Schokcompressie: materie pletten met een drukgolf van nanoseconden
Stel je voor dat je een stuk metaal met een bankschroef langzaam samendrukt, versus datzelfde metaal met een moker in één klap raken. Bij de bankschroef krijgt het materiaal alle tijd om zich te herschikken; bij de moker wordt het in een oogwenk overvallen door een drukgolf die zich sneller dan het geluid voortplant. Dat laatste is in essentie schokcompressie: het samenpersen van materie met een schokgolf, in een tijdsbestek van nanoseconden (miljardsten van een seconde) tot enkele microseconden.
Wat schokcompressie bijzonder maakt, is de combinatie van extreme druk en extreme snelheid. Onderzoekers kunnen er in een flits drukken mee opwekken van miljoenen tot honderden miljoenen atmosferen, gecombineerd met temperaturen van duizenden tot miljoenen graden — condities die normaal alleen diep in het binnenste van planeten en sterren voorkomen, of tijdens een kernfusiereactie. Zo'n schokgolf verandert de eigenschappen van een materiaal razendsnel: gewone kwarts kan er een metaal van worden, waterijs een elektrisch geleidende vloeistof, en waterstofgas een vloeibaar metaal. Die korte, gewelddadige duw is precies wat natuurkundigen nodig hebben om te bestuderen hoe materie zich gedraagt onder de meest extreme omstandigheden in het heelal.
Wat is het precies?
Een schokgolf ontstaat wanneer je energie zo snel in een materiaal pompt dat de drukverstoring niet geleidelijk kan wegvloeien, maar zich als een scherp front voortplant — vergelijkbaar met de knal van een overtreffende straaljager, maar dan door vaste stof. Achter dat front springen druk, dichtheid en temperatuur van het materiaal abrupt naar veel hogere waarden.
Om zo'n schokgolf op te wekken, gebruiken onderzoekers verschillende technieken. Bij een gasgeweer (gas gun) wordt een projectiel met perslucht of waterstofgas tot enkele kilometers per seconde versneld en op een monster afgevuurd. Bij laser-gedreven schokcompressie richten krachtige lasers zich op het oppervlak van een klein monster; het verdampende oppervlak stoot als een soort miniraket terug, waardoor een schokgolf het materiaal in wordt gejaagd. Bij pulsed power-methoden, zoals de Z-machine van de Amerikaanse Sandia National Laboratories, worden dunne metalen plaatjes met extreem sterke magnetische velden versneld tot ze op een monster inslaan. Ook ouderwetse chemische explosieven worden nog gebruikt, vooral voor experimenten die minder extreme druk vereisen.
Om te zien wat er tijdens die paar nanoseconden gebeurt, zijn speciale meetmethoden nodig. Met laserinterferometrie (bekend als VISAR) meet men hoe snel het schokfront door het materiaal beweegt, waaruit druk en dichtheid zijn af te leiden. Met röntgendiffractie — vaak opgewekt door zogeheten röntgen-vrije-elektronenlasers zoals de LCLS bij het Amerikaanse SLAC-laboratorium of de European XFEL in Duitsland — kunnen onderzoekers zelfs in real time zien hoe de atomaire kristalstructuur van een materiaal tijdens de schok verandert.
Wat wil men ermee bereiken?
Schokcompressie is vooral een gereedschap om drie grote vragen te beantwoorden. Ten eerste: hoe zit het binnenste van planeten in elkaar? Het middelpunt van Jupiter of Neptunus is voor mensen onbereikbaar, maar met een schokgolf kun je in het laboratorium heel even de druk en temperatuur nabootsen die daar heersen, en meten hoe waterstof, ijs of gesteente zich dan gedraagt. Die metingen voeden de modellen waarmee sterrenkundigen planeten — ook exoplaneten — proberen te doorgronden.
Ten tweede speelt schokcompressie een sleutelrol in onderzoek naar kernfusie-energie. Bij inertiële opsluitingsfusie (inertial confinement fusion, ICF) wordt een piepklein bolletje brandstof met lasers zo hard en snel samengeperst dat er, heel kort, omstandigheden ontstaan zoals in de kern van de zon — heet en dicht genoeg om fusiereacties op gang te brengen. De opeenvolgende schokgolven die de brandstofcapsule naar binnen persen, moeten zeer precies op elkaar zijn afgestemd.
Ten derde is er fundamentele materiaalkunde: onder schokcompressie kunnen bekende stoffen tijdelijk compleet nieuwe, exotische fasen aannemen die met normale technieken niet te bereiken zijn. Dat levert inzicht op in de grenzen van wat materie kan doen, en soms aanwijzingen voor nieuwe materialen. Daarnaast gebruiken met name Amerikaanse laboratoria schokcompressie-experimenten om het gedrag van materialen in kernwapens te blijven begrijpen zonder daadwerkelijke kernproeven te hoeven uitvoeren — het zogeheten stockpile stewardship-programma.
Voorbeelden uit de praktijk
Het bekendste recente wapenfeit is de ignition die op 5 december 2022 werd bereikt in de National Ignition Facility (NIF) van het Lawrence Livermore National Laboratory in Californië. Voor het eerst leverde een fusiereactie in het laboratorium meer energie op dan de 192 lasers rechtstreeks in de brandstofcapsule hadden gestopt — een mijlpaal die decennia van onderzoek naar laser-gedreven schokcompressie bekroonde. Let wel: dit betekent niet dat de installatie als geheel netto energie produceerde, want de lasers zelf verbruikten veel meer stroom dan er aan fusie-energie vrijkwam.
Aan de Universiteit van Rochester gebruikten onderzoekers de OMEGA-laser om gewoon waterijs schokcompressie te laten ondergaan. In 2019 rapporteerden Marius Millot en collega's in het tijdschrift Nature dat het ijs daarbij overging in een zogeheten superionische toestand: de zuurstofatomen bleven op hun plek in een kristalrooster, terwijl de waterstofionen er vrij doorheen konden bewegen als in een vloeistof, wat het ijs elektrisch geleidend maakte. Dat is relevant omdat zulke omstandigheden mogelijk heersen in het binnenste van ijsreuzen als Uranus en Neptunus.
Bij de Z-machine van Sandia National Laboratories wordt al jarenlang onderzoek gedaan naar het gedrag van waterstof onder extreme druk, met als doel te begrijpen wanneer waterstof overgaat in een metallische, geleidende toestand — een overgang die belangrijk wordt geacht voor het magnetische veld van Jupiter. Losstaand hiervan bestaat er ook onderzoek naar metallisch waterstof met statische compressie (diamantaambeeldcellen); een spraakmakende claim uit 2017 op basis van die andere techniek bleek omstreden en is nooit onafhankelijk bevestigd, wat illustreert hoe lastig dit onderzoeksveld te verifiëren is.
Ook in Frankrijk wordt met de Laser Mégajoule van de CEA, een installatie qua opzet vergelijkbaar met de NIF, gewerkt aan schokcompressie-experimenten voor zowel fusieonderzoek als materiaalstudies.
Hoe ver is de techniek?
Schokcompressie zelf is geen nieuwe uitvinding: gasgeweren en explosieven worden al sinds de jaren vijftig en zestig van de vorige eeuw gebruikt om materialen onder druk te bestuderen. Wat de afgelopen twintig jaar is veranderd, is de precisie en de kracht waarmee dat kan gebeuren, dankzij steeds krachtigere lasers en pulsed-power-installaties, en vooral dankzij nieuwe diagnostiek. De komst van röntgen-vrije-elektronenlasers zoals LCLS (sinds 2009) en European XFEL (sinds 2017) betekende een sprong voorwaarts: voor het eerst kon men de atomaire structuur van materie tijdens een schokgolf direct fotograferen, in plaats van alleen indirect af te leiden.
De ignition bij NIF in 2022 was zelf het resultaat van meer dan een decennium bijstellen en verfijnen, en is sindsdien meerdere keren herhaald met wisselend succes. Toch blijft de weg naar bruikbare fusie-energie via deze route lang: de herhaalsnelheid van dit soort experimenten is laag (doorgaans enkele schoten per dag, niet per seconde), de installaties zijn extreem duur en schaars, en de energiebalans van de installatie als geheel is nog ver verwijderd van wat nodig is voor een elektriciteitscentrale. Ook blijft reproduceerbaarheid een obstakel: de nanoseconde-tijdschaal maakt metingen technisch veeleisend, en kleine variaties in materiaal of laserinstelling kunnen grote verschillen in uitkomst geven.
Wie werken eraan?
De Verenigde Staten hebben het grootste aandeel in dit onderzoeksveld, grotendeels gefinancierd via het ministerie van Energie en het National Nuclear Security Administration (NNSA). Belangrijke Amerikaanse spelers zijn het Lawrence Livermore National Laboratory (met de NIF-laser), Sandia National Laboratories (met de Z-machine), Los Alamos National Laboratory, en de Laboratory for Laser Energetics van de Universiteit van Rochester (met de OMEGA-laser). Voor röntgendiagnostiek is SLAC National Accelerator Laboratory, met de LCLS-installatie, een centrale speler.
In Europa draait Frankrijk mee via het CEA, dat de Laser Mégajoule beheert, terwijl de European XFEL in Duitsland — een internationaal gefinancierd samenwerkingsverband — een belangrijke rol speelt in de diagnostiek van geschokte materie. Ook China investeert fors in dit veld, onder meer via de Shenguang-serie lasers en instituten verbonden aan de China Academy of Engineering Physics, al is over de details van dat werk minder in open literatuur gepubliceerd dan over de Amerikaanse en Europese installaties. Daarnaast dragen tal van universiteiten wereldwijd bij aan de theorie en interpretatie van schokcompressie-experimenten, vaak in samenwerking met deze grote nationale faciliteiten.