Terapascal: de eenheid die de grenzen van druk aftast
Een terapascal, afgekort TPa, is een eenheid van druk: duizend miljard (10^12) pascal, oftewel duizend gigapascal. Ter vergelijking: de luchtdruk om je heen op zeeniveau is ongeveer 101.325 pascal. Eén terapascal is dus ruwweg tien miljoen keer zo hoog als de druk van de dampkring waarin we ademen. Het is een schaal die in het dagelijks leven nergens voorkomt, maar in laboratoria en in de kernen van planeten wel degelijk bereikt wordt.
Een manier om het je voor te stellen: op de bodem van de diepste oceaantrog op aarde, de Marianentrog, heerst een druk van ongeveer 110 megapascal (0,00011 TPa) — al genoeg om de meeste onderzeeërs te verpletteren. In het middelpunt van de aarde loopt de druk op tot zo'n 360 gigapascal, oftewel 0,36 TPa. Om echt in het terapascal-gebied te komen, moet je denken aan het binnenste van een gasreus als Jupiter, of aan de kunstmatige, extreem korte drukgolven die natuurkundigen met lasers en explosieve stroomstoten opwekken. Terapascal is dus geen technologie op zich, maar een meeteenheid die aangeeft hoe extreem de druk is waarmee onderzoekers tegenwoordig experimenteren.
Wat is het precies?
De pascal is de officiële SI-eenheid voor druk, genoemd naar de Franse wetenschapper Blaise Pascal. Eén pascal staat gelijk aan een kracht van één newton verdeeld over een oppervlak van één vierkante meter — best een kleine hoeveelheid druk. Om grotere waarden compact te noteren, gebruiken natuurkundigen voorvoegsels: kilo (duizend), mega (miljoen), giga (miljard) en tera (duizend miljard). Een terapascal is dus 10^12 pascal, ofwel duizend keer een gigapascal.
Zulke drukken ontstaan niet vanzelf op aarde; ze moeten kunstmatig worden opgewekt. Dat gebeurt op twee hoofdmanieren. De eerste is de diamantaambeeldcel (diamond anvil cell, DAC): een piepklein monster, vaak niet groter dan een speldenknop, wordt tussen de puntjes van twee tegen elkaar gedraaide diamanten geklemd. Omdat diamant het hardste bekende materiaal is en de contactoppervlakte extreem klein gemaakt kan worden, ontstaat lokaal een enorme druk. Met deze methode zijn statische, oftewel aanhoudende, drukken van enkele honderden gigapascal haalbaar, en in de meest geavanceerde experimenten wordt de grens van 1 terapascal benaderd.
De tweede manier is dynamische compressie: onderzoekers schieten met krachtige lasers of elektrische stroomstoten op een klein monster, waardoor een schokgolf ontstaat die het materiaal in een oogwenk samenperst. Dit levert nog veel hogere drukken op dan een diamantaambeeldcel — soms meerdere terapascal — maar dan slechts voor een fractie van een seconde, in een volume kleiner dan een zandkorrel. Beide technieken zijn in essentie eenmalige of zeer kortdurende experimenten, geen manier om blijvend hoge druk te produceren of te gebruiken.
Wat wil men ermee bereiken?
Materie gedraagt zich compleet anders onder extreme druk. Atomen worden dichter op elkaar geperst, elektronenwolken vervormen en stoffen kunnen van eigenschap veranderen: een isolator kan een geleider worden, een doorzichtig materiaal ondoorzichtig, en bekende kristalstructuren maken plaats voor nieuwe, nog niet eerder waargenomen vormen. Door deze processen in het laboratorium na te bootsen, hopen wetenschappers te begrijpen wat er gebeurt in omgevingen die we nooit rechtstreeks kunnen bezoeken.
Een belangrijk toepassingsgebied is de planeetkunde: de kernen van de aarde, de gasreuzen Jupiter en Saturnus, en talloze exoplaneten bevinden zich in het gigapascal- tot terapascal-bereik. Kennis van hoe ijzer, waterstof of silicaten zich bij zulke drukken gedragen, helpt modellen te bouwen van hoe deze planeten zijn ontstaan, waarom ze een magneetveld hebben, en hoe warm hun binnenste is.
Een tweede drijfveer is kernfusie-onderzoek. Bij inertiale opsluitingsfusie wordt een piepklein brandstofkorreltje met lasers zo hard samengeperst dat de druk en temperatuur in het centrum hoog genoeg worden om waterstofkernen te laten samensmelten — hetzelfde proces dat de zon aandrijft. Die compressie beweegt zich eveneens in het terapascal-gebied. Daarnaast hopen materiaalkundigen op de ontdekking van nieuwe stoffen met bijzondere eigenschappen, zoals materialen die ook bij normale druk supergeleidend blijven, al is dat vooralsnog vooral een verre wens dan een concreet resultaat.
Voorbeelden uit de praktijk
De National Ignition Facility (NIF) van het Lawrence Livermore National Laboratory in Californië bundelt 192 laserstralen op een korrel fusiebrandstof ter grootte van een peperkorrel. Op 5 december 2022 meldde het lab voor het eerst een fusiereactie die meer energie opleverde dan de lasers erin stopten — een mijlpaal die wereldwijd het nieuws haalde. Om die implosie te bereiken, wordt de brandstof in een oogwenk samengeperst tot drukken die ver in het terapascal-gebied liggen.
Diezelfde NIF-lasers zijn ook gebruikt voor puur natuurkundig onderzoek: in een experiment waarbij een schijfje diamant geleidelijk werd samengedrukt (ramp-compressie), rapporteerden onderzoekers rond 2014 dat ze drukken tot in de orde van enkele terapascal bereikten — vergelijkbaar met de omstandigheden diep in de kern van grote exoplaneten.
Bij Sandia National Laboratories in New Mexico staat de Z-machine, 's werelds krachtigste opwekker van geconcentreerde elektrische pulsen. Door een gigantische stroomstoot in een fractie van een microseconde door een cilinder van dunne draadjes te sturen, ontstaat een magnetisch samengeperste schokgolf waarmee onderzoekers materialen bij hoge dynamische druk bestuderen, relevant voor zowel fusie-onderzoek als planetaire fysica.
Op het gebied van statische druk zorgden Isaac Silvera en Ranga Dias van Harvard University in 2017 voor opzien met een publicatie in het tijdschrift Science, waarin ze claimden metallisch waterstof te hebben gemaakt met een diamantaambeeldcel bij ongeveer 495 gigapascal (bijna 0,5 TPa). Het bewijsmateriaal ging echter verloren toen het monster kort daarna vernietigd raakte, waardoor onafhankelijke bevestiging onmogelijk werd — een goed voorbeeld van hoe moeilijk het is om extreme-drukresultaten te reproduceren. Dias raakte later verder omstreden doordat afzonderlijke publicaties van hem over kamertemperatuur-supergeleiding, na beschuldigingen van datamanipulatie, werden ingetrokken en de Universiteit van Rochester onderzoeksfraude vaststelde.
Onderzoeksgroepen die met verbeterde diamantaambeeldcellen werken, waaronder teams verbonden aan het Bayerisches Geoinstitut in Duitsland en de Carnegie Institution for Science in de Verenigde Staten, hebben de laatste jaren stapsgewijs hogere statische drukken gehaald, met gemelde resultaten richting de 600 gigapascal en experimentele pogingen om de terapascal-grens te naderen.
Hoe ver is de techniek?
Er is een duidelijk verschil tussen statische en dynamische druk. Diamantaambeeldcellen kunnen een monster urenlang of zelfs dagenlang onder hoge druk houden, wat nauwkeurige metingen mogelijk maakt, maar de haalbare druk wordt begrensd door de sterkte van de diamant zelf: bij extreme belasting scheurt of vervormt zelfs diamant. Vandaar dat statische experimenten doorgaans in de honderden gigapascal blijven steken, met de terapascal-grens als een zelden en met veel moeite bereikt uiterste.
Dynamische, lasergedreven compressie kan veel hogere drukken bereiken — meerdere terapascal — maar dan slechts voor nanoseconden, in een minuscuul volume, en zonder dat het monster achteraf nog beschikbaar is voor nader onderzoek. Metingen moeten daardoor in diezelfde nanoseconden gebeuren, met razendsnelle röntgendiagnostiek, wat de experimenten technisch bijzonder veeleisend en kostbaar maakt.
Een praktische, blijvende toepassing van terapascal-drukken buiten het laboratorium bestaat niet en is ook niet te verwachten: dit blijft fundamenteel onderzoeksgereedschap, geen industriële technologie. De grootste recente doorbraak, de fusie-ignition bij NIF in 2022, is bovendien vooral een wetenschappelijke mijlpaal; de weg naar bruikbare fusie-energie is nog lang, omdat de energie die nodig is om de lasers zelf te laten werken nog altijd veel groter is dan de energie die de fusiereactie oplevert. Reproduceerbaarheid blijft daarnaast een terugkerend obstakel, zoals de metallisch-waterstofclaim liet zien.
Wie werken eraan?
In de Verenigde Staten zijn het Lawrence Livermore National Laboratory (met de NIF) en Sandia National Laboratories (met de Z-machine) de belangrijkste spelers, beide onderdeel van het Amerikaanse ministerie van Energie. Op het gebied van statische hogedrukfysica lopen de Carnegie Institution for Science en universiteiten als Harvard voorop. Ook het SLAC National Accelerator Laboratory draagt bij, met zijn röntgen-vrije-elektronenlaser die schokgecomprimeerde materie in real time kan doorlichten.
In Europa speelt de European XFEL bij Hamburg, Duitsland, een vergelijkbare rol als röntgeninstrument voor extreme-drukonderzoek, terwijl Frankrijk met de Laser Mégajoule (LMJ) van het CEA een eigen grootschalige laserfaciliteit voor fusie- en hogedrukonderzoek heeft. Duitse onderzoeksinstituten zoals het Bayerisches Geoinstitut zijn toonaangevend in diamantaambeeldceltechniek. China ontwikkelt met zijn Shenguang-laserfaciliteiten vergelijkbare capaciteiten, als onderdeel van een bredere internationale wedloop op het gebied van hogedichtheidsfysica en fusie-onderzoek.