Hoofdbanner

Het was een lang gekoesterd idee van Nikola Tesla (1856-1943): elektriciteit uit de lucht halen. Daar waar de bliksem het in één keer doet, een grote stroom lading in één korte flits veroorzaken, wilde hij deze energie gecontroleerd aftappen om zodoende over bruikbare elektriciteit te beschikken. Probleem was dat men nooit van tevoren weet waar de bliksem precies inslaat èn dat de hoeveelheid spanning dusdanig hoog is (meer dan 10.000 V) dat het moeilijk te reguleren valt. Tesla zag dit ook wel in, maar hij ging verder in de uitwerking van zijn idee. Daarover later.
Minnaert
Professor Minnaert* (1893-1970) deed zo’n 90 jaar geleden onderzoek naar het fenomeen dat er in de luchtlagen van nature een elektrisch veld aanwezig is. Zie zijn boekje De natuurkunde van 't 
vrije veld 2
. Hij gebruikte een elektroscoop, een lange geïsoleerde koperdraad, een
brandende kaars en een ebonieten staaf aan een wandelstok bevestigd. Om de vlam heen
is een cilinder geplaatst om deze de wind te beschermen.
Zie het plaatje hiernaast. 

De kaarsvlam zorgt ervoor dat de gassen in de lucht ioniseren. Dat wil zeggen, dat ze
een netto lading bevatten en dus geleidend zullen zijn. Het bleek dat de blaadjes van de elektroscoop direct uitsloegen, hetgeen erop duidde dat er een kleine stroom liep.
Minnaert constateerde dat het potentiaalverschil erg van dag tot dag verschilde. Volgens
zijn waarnemingen varieerde dat van 60 volt per meter in de zomer tot 500 volt per meter
in de winter. Op een goed geïsoleerde metalen waslijn, op 2 meter hoogte gespannen,
staat volgens Minnaert gemiddeld een spanning van 200 V ten opzichte van de aarde.
Toch is het aanraken ongevaarlijk, omdat de lading zo gering is dat er nauwelijks stroom
door ons lichaam gaat. Het probleem is dus niet zozeer de aanwezige spanning in de verschillende luchtlagen, als wel het tekort aan ladingsdragers in de lucht en de geringe geleidbaarheid van de lucht zelf. Tesla echter had hiervoor een geniale oplossing bedacht.                                                                                                                                                                                  
Tussendoor, het onVerdeling ionentstaan van ladingsverschillen tijdens een onweersbui. Dat zit ingewikkelder in elkaar dan meestal gedacht. Vroeger dacht men dat er een groot ladingsverschil ontstond tussen de wolk en de aarde, en wanneer dat de doorslagspanning van de lucht overschreed, dat er dan een bliksem ontstond: een korte reusachtige stroomflits van wolk naar aarde. Door veel onderzoek te doen kwam men erachter dat de meeste bliksem binnen de wolk zelf plaats vindt. De negatieve ionen in de wolk krijgen zo’n grote snelheid dat deze andere luchtmoleculen ioniseren, waardoor deze op hun beurt weer  andere moleculen ioniseren, met een sneeuwbaleffect als gevolg. De grootste veldsterkte (en dus het grootste ladingsverschil) ontstaat zodoende binnen de wolk zelf.
Zie het plaatje links, rechts onderin. Er is dan een zogenaamde voorslag te                horen, waarna de hoofdslag volgt. In een paar miljoenste seconden loopt de temperatuur plaatselijk op tot 30.000 graden en de druk tot meer dan 20 bar (twintig keer de normale luchtdruk), wat een schokgolf en de donderknal teweeg brengt.


Maar goed, Tesla bedacht dus een manier om de lucht te ioniseren, dat wil zeggen van ladingsdragers te voorzien. Zijn idee was dezelfde als bij de mede door hem ontwikkelde gasontladingslamp, bij ons gewoonlijk tl-buis genoemd. De latere spaarlamp is een gevolg hiervan, deze is in feite een opgerolde tl-buis. Door een starter en een in de stroomkring aangebrachte spoel (de smoorspoel) treedt er zelfinductie op (de wet van Lenz) waardoor de spanning in korte tijd oploopt tot meer dan 1000 V. Dit is genoeg om de aanwezige gassen in een aangeslagen toestand te brengen. De elektronen vallen weer terug naar hun begintoestand en zenden hierbij licht uit. Wanneer dit proces eenmaal op gang is gekomen vervalt de functie van het bimetaal en zakt de spanning terug naar zo’n 70 V, wat het rendement aanzienlijk verhoogt ten opzichte van een gewone gloeilamp die op 230 V brandt.

  tl buis
                               Werking tl-buis

Tesla’s idee was om de lucht boven steden te ioniseren door een bepaalde hoeveelheid energie toe te voeren. De positief geladen ionosfeer vormt samen met de negatief geladen aarde namelijk een soort van condensator. Deze wordt tijdens een onweersbui door middel van de bliksem gedeeltelijk ontladen. Tesla wilde de resonantiefrequentie van de aarde (die volgens latere waarnemingen op 7,8 Hz ligt) op de aardatmosfeer loslaten om het proces in gang te brengen. Vergelijkbaar met het ontstekingsmechanisme bij de tl-buis, waar samen met de starter de smoorspoel die functie heeft. Wanneer de ionisatie plaats had gevonden en de elektronen terug zouden vallen naar hun grondtoestand om zodoende licht uit te zenden, zou het aanwezige potentiaalverschil in de luchtlagen voor blijvende ionisaties en licht kunnen zorgen. Eenmaal op gang gekomen zou het systeem zichzelf dus in stand houden, was zijn gedachte. Tesla hoopte zo hele steden te kunnen verlichten, tegen minimale kosten. Hij beschouwde dit als zijn grote ideaal waarmee hij de mensheid kon dienen. Het is nooit in de praktijk gebracht. Het blijkt (voorlopig) te ingewikkeld te zijn. Tegenwoordig doet men experimenten met waterdruppels in de verschillende luchtlagen. Omdat ze plaatselijk geladen zijn, zouden zij voor de gewenste elektrische stroom kunnen zorgen. Maar de resultaten vallen tot nu toe tegen.  


* Bij het overlijden van de bekende astronoom Cees de Jager (1921-2021) las ik dat deze vroeger student was geweest bij professor Minnaert. De schrijver van de necrologie in de krant, professor van de Heuvel, was op zijn beurt student geweest bij Cees de Jager. En ikzelf op mijn beurt heb les gehad van professor van de Heuvel op de Universiteit van Amsterdam. Grappig.