gebeurt er iets interessants: als de stroom in de richting van het magneetveld loopt, wordt er geen kracht op uitgeoefend en blijft de ring op zijn plek. Omgekeerd houdt de tweede ring op dezelfde manier ook de stroom in de eerste ring op zijn plek.
Wat met twee ringetjes kan, kan natuurlijk ook met heel veel ringen. Dat brengt Smiet naar de 3D-afbeelding, een zogeheten Hopf-vezeling, waarin iedere cirkel geschakeld is met iedere andere cirkel. ‘Die structuur is in de jaren dertig bedacht door de wiskundige Heinz Hopf. Men zag dat toen als een mooi trucje, dat echter geen betekenis had voor de echte wereld. Pas de laatste jaren beginnen natuurkundigen die structuur in hun onderzoek terug te zien, en te bestuderen.’
Hij laat de computer uitrekenen hoe een magneetveld rond zo’n ring zou lopen, en laat een luid ‘Whoehoe!’ horen als dat inderdaad een donutvorm blijkt te zijn. ‘Dit zijn de simulaties die ik nu aan het doen ben; ik had deze data zelf nog niet gezien’, verduidelijkt hij.
De grote hoop is dat als de stroompjes op hun plek gehouden worden, dat ook geldt voor het plasma zelf. ‘Eén ring valt snel uit elkaar. Met meerdere ringen wil het magneetveld ook uitsmeren, maar daarvoor moeten de magneetveldlijnen elkaar snijden, en dat mag niet van de natuurkunde. Als je begint met geschakelde ringen, ga je uiteindelijk toe naar zo’n Hopf-figuur, en die is stabiel.’
Oftewel: als je allemaal plasmaringen in elkaar weet te haken, ontstaat er in theorie een soort stabiele knoop; een zwevend bolletje dat zichzelf bij elkaar houdt. Dat is niet alleen leuk omdat je een slim natuurkundig grapje laat zien. Er is namelijk een industrie die dolgraag plasma’s op de plek wil houden. In een kernfusiecentrale proberen mensen twee atoomkernen samen te laten smelten. Dat lukt alleen bij superhoge temperaturen, zodat de samen te smelten materie plasmavormig is. Het probleem is dat bij dat soort temperaturen de wand van de reactor óók plasmavormig zou worden, en dat wil je nou net niet. Je moet dat plasma dus op zijn plek zien te houden. De standaardtruc daarvoor is het bouwen van een enorm apparaat dat een krachtig magneetveld aanlegt. Als je het plasma echter zo gek kan krijgen dat het zichzelf op de plaats houdt, is dat een mooiere oplossing.
In theorie, dus. Maar hoe maak je een ringetje van plasma? Smiet laat een sinister ‘Haha’ horen als hij de deur van zijn lab opendoet. Hij wijst naar een grijs blok van anderhalve meter lang. ‘Dit is mijn laser.’ Vervolgens wijzend naar een doos ter grootte van een koelkast die op de grond staat: ‘En dat is de stroomvoorziening van mijn laser.’ De doos zit bomvol condensatoren, die elektrische energie opslaan. Als de laser aangaat, komt er enorm veel energie in een flits in de bundel, ongeveer evenveel als wat een kleine elektriciteitscentrale produceert, in minder dan een miljoenste van een seconde. ‘Als je al die energie focust, dan knalt de lucht op die plaats uit elkaar tot plasma. Waarom ik niet gewoon een neonlamp gebruik? Dat plasma heeft een hele lage dichtheid, en ik wil het op dezelfde dichtheid hebben als lucht.’
Het laserkanon ligt nu in de verbouwing, maar als alles weer in elkaar zit, hoopt Smiet er plasmaringetjes mee te kunnen maken. En hij hoopt dat geschakelde ringetjes inderdaad zo stabiel zijn als zijn simulaties laten zien.
‘Stabiel’ is overigens wel een relatief begrip hier.
‘Het huidige record staat op ongeveer één milliseconde, maar dat is gedaan in reactoren ter grootte van een gebouw. Met hoeveel ik dat wil verbeteren? Dat is niet het doel van mijn onderzoek. Wat ik hoop te laten zien is dat geschakelde plasmaringen langer bestaan dan ongeschakelde.’
Hij verzucht: ‘Elk lichtpuntje dat je ’s nachts aan de hemel ziet, is een ster, een gigantische bol van plasma die miljarden jaren stabiel blijft. Maar die spelen vals: ze houden zich met zwaartekracht op hun plek. Zo is fusie-energie wel erg makkelijk.’