De pistoolgarnaal kan zijn scharen met zoveel kracht dichtklappen dat er onder water een schokgolf en plasma ontstaat. Deze techniek is ruim tien keer efficiënter dan de methoden waarmee wetenschappers nu plasma maken in een vloeistof. Het is twee Amerikaanse onderzoekers gelukt om de garnaalschaar na te bootsen met een 3D-geprint, mechanisch model.
Het 3D-model ziet eruit als een plastic versie van een garnaalschaar. Dit zit ingeklemd in een constructie met draaiassen en een torsieveer. Met de veer wordt spanning opgebouwd om de schaar dicht te laten klappen. Het ziet er geknutseld uit, maar hiermee konden onderzoekers de kracht van een pistoolgarnaal succesvol nabootsen.
Frans de Waal (1948-2024): ‘Zo speciaal zijn wij mensen niet’
Primatoloog Frans de Waal is op 14 maart 2024 overleden. In juni 2019 interviewde New Scientist De Waal. De les die hij meegaf: ‘zo speciaal zijn wi ...
Plasmaproductie
Het apparaat heeft een efficiëntie van 30 procent bij het omzetten van energie in plasma. ‘Dat is zes tot tientallen keer efficiënter dan andere manieren waarop mensen nu dergelijke plasma’s maken’, zegt David Staack van Texas A&M University.
Plasma, een gas waarin de moleculen gestript zijn van hun elektronen, kent verschillende toepassingen. Met deze hete soep van positief geladen moleculen en negatief geladen elektronen wordt bijvoorbeeld de samenstelling van vloeistoffen bepaald. Geladen moleculen zijn namelijk makkelijker te meten dan neutrale. Ook wordt plasmaproductie gebruikt om water te reinigen, vertelt Staack.
Krachtig klappende scharen
Pistoolgarnalen gebruiken hun krachtig klappende scharen tijdens het jagen, ter verdediging en voor communicatie. Door hun scharen met hoge snelheid dicht te klappen, ontstaat er een schokgolf waarbij er een waterstraal wegspuit. Daardoor neemt de waterdruk sterk af en ontstaan er piepkleine, met waterdamp gevulde belletjes in het water. Die belletjes zwellen snel op doordat de druk erin hoger is dan de druk in het water. Snel daarna keert de druk weer terug. Daardoor klappen de luchtbelletjes uit elkaar. Dat zorgt voor een harde knal van ruim tweehonderd decibel. Bij dit hele proces komt zoveel energie vrij dat er ook een lichtflitsje en plasma ontstaat.
De knal levert onder water zoveel lawaai op, dat het zelfs de communicatie tussen onderzeeërs kan verstoren.
3D-geprint garnaalmodel
Om de techniek zo precies mogelijk na te bootsen, maakten de onderzoekers een CT-scan van een pistoolgarnaal die ze gekocht hadden op eBay. Met die informatie maakten ze vervolgens een computermodel van de vorm van een schaar. Die combineerden ze met metingen van de krachten die erop werken als de garnaal hem dichtklapt. Vervolgens printten ze het model van wit, sterk plastic met een 3D-printer. De krachten bootsten ze na met zorgvuldig gekozen mechaniek, bestaande uit assen en een torsieveer. De 3D-geprinte schaar is vijf keer groter dan die van pistoolgarnaal die de onderzoekers scande ter referentie.
Nadat de constructie in elkaar geschroefd was, lieten de onderzoekers de plastic schaar dichtklappen onder water. Ze deden dit in zout water (om de leefomgeving van de garnaal na te bootsen), in water met luchtbelletjes en in water met argon. In alle gevallen ontstond er plasma. Ook maten ze een bijna onzichtbaar, maar nét detecteerbaar lichtflitsje.
De resultaten zijn hoopgevend: de efficiëntie waarmee plasma gemaakt werd was hoger dan bij de huidige technieken. Maar voordat de techniek toegepast kan worden voor grootschalige plasmaproductie, is het nodig om de mechaniek te optimaliseren, schrijven de onderzoekers.
Het model kan ook gebruikt worden om de werking van de pistoolgarnaalscharen te onderzoeken. Zo bleek de holte tussen de twee helften in een belangrijke rol te spelen. De vorm zorgt ervoor dat de schokgolf die bij het samenklappen ontstaat van de garnaal weg beweegt, zodat het dier zelf niet getroffen wordt.