IJskoud de Beste

Trouw, 27-07-1999

IJskoud de Beste

Welke Nederlanders hebben zo’n grote invloed gehad op de twintigste eeuw dat na hen de wereld niet meer dezelfde was? Broemd, berucht of onderschat, wie veroorzaakte een wending in onze levenswijze, markeerde een doorbraak in ons denken? Met het eind van de eeuw in zicht blikt Podium iedere dinsdag terug op invloedrijke landgenoten in de afgelopen honderd jaar.

Midden in de zomer is het slecht voor te stellen, maar vijftien graden vorst is voor de meesten van ons al knap koud. Fysici echter lopen pas warm voor temperaturen van 150 °C onder nul of lager. Tot maximaal (of eigenlijk minimaal) 273,15 °C onder nul: het absolute nulpunt. Bij dergelijke temperaturen gebeuren vreemde zaken: gassen worden vloeibaar of zelfs vast en elektrische stromen ondervinden geen enkele weerstand meer.
Onder de verzamelnaam cryogene technieken wordt de kou van vloeibare gassen tegenwoordig gebruikt voor velerlei doelen. Geïsoleerde tankers voeren over zee LPG aan in koude vloeibare vorm; voedsel wordt diepgevroren door het te besprenkelen met vloeibaar stikstof en de verbranding van grote hoeveelheden vloeibaar zuurstof en waterstof stuwt de Challenger de ruimte in. Sperma heeft ondergedompeld in vloeibaar stikstof het eeuwige leven en in de cryogene chirurgie tenslotte bevriest men wratten, aambeien, amandelen en zelfs tumoren. Het doodgevroren weefsel wordt door het lichaam zelf verder opgeruimd.

Toen Heike Kamerlingh Onnes in 1882 in Leiden benoemd werd tot hoogleraar in de ‘proefondervindelijke natuurkunde’ (naast H.A. Lorentz voor de theoretische natuurkunde), werd van veel zogeheten ‘permanente’ gassen gedacht dat ze niet vloeibaar gemaakt konden worden. Pogingen daartoe door Faraday zo’n vijftig jaar eerder waren namelijk op niets uitgelopen. De Nederlandse natuurkundige Van der Waals verklaarde dit in zijn proefschrift in 1873 door te stellen dat gassen pas vloeibaar kunnen worden onder een bepaalde kritische temperatuur. Pas als de moleculen niet teveel meer bewegen (lage temperatuur) en voldoende dicht opeen gepakt zitten (hoge druk) kunnen ze elkaar voldoende aantrekken om een vloeistof te vormen.
Geïnspireerd door de denkbeelden van Van der Waals wilde Kamerlingh Onnes bewijzen dat zelfs de lichtste gassen als waterstof en helium vloeibaar te maken waren indien de temperatuur maar laag genoeg was. Voortvarend nam hij de inrichting van zijn laboratorium ter hand. Er werden instrumentmakers aangetrokken en glasblazers. De beste pompen werden aangeschaft en aangepast. Uiteindelijk kon tien jaar na zijn indiensttreding voor het eerst 20 cc vloeibare zuurstof worden afgetapt. Het ‘kryogeen laboratorium’ was een feit.
Andere laboratoria waren hem voorgeweest met het vloeibaar maken van zuurstof (-119 °C), stikstof (-147 °C) en zelfs waterstof (-240 °C), zodat Kamerlingh Onnes besloot zich te concentreren op het pas ontdekte gas helium. Door bemiddeling van zijn broer Onno, directeur van het Amsterdamse bureau voor handelsinlichtingen, kreeg hij de beschikking over grote hoeveelheden monazietzand uit Brazilië waaruit het heliumgas werd gewonnen.
In de vroege ochtend van 10 juni 1908 stond alles klaar voor de grote operatie. Een cascade van maar liefst zes opeenvolgende koelcycli moest de temperatuur in het laatste circuit terugbrengen tot -268 °C, de berekende temperatuur waarbij helium vloeibaar zou worden. Pas tegen de avond, toen bleek dat de temperatuur in het laatste vat niet verder daalde, werden de inspanningen beloond: in het vat was vloeibaar helium te zien. Kamerlingh Onnes schreef: “het stond messcherp tegen de wand.”
Deze prestatie, die 15 jaar lang ongeëvenaard bleef, werd in 1913 beloond met de Nobelprijs voor de natuurkunde. Het laboratorium aan de Leidse Steenschuur werd als ‘koudste plek ter aarde’ een bedevaartsoord voor fysici. In 1932 werd het laboratorium naar hem vernoemd.
In 1911 deed Kamerlingh Onnes een vreemde ontdekking die tot 1957 onverklaard bleef: supergeleiding. Hij merkte dat kwik en ook lood bij lage temperaturen geen enkele elektrische weerstand hadden. Het bleek zelfs mogelijk om in een supergeleidende ring een elektrische stroom op te wekken, de ring in een geïsoleerd vat naar Londen te vliegen en daar het verschijnsel aan de verbijsterde leden van de Royal Institution te tonen. Normaal is zo’n stroom als gevolg van de weerstand in de ring binnen enkele seconden verdwenen, maar zo niet bij supergeleiding.
Destijds is het belang van supergeleiding niet op z’n waarde geschat. Tegenwoordig vindt het verschijnsel toepassing bij het opwekken van zeer sterke magnetische velden (100.000 keer groter dan het aardmagnetisch veld) voor de medische beeldvormingstechniek MRI of voor magnetische zweeftreinen. Aan de andere kant maakt supergeleiding meting van extreem zwakke magnetische velden mogelijk (100 miljoen keer kleiner dan het aardmagnetisch veld) zoals die veroorzaakt worden door elektrische stroompjes in hart of hersenen. Geen wonder dat Kamerlingh Onnes die ontwikkelingen niet heeft voorzien.
Kamerlingh Onnes is de geschiedenis ingegaan als ‘le gentleman du zéro absolu’ (een koosnaam stammend van het eerste Koude Congres in 1908 te Parijs), iemand die met ongekende vasthoudendheid en organisatievermogen de ideeën van Van der Waals aan de werkelijkheid heeft getoetst. En het absolute nulpunt zelf is tot op de huidige dag een onuitputtelijke bron van recordpogingen.

Met dank aan Aad Nijhuis, Universiteit Twente.

copyright © Het Inzicht / Jos Wassink, 1999