Zwaartekrachtonderzoek

Een hemellichaam zoals planeet als Mars is ongeveer de helft van de doorsnede van de aarde. Hierdoor heerst er aan het oppervlak een zwaartekracht van 38% van wat we op aarde ervaren. Veel landschapsvormende processen vinden plaats door een krachtenbalans waarin de som van krachten zorgt voor het verloop van een proces. Op een ander hemellichaam kan door de lagere zwaartekracht de krachtenbalans anders uitpakken, wat er voor zorgt dat een proces net anders tot uiting komt of op een andere (tijd)schaal plaatsvindt dan hier op aarde.

De zwaartekracht is experimenteel gezien een interessante kracht. Als je in experimenten hier op aarde de krachtenbalans kan verschuiven naar een bepaalde kracht, dan kun je op een heel andere manier een bepaald facet van een landschapsvormendproces op een hemellichaam bestuderen. Aangezien de zwaartekracht in verschillende processen in het landschap een rol speelt, is het eigenlijk vrij logisch om met de zwaartekracht ook experimenten te doen.

Spelen met zwaartekracht

De sterkte van de zwaartekracht kunnen we in experimenten hier op aarde alleen veranderen met speciale onderzoeksplatformen. Door met een vliegtuig een speciale duikvlucht te vliegen, verlaag je tijdens een paraboolvlucht de effectieve zwaartekracht. Het is dus niet zo zeer de aardse zwaartekracht die lager wordt, maar de krachten die je ervaart tijdens de manoeuvre de zwaartekracht compenseren voor een kracht die overeenkomt met de zwaartekracht op bijvoorbeeld Mars, of de maan. Tijdens dit soort vluchten kun je meestal tien tot twintig seconden een lagere zwaartekracht ervaren waarmee je onderzoek kunt doen naar kortdurende processen. Als je geïnteresseerd bent in de effecten van een hogere zwaartekracht, dan gebruik je hiervoor een centrifuge waarin de draaiing van de centrifuge zorgt voor een toename in de effectieve zwaartekracht. Wederom is het niet de zwaartekracht van de aarde die verhoogt wordt, maar is de kracht het gevolg van de draaiing.

Zandlawines op Mars bestuderen
Onderzoek naar zandlawines onder invloed van de Marszwaartekracht. Aan boord van een Cessna Citation II (links) vlogen we met onderzoekers van de TU Delft en de Universiteit Utrecht een 33-tal duikvluchten boven de Noordzee (rechts). Het gele frame was mijn opstelling waarmee ik keek naar zandlawines in zogenaamde Hele-Shaw cellen; een soort 2D-zandlopers. Wat opvalt in de rechterfoto is de steile klimhoek van het vliegtuig tijdens de manoeuvre; door de raampjes zie je namelijk alleen de Noordzee enkele kilometers onder ons.
Rondzweven in gewichtloosheid. Tijdens de 54e paraboolvluchtcampagne van ESA vloog ik met het ARID experiment enkele vluchten. Foto credit: Lieke Mulder.

Voorbeelden van onderzoeksprojecten

  • BugNRG – effecten van gewichtloosheid op bacteriële brandstofcellen. Doel van het experiment was het onderzoeken van het gedrag van bacteriële brandstofcellen (bacterial fuel cells, BFCs) waarin, zoals de naam doet vermoeden, bacteriën elektriciteit produceren. De bacteriën zetten in de natuur hun voedsel om onder zuurstofarme (anaerobe) omstandigheden door elektronen de doneren aan metalen. In een BFC wordt dit proces benut om elektriciteit te produceren. De grote vraag was hoe deze bacteriën op langdurige gewichtloosheid zouden reageren en hoe dit invloed had op de efficiëntie van de BFCs. Bacteriële brandstofcellen zouden namelijk een interessante ‘groene energiebron’ kunnen zijn om in de toekomst biologisch afval aan boord van ruimtestations extra te benutten. Dit was mijn eerste én tevens meest prestigieuze zwaartekrachtstudie. Lees de vakpublicatie.
  • Zandlawines onder hoge en lage zwaartekracht. Net zoals een bioloog de werking van een enzym onderzoekt door de temperatuur te verhogen en verlagen, zo kan een aardwetenschapper een proces onderzoeken door de zwaartekracht te verhogen en te verlagen. Voor dit experiment werd deze aanpak gebruikt (paraboolvluchten en in een grote centrifuge) om zo de dynamiek van zandlawines op andere hemellichamen te onderzoeken. Lees de vakpublicatie over zandlawines in ronddraaiende trommels.
  • ARID – onderzoek naar waterafstoting van bodems. Onder gewichtloosheid werden zandkorrels met elkaar in botsing gebracht om te testen of waterafstoting van bodems tot stand komt door merkbare verschillen in de oriëntatie van moleculen in de waterafstotende coating van zandkorrels. Waterafstoting is een groot probleem in semi-aride gebieden waardoor water niet infiltreert in de bodem. Het project werd uitgevoerd voor de cursus ‘measuring strategies‘ tijdens mijn Master Earth Sciences aan de UvA.
  • Gletsjerstroming onder hogere zwaartekracht. De stroming van een gletsjer kun je onderzoeken met computermodellen, maar ook met fysieke modellen aan de hand van een ijs-substituut. Twee studenten onderzochten voor Spin Your Thesis! in de LDC-centrifuge de invloed van een hogere zwaartekracht op dergelijke modelgletsjers. Hiermee werd getest of dergelijke modelexperimenten ook voor planetaire toepassingen gebruikt kunnen worden. Denk daarbij aan de waterijs-gletsjers die op Mars voorkomen of de stikstofijs-gletsjers op de dwergplaneet Pluto. Ik was bij dit project betrokken als ‘external consultant‘ ter ondersteuning van het team en ik ontwikkelde de hardware.
  • Sponges in Space. Wederom een biologisch experiment. Kunnen eitjes (gemulles) van zoetwatersponzen hun ‘tentstokstructuur’ opzetten als ze bloot worden gesteld aan een hogere zwaartekracht? Hebben ze voldoende energie in hun eicel zitten, of nemen ze die ook op uit hun omgeving? Studenten van aquatische biologie voerden verschillende testen uit voor Spin Your Thesis! met de LDC-centrifuge van ESA. Ik was bij dit project betrokken als ‘external consultant’ ter ondersteuning van het team. Lees de vakpublicatie.
  • Zandlawines in 3D. Studentes van de masteropleiding Earth Sciences aan de UvA hebben in 2018 onderzoek gedaan naar welke invloed zwaartekracht heeft op sorteringprocessen in lawines over een vlakke helling. Het project sluit goed aan bij de 2D hellingshoekexperimenten die ik eerder al uitvoerde. Ook dit project zal voor Spin Your Thesis! met de LDC-centrifuge van ESA onderzoek doen naar de effecten van zwaartekracht op een landschappelijk proces. Net als bij de voorgaande twee projecten, ondersteunde ik dit project als ‘external consultant’.

Veelzijdigheid van zwaartekracht

Wat de bovenstaande voorbeelden illustreren, is dat je als aardwetenschapper goed gebruik kunt maken van de zwaartekracht. Niet alleen is het geschikt als een variabele om processen die in het landschap spelen beter te begrijpen, maar je kunt het ook gebruiken als een stuk gereedschap om bepaalde aspecten (parameters) van fenomenen of materiaaleigenschappen te bestuderen die je normaal niet in het veld of in het laboratorium kunt isoleren om goed te onderzoeken.