In de ruimte heeft cognac geen tranen/HET MARANGONI-EFFECT

Maar dat Tjaart Molenkamp zijn proefschrift dat hij vrijdag aan de Rijksuniversiteit Groningen verdedigt, aan dit effect wijdt, had een prozaïsche reden, zegt hij. Zoveel keuzes had je niet voor promotie-onderzoek toen hij afstudeerde. Daarbij waren de experimenten die hij moest uitvoeren ronduit spectaculair. In 1992 en 1994 toog Molenkamp naar Zweden voor een vlucht van zijn proeven naar de ruimte.

Het onderzoek naar het Marangoni-effect had altijd al iets buitenissigs. De Italiaanse natuurkundige Carlo Giuseppe Mattco Marangoni (1840-1925) liet druppeltjes olie in de grootste vijver van de Tuilerieën, de tuin nabij de Place de la Concorde in Parijs, vallen en zag hoe ze zich razendsnel over het oppervlak van het water verspreidden.

Mechanica: vloeistoffen hebben aan het grensvlak met de lucht altijd een zekere spanning, de oppervlaktespanning. De moleculen trekken daar harder aan elkaar. Ze vormen, wat Molenkamp noemt, een 'elastisch vliesje'.

In dat vliesje kan de spanning plaatselijk weer groter zijn. De moleculen daar trekken dan nog harder, ze trekken hun buren naar zich toe. De vloeistof aan het oppervlak gaat stromen: het Marangoni-effect.

Welke drinker kent ze niet: de 'tranen' van cognac, de druppels drank die bij een stilstaand glas als vanuit het niets ontstaan en terug in de vloeistof glijden. Ze zijn het meest tot de verbeelding sprekende voorbeeld.

Cognac is een mengsel van water en alcohol, legt Molenkamp uit. Alcohol is vluchtig en verdampt. In het midden van het grensvlak tussen de Rémy Martin in het glas en de lucht daarboven wordt de alcohol die zo verdwijnt, snel van beneden weer aangevoerd.

Aan de cirkelvormige rand van dit vlak gaat dat minder gemakkelijk. De concentratie alcohol ín de cognac daar neemt daardoor wat af. De oppervlaktespanning van de vloeistof, die door de aanwezigheid van de alcohol eigenlijk wordt verstoord, neemt wat toe. Gevolg: de vloeistof komt vanuit het midden aanstromen, kan nergens heen, en 'klimt' tegen het glas omhoog, totdat ze te zwaar wordt en terugdruppelt.

Het Marangoni-effect doet zich niet alleen voor op het grensvlak van een vloeistof als cognac en lucht, maar ook op de scheiding van twee vloeistoffen zoals olie en water. Het beïnvloedt dan de manier waarop die langs elkaar bewegen - precies wat Marangoni bij de Tuilerieën bestudeerde.

Molenkamp onderzocht het effect in een mengsel van water en aceton, ook een vluchtige vloeistof. De promovendus deed dat mengsel in V-vormige vaatjes en stuurde ze met een raket omhoog.

De zwaartekracht immers verstoort het effect - denk aan het cognacglas. Meer algemeen: verschillen in concentratie brengen verschillen in dichtheid in een vloeistof met zich mee, en veroorzaken aparte stromen. In gewichtloosheid heb je daarvan geen last.

In Esrange in Lapland, in het noorden van Zweden, lanceert de Zweedse ruimtevaartorganisatie speciaal voor dit soort experimenten geregeld kleine raketten met onderzoekmodules. Die gaan omhoog, bereiken de ruimte, vallen terug, en zijn tien minuten later alweer beneden.

Onderweg is zes tot zeven minuten lang sprake van micro-zwaartekracht, zeg maar: gewichtloosheid. Molenkamp zat op de grond en volgde het verloop van de experimenten via de beelden die een camera in de module van zijn vaatjes maakte. Hij keek naar de beweging van verzilverde glasbolletjes, die de stroming zichtbaar maakte.

De concentratieverschillen controleerde hij met een zogeheten interferometer. Dat is een apparaat dat de brekingsindex van vloeistoffen bepaalt. Die index, die aangeeft hoe licht zich op het grensvlak van een vloeistof gedraagt, hangt af van de concentratie.

Vreselijk ingewikkeld, beaamt de promovendus, en vooral: vreselijk hightech. Bij zulke ruimte-experimenten komt nogal wat kijken. De eerste keer, in 1992 ging het dan ook mis. De interferometer trilde bij de lancering uit positie. In 1994 ging het echter goed. Daarbij kon Molenkamp ook meten in een Caravelle van de Europese ruimtevaartorganiatie Esa. In zo'n vliegtuig wordt gewichtloosheid bereikt door het paraboolvormige banen te laten vliegen.

Dan duurt de gewichtloosheid nog geen halve minuut, maar het vliegtuig maakt een dikke dertig van die 'buitelingen' op één vlucht. En de vaatjes uit Groningen mochten drie dagen lang mee.

Verschillen in oppervlaktespanning ontstaan niet alleen door verschillen in concentratie, ook temperatuurverschillen dragen daaraan bij. Het Marangoni-effect valt ook te zien in een brandende kaars waarop - in het gesmolten deel - kleine roetdeeltjes drijven. Die bewegen van de pit, duiken onder en stromen weer terug.

Ver van de pit is het kaarsvet minder heet, en daarmee is de spanning in het elastisch vliesje aan het oppervlak hoger, verklaart de promovendus dit andere huis-tuin-en-keuken voorbeeld van zijn onderzoeksobject. Zijn werk heeft natuurlijk ook praktische betekenis, zegt hij. Meer inzicht in het effect van de Italiaanse natuurkundige is van groot belang voor de scheiding van stoffen in de chemische industrie.