17 feb. 1999
3 minuten
Christopher Berg Smiet heeft de Christiaan Huygensprijs gewonnen voor zijn proefschrift ‘Knots in Plasma’. Op 7 oktober ontving hij een oorkonde, een bronzen beeld van Christiaan Huygens en een prijzengeld van tienduizend euro.
"Ik vind het echt mooi dat zo’n esoterisch onderwerp deze aandacht krijgt’, zegt Chris Smiet over zijn bekroning. "Op het eerste gezicht is het heel abstracte wiskunde, topologie en knopentheorie, maar in mijn onderzoeksgebied zijn ze ook heel goed toepasbaar."
Plasma is een gas-achtige toestand van materie waarin de elektronen losgeslagen zijn van hun atomen. Plasma is op aarde vooral te vinden op bepaalde plaatsen: in vuur, tl-buizen, of bijvoorbeeld experimentele reactoren, maar in het heelal is bijna alles plasma: sterren, het ijle gas tussen de sterren.
Tokamaks
In een plasma kunnen elektronen en de ionen los van elkaar bewegen. Iets bijzonders gebeurt er als er ook magneetvelden in het plasma bestaan. De deeltjes in het plasma tollen dan snel rond de magneetveldlijnen. Het resultaat is dat ze wel langs de veldlijn kunnen stromen, maar er niet af kunnen komen, als kralen aan een ketting. Het plasma zit ‘vast’ op de magneetlijnen.
Dit effect wordt bijvoorbeeld gebruikt in Tokamaks, experimentele plasmareactoren waarin plasma van honderden miljoen graden celsius wordt vastgehouden door magnetische velden met als doel energie te winnen uit kernfusie.
Magnetohydrodynamica
Doordat het plasma vast zit op de magneetveldlijnen, kunnen die ook niet door elkaar heen bewegen. De lijnen vormen rekbare lussen die je in elkaar kunt haken als schakels van een ketting. Voorspellen hoe die lussen vervolgens vervormen, is niet gemakkelijk.
De elektrische stromen die langs de veldlijnen lopen, wekken weer nieuwe magneetvelden op, die op hun beurt weer elektrische stromen veroorzaken. Het resulterende geduw en getrek in het magnetische plasma maakt simulaties of voorspellingen van de magnetohydrodynamica berucht.
Hopf-fibratie
Met computerberekeningen, knopentheorie en topologie ontdekte Smiet dat zo’n magnetische plasmaknoop evolueert tot een stabiele eindconfiguratie: de Hopf-fibratie. "Een heel bijzondere, heel elegante knoopstructuur die in 1931 ontdekt is door de Duitse wiskundige Heinz Hopf."
In simulaties en visualisaties zijn spaghetti-achtige kluwens van veldlijnen te zien, gedraaid en gewrongen tot een donut-vorm. Zijn ontdekking betekent dat het mogelijk is om een stabiele knoop van magnetisch plasma te maken, mits de druk van buiten hoog genoeg is. Anders dan in tokamaks, waarin magnetische velden van buiten het plasma in bedwang houden, zou zo’n Hopf-knoedel van zichzelf al stabiel zijn. "Het was een enorme verrassing hoe mooi het eigenlijk vanzelf uit de wiskunde naar bovenkwam."
Magnetische Plasmaknoop
De ontdekking zou kunnen helpen bij het ontwerpen van kernfusie-reactoren, maar ook is het goed denkbaar dat de Hopf-knopen al bestaan, bijvoorbeeld in het ijle plasma rond sterrenstelsels.
Inmiddels is men in Leiden, waar Smiet promoveerde, al bezig met proeven om de magnetische plasmaknoop ook echt te maken, met hulp van microgolven en lasers. Smiet werkt inmiddels aan het Princeton Plasma Physics Laboratory in Princeton, New Jersey, aan het toepassen van zijn wiskundige methoden voor kernfusiereactoren.
Andere genomineerden
De Christiaan Huygensprijs wordt sinds 1998 jaarlijks uitgereikt aan onderzoekers die een vernieuwende bijdrage hebben geleverd aan wiskunde, natuurkunde of sterrenkunde.
De andere twee genomineerden waren dit jaar Bas Hensen voor zijn dissertatie: ‘Quantum Nonlocality with Spins in Diamond’ (Technische Universiteit Delft) en Xiaojue Zhu voor zijn dissertatie: ‘Taylor-Couette and Rayleigh-Bénard turbulence: the role of the boundaries’ (Universiteit Twente).
De jury over de dissertatie van Hensen: ‘Hier komt zeer interessante wetenschap aan de orde en wordt op elegante wijze de niet-lokale structuur van de quantum theorie bestudeerd. Het onderzoek is van een uitzonderlijk hoog niveau en heeft reeds veel aandacht getrokken in binnen- en buitenland.’
En over die van Zhu: ‘Het centrale onderwerp draait om (het opschalen van berekeningen aan) turbulente stromingen langs ruwe wanden. Het proefschrift is technisch bijzonder relevant, kenmerkt zich door een ingenieuze combinatie van computersimulaties, theorievorming en experimentele resultaten en boekstaaft een grote stap voorwaarts in het veld.’
Anderen lazen ook
