Een glaasje kraanwater bevat genoeg energie om op naar Zuid-Frankrijk te rijden. Maar die energie krijg je niet zomaar uit dat water losgepeuterd - en zeker niet in de motor van je Golf, Focus of Panda. Wil de mensheid kunnen profiteren van de praktisch onuitputtelijke energiebron die water vormt - als brandstof voor kernfusie -, dan moeten we erin slagen een plasma van honderd miljoen graden Celsius te creëren en beheersen. Een zon op aarde, wordt zo’n fusieplasma wel genoemd.

In het waarschijnlijkste scenario zal een toekomstig fusieplasma in bedwang worden gehouden door magneetvelden. Het plasma, een soort gas van geladen deeltjes, vormt dan een soort ring - een ‘donut’ - en wordt opgewarmd tot een temperatuur waarbij waterstofkernen fuseren. De warmte die daarbij vrijkomt, wordt simpelweg gebruikt om elektriciteit op te wekken met stoomturbines.

Het is cruciaal dat het fusieplasma de reactorwand niet raakt

Dat klinkt allemaal prachtig, maar het is wel cruciaal dat het plasma netjes binnen het donutvormige magneetveld blijft - als het hete reactiemengsel de wand raakt, blijft daar na al vrij snel niet veel van over. Je wilt dus kunnen zien of het plasma nog op zijn plek zit, om eventueel correcties te kunnen uitvoeren met de magneetvelden.

Toen Gillis Hommen, toen nog student Werktuigbouwkunde, een jaar of vijf geleden mee mocht op een uitje naar de Engelse JET-reactor (een van de handvol proefreactoren waarmee wordt onderzocht hoe kernfusie het best kan worden aangepakt), hoorde hij iemand terloops zeggen dat het misschien een goed idee was om iets met camera’s te doen in een fusiereactor.

“De positie van het plasma werd en wordt in het algemeen bepaald met magnetische sensoren, terwijl een fusieplasma aan de rand zichtbaar licht uitzendt. Het verbaasde mij dat daar blijkbaar niets mee werd gedaan. Ik heb toen aan Maarten Steinbuch gevraagd of ik daar mijn afstudeerproject van kon maken.” Steinbuch, hoogleraar Control Systems Technology, stemde in en Hommen studeerde cum laude af op een methode om camerabeelden van het fusieplasma om te rekenen naar de positie van het plasma.

Dat succes smaakte naar meer, en Hommen begon aan een promotietraject om te onderzoeken of feedback van camera’s ook daadwerkelijk gebruikt kon worden om het plasma op zijn plek te houden. Steinbuch werd zijn tweede promotor, terwijl deeltijdhoogleraar en kernfusie-expert prof.dr. Marco de Baar hem vanuit zijn formele werkgever DIFFER begeleidde.

De kennis van Tech United kwam goed van pas

Een uitdaging voor de promovendus was om de camerabeelden van het plasma real time te verwerken en om te zetten naar een regelsignaal voor de magneten. “Het gaat om duizend beelden, een gigabyte, per seconde”, vertelt hij. “Gelukkig bestaat er commerciële hardware, een soort omgekeerde versie van de videokaarten die voor veeleisende spellen worden gebruikt, die dergelijke datastromen aankan.” Opvallend genoeg waren de leden van Tech United waren Hommen daarbij behulpzaam. “De voetbalrobots hebben een camera om het spel in de gaten te houden. Bij Tech United hebben ze daarom veel ervaring met snelle beeldverwerking.”

Hommen analyseerde camerabeelden van het plasma in de experimentele MAST-reactor, en concludeerde dat zijn resultaten goed overeenkwamen met ‘conventionele’ magnetische metingen van de positie van het plasma in diezelfde reactor. Vervolgens vertrok hij naar het Zwitserse Lausanne om zijn methode ter plaatse uit te proberen in de TCV-reactor. Hij slaagde erin om uit camerabeelden een signaal te destilleren waarmee hij de ‘regel’magneten van de testreactor zodanig kon aansturen dat het plasma netjes op zijn plek bleef. Daarmee toonde hij dus aan dat zijn optische methode de concurrentie met de gebruikelijke magnetische regelsystemen aankan.

Maar optische metingen zijn in veel opzichten handiger dan magnetische, legt de promovendus uit. “Je hebt wel vijftig tot honderd magnetische sensoren nodig, terwijl je genoeg hebt aan twee camera’s. Daarnaast meten de magneetsensoren alleen de veranderingen in het plasma, en niet de absolute positie. Dat betekent dat je altijd een referentiemeting nodig hebt. Die zou je bijvoorbeeld met camera’s kunnen doen.”

En daar komt nog bij dat magneetsensoren de huidige testexperimenten wel overleven, maar de nabijheid van daadwerkelijke kernfusie wellicht niet. “De testexperimenten worden gedaan met plasma’s waarin nauwelijks fusiereacties plaatsvinden”, licht Hommen toe. “Dat is praktisch, omdat je dan eenvoudig dingen in de reactor kunt aanpassen. Maar een echte reactor is een nucleaire omgeving, met alle moeilijkheden van dien. Van de straling die daar bij hoort, gaan de magneetsensoren waarschijnlijk ook kapot. Dat zou betekenen dat de sensoren buiten het reactorvat geplaatst moeten worden, en daardoor minder nauwkeurig kunnen meten.”

De grote vraag, en waarschijnlijk bepalend voor de eventuele toepassing van Hommens meetmethode in DEMO (de demonstratiereactor die gepland is als opvolger van het in aanbouw zijnde ITER), is of de benodigde spiegels en lenzen die nodig zijn om het plasma te filmen wél bestand zijn tegen de verwoestende straling in een fusiereactor op industriële schaal. “Het zal nog wel even duren voordat we dat weten”, zegt de werktuigbouwkundige. Maar hij vindt het sowieso een mooie gedachte dat hij wellicht een essentiële bijdrage heeft geleverd aan zo’n belangrijk project. “Dat het me gelukt is om mijn idee toe te passen, is in ieder geval heel mooi. Daar ben ik wel trots op.”