Computerwetenschapper onderzoekt vonken met 'virtuele microscoop'

Hoe ontstaan elektrische vonken precies?

Date: Dec 15, 2005

Hoe ontstaan elektrische vonken precies? Carolynne Montijn - onderzoeker van het Centrum voor Wiskunde en Informatica (CWI) in Amsterdam - ontwikkelde een 'virtuele microscoop', een rekenkundige techniek waarmee ze al meebewegend kan in- en uitzoomen op een vonk. Zij gebruikt dit in een computermodel waarmee zeer nauwkeurige simulaties van vonken mogelijk zijn en voor het eerst vertakkingen van vonken kwantitatief onderzocht kunnen worden. Het onderzoek heeft toepassingen in de industrie bij het reinigen van gassen en is interessant voor het begrijpen van natuurverschijnselen. Op 20 december 2005 promoveert Montijn op dit onderwerp aan de Technische Universiteit Eindhoven. Het onderzoek is gefinancierd door het NWO-programma Computational Science.

Van streamers tot bliksem
Als een neutraal gas blootgesteld wordt aan een voldoende sterk elektrisch veld, kunnen geïoniseerde kanalen ontstaan, zogenaamde streamers. Eerst botst een elektron op een ongeladen deeltje. Als het elektron genoeg energie heeft, kan het een elektron uit het neutrale deeltje wegstoten. Er blijft dan een positief geladen ion over. De twee vrije elektronen gaan verder en kunnen weer nieuwe ionen maken; zo ontstaat er een elektronenlawine. Doordat de ionen en elektronen elk een andere richting op gaan, ontstaat er zogenaamde ruimtelading, die een elektrische veld genereert. Dit zelfgemaakte elektrische veld trekt de elektronenlawine steeds verder het neutrale gas in. Zo ontstaat een soort mini-bliksem, een streamer. In de natuur spelen streamers een rol bij de opbouw van bliksem. Om de natuurverschijnselen beter te begrijpen en de industriële toepassingen te kunnen verbeteren is het nodig om de vonkengroei goed te modelleren.

Het ontstaan van vonken liet zich tot nu toe moeilijk wiskundig beschrijven, doordat de afmetingen in het proces zo verschillend zijn: van enkele centimeters (plasmakanaal) tot micrometers (de kop van de streamer). Daarnaast is de instabiele natuur van de streamers een probleem: elke kleine verstoring voor de kop van het kanaal zal groeien, waardoor vertakkingen kunnen ontstaan, net zoals in bliksem. Bij een computersimulatie die uitgaat van een te eenvoudige benadering kunnen daardoor ook snel fouten ontstaan, die uitgroeien tot vertakkingen die er in het echt niet zijn.

Vertakkingen
Montijn ontwikkelde tijdens haar promotieonderzoek op het CWI een efficiënt computermodel dat zeer nauwkeurige simulaties mogelijk maakt. Zij maakt hierbij gebruik van zogenaamde adaptieve roostertechnieken met verfijningen die speciaal worden aangepast aan de eigenschappen van een streamer. Deze methode is sneller, nauwkeuriger en kost minder computergeheugen dan eerdere methodes. Met de nieuwe techniek kan niet alleen de ontwikkeling van streamers nauwkeuriger bestudeerd worden maar ook kan nu de vertakking van de streamers voor het eerst kwantitatief onderzocht worden.

- Proefschrift: 'Evolution of Negative Streamers in Nitrogen: a Numerical Investigation on Adaptive Grids', promotor Prof.dr. Ute Ebert.