NATUURKUNDIGE VOORDRACHTEN

NATUURKUNDIGE VOORDRACHTEN 1982-1983

NIEUWE R E E K S No. 61 Prof. Ir. F . J . Abbink, Prof. Dr. E . J . Ariëns, Prof. Dr. W.H. Biikenhager, Ir. W.L. Dalmijn, Ing. T . J . van Deijl, Dr. J . Heise, Prof. Dr. L.F.W. de Klerk, Dr. N. Lamme, Prof. Dr. G.P. van Rees, Prof. Dr. L.M.J.U. van Straaten, Prof. Dr. P.R. Wyder.

OPGERICHT 1793 BESCHERMVROUWE H.M. DE KONINGIN

VIS-DRUK ALPHEN AAN DEN RIJN 1983

K O N I N K L I J K E MAATSCHAPPIJ VOOR N A T U U R K U N D E onder de zinspreuk D I L I G E N T I A

BESCHERMVROUWE H . M , de Koningin

ERE-LEDEN Z . K . H . Prins Bernhard der Nederlanden Z . K . H . Prins Claus der Nederlanden

BESTUURDERS Dr. W.P.J. Lignac, secretaris Dr. E. Talman, penningmeester Ir. O.A.E. Wijnmalen

treden af in 1984

Ir. M.J. Bottema Dr. H. Cohen Mevr. Dr. M.P.M. Herrmann-Eriee (vice-voorzitter)

treden af in 1985

Prof. Ir. W. Boxma R. Drion, voorzitter, tot 1 jan. 1984 Mr. R.R.J.F.H. Muller

treden af in 1986

JAARVERSLAG

VAN DE KONINKLIJKE MAATSCHAPPIJ VOOR NATUURKUNDE DILIGENTIA over het seizoen 1982/1983 uitgebracht op de algemene ledenvergadering van 19 september 1983 In 1982/1983 traden als sprekers op: Prof. Ir. F.J. Abbink, Prof. Dr. E.J. Ariëns, Prof. Dr. W.H. Birkenhager, Prof. Dr. J.H. van Boom, Ing. T.J. van Deijl, Dr. J. Heise, Prof. Dr. L.F.W. de Klerk, Dr. N. Lamme, Prof. Dr. G.P. van Rees, Prof. Dr. R.A. Schilperoort, ProL Dr. L.M.J.U. van Straaten en Prof. Dr. P.R. Wyder.

Op 17 november 1982 maakten 48 deelnemers een excursie naar de Centrale Suikermaatschappij C.S.M. te Halfweg. Het aantal leden bedroeg 547 op 1 april 1983. De periodiek aftredende bestuursleden Prof. Ir. W. Boxman en Mr. R.R.J.F.H. Muller worden herkozen. De heer R. Drion wordt herbenoemd tot het einde van zijn voorzitterschap op 1 januari 1984, waarna hij uit het bestuur zal treden wegens het bereiken van de zeventigjarige leeftijd. Ir. J.H. van der Torren achtte de tijd gekomen zich niet meer herkiesbaar te stellen. Dr. W.P.J. Lignac secretaris N.B. Van de artikelen van Prof. Van Boom en van Prof. Scliilperoort ontvingen wij nog geen manuscript. Hopelijk volgt publikatie volgend jaar.

INHOUD

Ir. W.L. Dalmijn, Mechanische scheidingsmethoden voor de verwerking van autowrakken

11

Dr. N. Lamme, Vervoer van gevaarlijke stoffen

21

Ing. T.J. van Deijl, Windenergie

„

27

Prof. Dr. W.H. Birkenhager, Hoge bloeddruk

39

Dr. J. Heise, Neutronensterren en zwarte gaten

47

Prof. Dr. P.R. Wyder, Research in hoge magneetvelden

61

Prof. Dr. G.P. van Rees, Regulatie van de afgifte van gonadotrope hormonen door de hypofyse

75

Prof. Dr. L.M.J.U. van Straaten, Meteorieten en inslagkraters

81

Prof. Dr. E.J. Ariëns, Biologische afweer tegen toxische stoffen

87

Prof. Dr. L.F.W. de Klerk, Het leren van begrippen.

97

Prof. Ir. F.J. Abbink, Vliegtuiginstrumentatie

109

RECYCLING VAN METALEN UIT AUTOWRAKKEN door W.L. Dalmijn Introductie Het feit dat de natuurlijke reserves van metalen niet onuitputtelijk zijn, de produktie van metalen uit ertsen energie-verslindend is en de milieu-eisen verzwaard zijn, heeft meer dan ooit de aandacht op bevordering van „recycling" van metalen gevestigd. Helaas hebben deze pogingen niet het succes opgeleverd waarop gehoopt werd. De onderstaande tabel van enkele jaren geleden, betreffende het metaalverbruik in Engeland, illustreert dit (Ref. 1.). Tabel 1 Hoeveelheid recycled in Engeland 1973

Koper Zink Lood Aluminium Tin

1977

tonnen x10^

% totaal verbruik

tonnen x 10^

% totaal verbruik

271 90 227 200 2.7

38 23 62 29 15

207 70 174 171 3.6

32 22 60 29 24

De voortzetting van de recessie heeft een verdere nadelige invloed op de metaalrecycling gehad daar de prijzen van de primaire metalen onnatuurlijk laag zijn geworden door de afzetmoeüijkheden welke de producenten, hoofdzakelijk de derde-wereldlanden, ondervinden. De belangrijkste beperkende factoren voor de metaalrecycling zijn de wisselende samenstelling, de verontreiniging met andere metalen, gering tonnage per producent en de afzetmoeüijkheden welke hieruit voortvloeien. Eén van de belangrijkste bronnen voor secundaire metalen is de auto. Op het moment komen 450.000 auto's per jaar in het afvalstadium. Gezamenlijk vertegenwoordigen zij 430.000 ton metalen en materialen waarvan 85% uit ijzer en staal bestaat. De automobielindustrie is een belangrijke verbruiker van primaire grondstoffen en energie, zoals uit tabel 2 voor 1975 blijkt (ref. 2., 3.).

Natuurkundige Voordracliten N.R. 61. Lezing, gehouden voor de Koninklijke Maatschappij voor Natuurkunde te 's-Gravenhage op 19 oktober 1981.

12 Tabel 2

Metaal: IJzer en staal Aluminium Zink Koper Lood

perc. v.d. tot. prod.

GJ/ton prim. met. uit erts

sec. metaal uit schroot

energiebesp. GJ/ton

20 8-9 35 8-9 68

33 253 68 116 28

14 13 19 19 10

19 240 49 97 18

De gemiddelde levensduur van de auto en hun aantal is bekend, waardoor ook de gemiddelde samenstelling van de auto is na te gaan. Helaas zijn deze gegevens van het potentiële ertsvoorkomen niet de enige voorwaarden voor een mogelijke verwerking. In het navolgende worden de mogelijkheden nagegaan om auto's in het afvalstadium mechanisch te verwerken als voorbereiding van de verdere metallurgische verwerking. In het algemeen kan men zeggen dat mechanische scheidingsmethoden minder duur zijn, een lager energieverbruik hebben en minder milieuproblemen veroorzaken dan de metallurgische processen.

Autoschroot Vrijmaken en magnetiscli sclteiden Als voorbereiding voor een goede mechanische scheiding is het noodzakelijk de auto te verkleinen. Deze verkleining moet voor een optimaal scheidingsresultaat zo fijn zijn dat er zo min mogelijk combinaties van verschillende metalen of hun legeringen meer voorkomen. De noodzakelijke verkleining of vrijmaking kan men bereiken met een hamermolen van een speciaal ontwerp: een „shredder". Bij Dalmeijer's Metalen B.V. te Rotterdam staat een 750 kW Lindemann/Newell shredder met een jaarlijkse produktie van 80.000 auto's. Nadat de auto verkleind is, zijn alle stukken kleiner dan 25 cm en 80% kleiner dan 15 cm. Na de vrijmaking kunnen wij de metalen uit het mengsel met behulp van mechanische scheidingsmethoden terugwinnen. De samenstelUng van het mengsel is gegeven in tabel 3 (ref. 4.). Staal en ijzer (76,5%) kunnen magnetisch uit het mengsel teruggewonnen worden. De magnetische fractie is echter verontreinigd door incomplete vrijmaking met metalen en materialen. Een verdere verkleining om het aandeel niet-magnetische bestanddelen te verminderen, is helaas niet economisch. Na de verwijdering van de magnetische fractie en daarmede een deel van de andere materialen is het restant de non-ferro metalen, rubber, plastic en andere materialen geconcentreerd met een factor 5. Tevens is de gemiddelde grootte van het restant gereduceerd, omdat ze ofwel makkerlijker verkleind worden, zoals de kunststoffen, ofwel omdat ze de kleinere onderdelen van de auto zijn. Om een verdere scheiding mogelijk te maken, is het noodzakelijk het overgebleven materiaal te klasseren met een zeef van 50 (mm). Het materiaal groter dan 50 (mm) bestaat hoofdzakelijk uit rubber, veermetaal, roestvrij staal en plastic. Afhankelijk van de prijs welke de metalen en materialen opbrengen, kan dit produkt - voordat het gestort wordt - met de hand gesorteerd worden. Het materiaal kleiner dan 50 (mm) wordt vervolgens aan de DSM-scheidingsinstallatie toegevoerd.

13 Tabel 3 Auto uit de middenldasse (Bondsrepublielc Duitsland) gewiclit 1013 leg Materiaal IJzer en staal Alummium Lood Koper Zink Messing Totaal non-ferro metalen Rubber Glas Plastic Andere Totaal

gew. % 76,5 2,0 1,1 0,7 0,5 0,3 4,6 5,2 4,0 2,5 7,2 100,0

Het DSM-cycloonproces Gedurende de laatste 30 jaar heeft de DSM ervaring opgedaan met de verwerking van ertsen en kolen met behulp van ,,water only" cyclonen en zware medium cyclonen. In het begin van de jaren zeventig is de DSM begonnen met een serie verwerkingsproeven met verkleinde accu's, autoschroot, aluminium blikjes en huisvuilslak uit de vuilverbrandingsinstallaties in hun proefinstaUatie (van Stamicarbon) te Sittard. (ref. 5., 6.). Het bleek mogelijk met de DSM-cyclonen de niet magnetische fractie op een economische wijze verder te scheiden. De met deze gegevens ontwikkelde scheidingsinstallatie is sinds 1977 bij Dalmeijer's Metalen B.V. in gebruik. De installatie heeft een capaciteit van 6,5 (ton/uur) en bestaat uit twee circuits (fig. 1) en wel de „water only cyclone" en de zware medium cycloon. Nadat de overgebleven metalen en materialen met water vermengd zijn, worden zij aan de zware medium cycloon toegevoerd die de Uchte metalen, s.g. kleiner dan 1800 (kg/m^), uit het mengsel verwijdert. Dit produkt A j , 1,35 (ton/uur), bevat hoofdzakelijk het rubber en de plastic en wordt na ontwatering afgevoerd. De onderloop van de „water only cyclone" wordt na ontwatering met een zeef in een tank gemengd met het zware medium. Het zware medium bestaat uit een stabiel mengsel van water, magnetiet en ferrosilicon met een soortelijke dichtheid van 2400 (kg/m''). De mengtank wordt tevens gebruikt om het overgebleven lichte materiaal en het materiaal met een dichtheid tussen 1800 en 2400 (kg/m^) te verwijderen. Het mengsel uit de 8 meter hoger gelegen tank wordt vervolgens aan de zware medium cycloon toegevoerd. In de zware medium cycloon worden de lichte non-ferro metalen en hun legeringen, zoals aluminium bij een scheidingsdichtheid van 2900 (kg/m^) gescheiden van de zware non-ferro metalen, zoals koper, zink en messing. De overloop, produkt B 2.6 (ton/uur) en de onderloop, product C 1.95

14 (ton/uur), worden via trilzeven en zeefbochten afgevoerd. De produkten worden op de trilzeven met water nagereinigd om de aan liet schroot aanhangende magnetiet en ferrosilicon veiTolgens met een rol magneetscheider te kunnen terugwinnen. Het concentraat van de magnetiet en de ferrosiücon wordt vervolgens naar een verzameltank gevoerd waar de soortelijke dichtheid weer op 2400 (kg/m^) gebracht wordt.

De massabalans van het proces staat in tabel 4. Tabel 4

Dichtheid (kg/m^) < 1800 1800-2300 2300-2960 >2960 Totaal Cap. in ton/uur *

aanvoer*

produkt A j , A j j *

produkt B*

produkt C*

25,8 0,9 41,1 30,2

83,2 5,8 10,2 0,8

2,0 2,8 93,2 2,0

0 0 2,7 97,3

100,0

100,0

100,0

100,0

6,5

1,95

2,6

1,95

gewichtsprocenten

Uh deze gegevens volgt dat de „recovery" van het lichte materiaal ( < 1800 S.D.) 96,9% is; de recovery van het aluminium-rijke produkt (2500-2900 S.D.) 90,5% is en de recovery van de zware metalen ( > 2960 S.D.) 96,6% is. Een verdere scheiding van de zware fractie is technisch en economisch met behulp van „zware vloeistof' scheiding niet meer mogelijk. Voor een verdere reiniging en concentratie moeten wij gebruik maken van andere scheidingstechnieken. Eén van deze scheidingssystemen maakt gebruik van de combinatie geleidbaarheid en soortelijke dichtheid - in het algemeen aangeduid als „eddy-stroom scheiders". Eddy-stroom afstoting Wanneer een voorwerp zich in een wisselend magnetisch veld bevindt, wordt hierin een spanning geihduceerd. Afhankelijk van de geleidbaarheid in het voorwerp zal er een stroom gaan vloeien met een bijbehorend veld, dat tegengesteld aan het aangelegde veld is. Het voorwerp ondervindt nu een kracht, welke tegengesteld is aan de richting van het aangelegde veld. De verplaatsing van het deeltje, waarop de navolgende scheidingssystemen gebaseerd zijn, is afhankelijk van de massa en de geleidbaarheid. Van een aantal metalen is de verhouding geleidbaarheid en massa (a/p) te vinden in tabel 5.

15 Tabel 5

Materiaal

(a/p) lO^m^/n k]

Alummium Koper Zink Messing Lood Plastic, glas

13,0 6,6

2,5 1,8

0,45 "0

VERWERKINSSCHEMA VAN DE D.5,M. CYCLOON INSTALLATIE VOOR HET SCHEIDEN VAN NON-FERROMETALEN

®

Bunker

(6)

Waterbak

@

Zware vloeistof

(2)

Emmer transporteur

®

Ontwaterzeef

@

V^aszeef

(ö)

Emmer transporteur

©

Zvvare medium pomp

@

Zware vLoeistotbak

@

Magneetscheider

@

Indik cyclonen

@

Indik cycloon

(D

Waterbak

@

Water-onLy

©

Zeetbocht

cycloon

cycloon

figuur 1

De verplaatsing is verder onder andere afhankelijk van de deeltjesgrootte, vorm, dikte en de frequentie. Algemeen gesproken zijn er twee verschillende manieren, waarop men eddy-stromen in een voorwerp kan induceren. De eerste groep bestaat uit de scheiders welke met een continu of discontinu magneetveld werken en waar de snelheid van het deeltje een ondergescliikte of geen rol speelt. De tweede groep scheiders zijn de systemen, waarbij van permanente magneten gebruik wordt gemaakt en de geihduceerde kracht geheel afhankelijk is van de snelheid van het deeltje. De lineaire motor (ref. 7.), de „pulsating coil" (reh 8.), de roterende plaatscheider (ref. 9.) en de „propulsor" - ontworpen door het Laboratorium voor Ertstechnologie, T.H.-Delft (ref. 10.) — behoren tot de eerste categorie; de verticale

16 symmetrische veldscheider behoort tot de tweede categorie (ref. 12.). De propulsor De propulsor is ontwikkeld om metalen met een laag energieverbruik op eenvoudige wijze met behulp van eddystromen te scheiden. De principetekening is in fig. 2 gegeven. Metaaldeeltjes worden continu met een voedingsgoot aan een glijgoot, welke onder een hoek staat, toegevoerd. Aan het einde van deze glijgoot is een detector, die met behulp van een aantal foto((liodes zowel de diameter als de snel-

1

voedingstrechter

8

l
2

schudgoot

9

elektronisch gedeelte optische detector

3

aanvoerband

10

regelbare voeding

A.

richtbuis

11

oplaad thyristoren circuit t h y r i s t o r

5

fotodioden

12

6

spoel

13

c i r c u i t diode

7

opvang bal
14.

condensator

figuur 2

heid van elk der afzonderlijk passerende deeltjes bepaalt. Met deze gegevens wordt met behulp van een stuurschakeling een stroomstoot door de spoel gestuurd op het moment, dat het deeltje boven het centrum van de spoel is. Geleidende deeltjes worden uit het magneetveld geschoten met een versnelling afhankelijk van a/p, de niet-geleidende deeltjes passeren de spoel zonder richtingverandering. De maximale energie welke in het huidige systeem in een magneetpuls kan worden omgezet, is ongeveer 50 joule. Deze energie wordt door een condensatorbank geleverd. Met behulp van een thyristorschakeling wordt de stroom, welke aan de spoel wordt geleverd, beperkt tot de tijd waarin het deeltje op het spoeloppervlak aanwezig is om energie te besparen. Een verdere energiebesparing kan bereikt worden door een eenvoudige metaaldetector op te nemen in het detectorcircuit, waarmee voorkomen wordt dat tijdens het passeren van niet-metalen deeltjes nodeloos een magneetpuls

17 wordt afgegeven. De spoel is zo ontworpen dat over een zo groot mogelijk deeltjesgroottebereik (20 mm—80 mm) een scheiden tussen de metalen mogelijk is. Om het principe aan te tonen, zijn eerst proeven gedaan met ronde schijven van verschillende metalen met 50 (mm) doorsnede en 8 (mm) dikte. Uit de proeven bleek dat de diverse metalen en zelfs verschillende legeringen van aluminium onderling goed gescheiden konden worden. Vervolgens is er met een monster, afkomstig uit de niet-magnetische fractie, zoals deze aan het DSM-systeem na magneetscheiding wordt toegevoerd, een test gedaan om na te gaan of een bevredigende scheiding tussen de diverse metalen kan worden bereikt. De resultaten hiervan zijn weergegeven in tabel 6. Van elk der deeltjes is de snelheid — welke een maat voor het scheidende vermogen is — gemeten op 20 mm van het spoeloppervlak. Tabel 6 Resultaten verkregen met de propulsor uit gemengd snelheid m/sec.

gew. % Si

Cu

14 12-14 10-12 8-10 6- 8 4- 6 2- 4 2

1,9 1,2 3,6 5,3 13,8 12,6 18,7 42,9

1 6 7 13 15 6 5 3

1,0 1,5 0,5 1,5 2,0 2,0 3,0 15,0

Totaal

100,0

6

7,7

autoschroot

chemische analyse gew. % Zn Fe Mg

Al 93 90 89 85 82 61 41 30 46

—

—

—

—

30 50 50

—

-

0,5 0,5 0,5 0,5 1,0 0,5 1,0 1,5

35

0,2

1,0

— —

4,0 1,5 2,5

—

De gevoeligheid, wanneer de vorm en de grootte van de deeltjes verschillen, voor de energie-overdracht van de spoel in de „propulsor" naar de deeltjes, is zo groot dat de metalen uit gemengd schroot onderling niet goed gescheiden kunnen worden. Een scheiding van de niet-metalen en de ijzeren deeltjes van de non-ferro metalen is echter zeer goed mogelijk. Slechts wanneer eenvoudige mengsels, welke door a/p bepaald wordt, aan de propulsor worden toegevoerd, is een goed scheidingsresultaat te bereiken. De verticale eddy-stroomscheider Eddy-stroomscheiders welke uitgevoerd zijn met permanente magneten, hebben het voordeel dat ze eenvoudig zijn, weinig kosten en geen energie verbruiken. Eén van de eerste praktische uitvoeringen is de „ramp separator", ontwikkeld door Raytheon (ref. 13.). De verticale eddy-stroomscheider (V.E.C.S.) is door het Laboratorium voor Ertstechnologie ontwikkeld. De geometrie van het magneetveld is zo gekozen om de invloed van de vorm van de deeltjes zoveel mogelijk te elimineren. Een vereenvoudigde tekening hiervan is in (fig. 3) gegeven. Ook de V.E.C.S. is

18 VERTICAL SYMMETRIC

EDDY

CURRENT SEPARATOR

figuur 3

minder bruikbaar voor het scheiden van complexe metaalmengsels, zoals de eerder genoemde niet-magnetische fractie verkregen uit autoschroot. De fracties welke echter uit de DSM-instaUatie komen, kunnen bijzonder goed met een V.E.S.C. verder gereinigd worden. De magnesiumfractie is verontreinigd met rubber en de aluminiumfractie is verontreinigd met glas en koperdraad met isolatie, omdat beide materialen hetzelfde soortelijk gewicht hebben als aluminium. Voor deze beide fracties is een prototype scheider gemaakt welke opgebouwd is uit twee verticale platen van 2000 (mm) x 600 (mm) met op elk der platen 50 magneetstrips met wisselende polariteit onder een hoek van 45° met de verticaal en een afstand in de luchtspleet tussen de magneetstrips met een wisselende polariteit van 60 (mm). De magnesiumfractie bevat tot 50% rubber en plastic en geen magnetisch materiaal.

19 Het laatste is zeer belangrijk, omdat anders door de afwezigheid van een afvoermogelijkheid na korte tijd de scheider met magnetisch materiaal verstopt zou raken. Voordat het materiaal aan de V.E.C.S. wordt toegevoerd wordt het te grote materiaal afgezeefd. Na scheiding met de V.E.C.S. is praktisch al het rubber uit het magnesium verwijderd, zoals in tabel 7 te vinden is. Tabel 7

gew. % voeding Magnesium Rubber

53 47

produkt grade recovery

grade

recovery

93,4 6,6

9,5 90,5

8,3 92,4

91,7 7,6

stort

De aluminiumfractie uit het DSM-proces bevat meer dan 90% aluminium en zijn legeringen en het overloopprodukt kunnen na afzeving direct verkocht worden. Het aluminiumaandeel in de onderloop is nog zo groot, dat dit met een V.E.C.S.systeem succesvol nagereinigd kan worden (tabel 8). Tabel 8

gew. % voeding Aluminium Glas en steen Koperdraad

62 35 3

produkt grade recovery

grade

98 1,3 0,7

12 84 4

90 3 15

stort recovery 16 97 85

De zware fractie met een soortelijke dichtheid groter dan 2900 (kg/m^) van de non-ferro metalen bevat lood en roestvrij staal tezamen met koper, messing en zink. Met behulp van een V.E.C.S.-systeem kan nu het roestvrij staal en lood gescheiden worden van het koper, messing en zink. Het materiaal dat voor een test gebruikt is, bevatte 6% lood en 5% roestvrij staal. Na de scheiding was geen „vrij" lood en roestvrij staal aanwezig in het concentraat. In een praktische uitvoering van een dergeUjk scheidingssysteem moet een afvoer voor de magnetische fractie — 6% in dit geval — worden aangebracht. Het magnetisch deel komt in de zware fractie door de gedeeltelijke vrijmaking, zoals bijvoorbeeld een ijzeren bout in messing en de onvolkomenheden van de voorafgaande magneetscheiding. Conclusie Door de combinatie van zwaartekracht- en eddy-stroomscheiders is het mogelijk de kwahteit van de produkten afkomstig uit de non-ferrofractie van autoschroot te verbeteren en het verlies van metalen in de stortrest te verminderen. De beschreven eddy-stroomscheiders zijn in staat om met geringe kosten en geen of weinig energieverbruik eenvoudige mengsels van metalen of van metalen en niet-metalen te scheiden. Voor elk materialenmengsel is het echter noodzakelijk de optimale maten van het V.E.C.S. te bepalen.

20 Referenties 1. Future metal strategy. The Metals Society, London, Book 265, aprU 1980. 2. Mahoney, L.R. and Harwood, J.J., The automobile as a renewable resource. Resources policy, 1, no. 5, sept. 1975, 253-65. 3. Kellogg, H.J., J. Met., 1976, 28, (12), 29-32. 4. Wutz, M., Recychng - Technologies and cycling of materials in the field of motor vehicles. In the Proceedings of the Intern. Symposium Recycling Berlin '79. Berlijn, okt. 1979,1296-1302. 5. Dreissen, H.H. and Basten, A.T., Reclaiming products from shredded junked cars by water only cyclone and heavy medium cyclone processes. Proceedings of the 5th Mineral Waste Utilization Symposium, Clucago, april 1976, 378. Proceedings of the 1st Intern, Symposium Materials and Energy from Refuse, Antwerpen, okt. '76, 163. 6. Absil, J.H., Reeves, P.C, Basten, A.T, and Dalmijn, W,L. Resource recovery from U.S. incinerator residue by water only cyclone process and heavy medium process. In the proc. o f t h e Intern. Symposium Recycling Berlin '79, Berlijn, okt, 1979, 553-8, 7. Morey, B, and Rudy, S,, Aluminium recovery from municipal trash by linear induction motors, AIME 103rd Annual Meeting, feb, 1974. 8. Sommer, E.J. jr. and Kenny, G.R., An electromagnetic system for dry recovery of non-ferrous metals from shredded municipal solid waste. In proc. of the 4th Mineral Waste Utilization Symposium, Chicago, mei '74, 77-84, 9. Schlömann, E. and Reimer, M., Non-ferrous metal separators for small particles. IEEE TRANSACTIONS on magnetics, vol, 15, no, 6, nov, 1970, 10. Dalmijn, W.L., Voskuyl, W.P.H., and Roorda, H.J., Recovery of aluminium alloys from shi-edded automobiles. Proc. of the Intern. Symposium Complex MetaUurgy 1979, Bad Harzburg (IMM-GDMB), 75-81. 11. Schlömann, E., Separation of non-ferrous metals in automobile scrap by means of permanent magnets. Proc. of the 6th Mineral Waste Utilization Symposium, Chicago, mei 1978, 391-401. 12. Dalmijn, W.L,, Voskuyl, W.P.H., and Roorda, H.J., Low-energy separation of non-ferrous metals by eddy-current techniques. In the Proc, of the Intern, Symposium Recycling Berlin 1979, BerUjn, okt, 1979, 930-3. 13. Schlömann, E., Separation of non-magnetic metals from solid waste by permanent magnet I Theory I I Experiments on circular discs. Journal of Applied Physics, vol. 46, no. 11, november 1975.

VERVOER VAN GEVAARLIJKE STOFFEN door N. Lamme 1. Inleiding De negentiende eeuw kenmerkte zich door een snelle technologische ontwikkehng. De uitvinding om stoom te gebruiken als drijvende kracht had allengs een grotere invloed in ambacht, techniek en ook het vervoer (stoomschepen, spoorwegen), Ook de chemische kennis nam snel toe: Justus Liebig gaf de grote stoot aan de ontwikkehng van kunstmatige meststoffen (toen voor de landbouw - hoofdmiddel van bestaan — een grote stimulans) en in de tweede helft van die eeuw deed Alfred Nobel zijn baanbrekende uitvindingen op het gebied der springstoffen. 2. Het spoorwegtijdperk Deze nieuwe produkten moesten vervoerd worden en daarvoor kwamen in Europa toen vooral de spoorwegen in aanmerking. Daar de bereidingswijze der springstoffen nog niet volmaakt was, deden zich bij het transport herhaaldelijk ernstige ongelukken voor, zodat de spoorwegmaatschappijen, die een vervoerpUcht voor alle goederen hadden, er bij de regeringen op aandrongen maatregelen te treffen om hen te vrijwaren van dit gevaar. Deze vervoerphcht was geregeld in een conventie waarbij nagenoeg alle Europese landen waren aangesloten en die algemeen bekend staat als de Berner Conventie. Rond 1880 besloten dan ook deze landen in hun conventie een artikel op te nemen, waarin werd bepaald, dat het vervoer van gevaarlijke stoffen was verboden, tenzij aan een aantal voorwaarden, o.m. op het gebied van stabiliteit, verpakking, kenmerking en belading, was voldaan. Dit zg. „voorwaardelijk" vervoer is tot op heden de rechtsgrond in Europa gebleven voor het vervoer dezer goederen. Rusland en Engeland bleven echter van het begin af buiten dit verdrag en toen het Verenigd Koninkrijk in 1951 besloot zijn „Splendid Isolation" op te geven, maakte het een voorbehoud bekend, dat later een bron van verwikkelingen zou opleveren! 3. De opzet van het internationaal spoorwegverdrag De voorwaarden voor het vervoer der gevaarlijke stoffen werden in een aanhangsel van de „Convention mternationale concernant le transport des marchandises par chemins de fer (CIM)" ondergebracht. Het spreekt vanzelf, dat men begon met de regels voor het vervoer van springstoffen, waar het eigenUjk allemaal mee begonnen was. Geleidelijk werd het aantal groepen (of klassen) der gevaarlijke stoffen uitgebreid, zodat ten slotte 14 klassen bestonden:

Natuurkundige Voordrachten N.R. 61. Lezing, gehouden voor de Koninklijke Maatschappij voor Natuurkunde te 's-Gtavenhage op 20 september 1982.

22 Ia) Ib) Ic) Id) Ie)

Ontplofbare stoffen en voorwerpen; Met ontplofbare stoffen geladen voorwerpen (d.w.z. munitie); Ontstekingsmiddelen, vuurwerk e.d. Gassen. Stoffen, die in contact met water brandbare gassen ontwikkelen.

II

Zelfontbrandbare stoffen.

Illa) Illb) IIIc) IVa) IVb) V VI VII

Brandbare vloeistoffen; Brandbare vaste stoffen; Oxiderende stoffen; Giftige stoffen; Radioactieve stoffen; Etsende (corrosieve) stoffen; Walgingwekkende en infectueuse stoffen; Organische peroxiden;

Deze lijst werd natuurlijk langs lijnen der geleidelijkheid bereikt: gemiddeld éénmaal per tien jaar werd door een groep experts van de verschillende landen het aanhangsel op de gangbare stand der wetenschap bijgewerkt, wat in het algemeen gepaard ging met een flinke uitbreiding van de tekst. Na 1956 is het Aanhangsel een meer zelfstandig leven gaan leiden en algemeen bekend geraakt onder de afkorting RID (iïeglement mternational concernant le transport des marchandises liangereuses par chemins de fer). Oorspronkelijk gold het principe, dat alléén die stoffen ten vervoer waren toegelaten, die in het Aanhangsel met name waren genoemd (z.g. gesloten klassen). Andere, onder deze definitie van de klasse vallende stoffen, zijn dus niet toegelaten tot het vervoer. Toen echter steeds meer groepen gevaarlijke stoffen moesten worden opgenomen, bleek deze bepaUng echter te restrictief en men besloot, te beginnen met klasse Illa) als „Leitmotiv" te kiezen het feit, dat uitsluitend die stoffen van deze klasse voorwaardelijk mochten worden vervoerd, die in de klasse met name waren vermeld of — als groep — waren aangeduid. Andere, onder deze definitie van de klasse vallende stoffen, kunnen dus zonder voorwaarden worden vervoerd (open of vrije klassen). Voor de klassen IVb), V I en V I I (de volgorde der klassen werd in de loop der tijden herhaaldelijk omgegooid) bleef echter het oude principe gehandhaafd. Dit werden dus gesloten klassen. 4. Van spoor naar weg en binnenwater Toen na de tweede wereldoorlog het weg- en binnenwatertransport zeer snel tot ontwikkehng kwam, werd in 1948 de commissie voor de economische ontwikkeling van Europa (ECE) belast om voor deze vervoerstechnieken een reglement voor het vervoer van gevaarlijke stoffen uit te werken, dat onafhankelijk zou werken van allerlei lokale bepaUngen in de verschillende landen. De commissie koos voor de opzet van het RID, met aanpassing van de specifieke eisen aan het vervoermiddel te stellen. Zo ontstond, in de loop van de jaren '60, respectievelijk het ADR (.4ccord européen pour le transport des marchandises Jangereuses par la route) en het ADN (idem, par navigation). Terwijl het ADR reeds een aantal jaren functioneert door voldoende ondertekenaars van het akkoord, verblijft het ADN tot heden nog in de ijskast. Wél van kracht is het ADNR, waarbij de R voor de Rijnvaart staat.

23 5, De zeescheepvaart Na een aantal incidentele regelingen in samenwerking tussen rederijen en regeringen (immers, de kapitein is „schipper naast God" en kan dus zelf eisen stellen of zelfs lading weigeren!) publiceerde men in het Verenigd Koninkrijk kort voor de tweede wereldoorlog een lijst van gevaarlijke stoffen met bijbehorende vervoersvoorschriften. Deze lijst, die ook in klassen kon worden ingedeeld, kreeg naar de kleur van het kaft al gauw de naam van „Blue Book". De lijst was opgesteld op grond van ervaring mét en ongevallen by transporten van gevaarUjke stoffen en werd voor de zeescheepvaart al gauw als richtlijn gebruikt. De lijst was uitputtend, d.w.z. alle stoffen die aan de definitie van een klasse voldeden, werden behandeld. Niet met name genoemde stoffen of groepen van stoffen vielen onder een Ujstnummer n.o.s., (not otherwise specified), waarvan de bevoegde autoriteit de vervoersvoorwaarden moet goedkeuren. Liternationaal was deze regeUng echter niet. Maar toen in 1951 het Verenigd IConinkrijk besloot toe te treden tot het CIM en zijn aanhangsel (zie onder 2.), werd in het toetredingsprotocol een bepaling opgenomen, dat voor alle zendingen naar of van het V.K. rekening zou moeten worden gehouden met de bepalingen van het Blue Book, omdat immers alle vervoer een zeetraject inhoudt. Zo spoedig mogelijk zou een technische commissie van experts uit de kuststaten bijeenkomen om een bruikbaar aanhangsel uit te werken. 6. De prestigeslag Van dit schone plan is echter nooit iets gekomen. Na schuchtere pogingen om tot een oplossing te komen en misschien wel voornamelijk door politieke- en taalproblemen (Engels was geen CIM-taal) wendde het V.K. zich tot de UNO om te komen tot een regeUng voor het vervoer van gevaarlijkse stoffen, die/„Woridwide" zou kunnen gelden. Dit voorstel werd acclamatief door de UNO begroet en het Verenigd Koninkrijk accepteerde gaarne de vererende uitnodiging om voorstellen voor een dergelijke aanbeveHng (UNO schrijft n.l. niets voor, maar doet aanbeveUngen) voor te bereiden. In een beperkte groep, waarin voornameHjk deskundigen uit de V.S., het V.K., Zweden en enkele andere hoog geïndustrialiseerde landen zitting hadden, volbracht het V.K. de opgedragen taak en in 1957 accepteerde de plenaire vergadering van de verenigde naües deze aanbevelingen met het verzoek aan al zijn leden (dus ook de Europese staten!) in het vervolg bij de voorschriften voor het vervoer van gevaarlijke stoffen met deze aanbeveUngen rekening te houden. Bij nadere beschouwing bleek, dat de aanbevelingen veel geUjkenis vertoonden met de opzet van het Blue Book... Door de afwijkende benadering bracht dit de Ud-staten van het CIM en de daarvan afgeleide akkoorden ADR en ADN(R) in grote moeilijkheden. Een harmonisatie met de aanbeveUngen is weUswaar onderweg, maar nog lang niet voltooid. Wél zijn de nieuwe nummering der klassen en de etikettering overgenomen, terwijl aan harmonisatie van definhies en unificatie van verpakkingsvoorschriften wordt gewerkt. De nieuwe klassenindeling is nu als volgt: 1. Explosieve stoffen (RID, ADR, ADN en ADNR vooriopig onderverdeeld in la), b), c). 2. Gassen. 3. Brandbare vloeistoffen,

24 4.1 4.2 4.3 5.1 5.2 6.1 7. 8. 9.

Brandbare vaste stoffen. Zelfontbrandbare stoffen. Stoffen, die met water brandbare gassen ontwikkelen. Oxiderende stoffen. Organische peroxiden. Giftige stoffen. Radioactieve stoffen. Etsende stoffen. Andere gevaarlijke stoffen (NB. niet voor raU en weg).

7. Harmonisatie Nu de koers was bepaald werd het zaak dat de verschillende vervoerstakken aan een unificatie van hun voorschriften werken. Het verst gevorderd in de harmonisatie met de aanbevelingen der V.N. is het zeevervoer. Immers, op grond van de SOLASconventie van 1960 (Safety of Life at Sen) moest een internationale regeling uitgewerkt worden voor het vervoer van gevaarlijke stoffen per zeeschip. Hiermee werd een subsidiary body van de UNO belast n.l. de in London gevestigde IMCO* (Intergouvernmental Maritime Consultative Organisation). De aanbeveUngen zijn door de meeste zeevarende landen in hun geheel in hun wetgeving opgenomen. Zij volgen bijna letterlijk de UNO-Recommendations. Ook Nederland heeft in het Handboek gevaarlijke stoffen voor de Zeescheepvaart de IM(C)0-aanbeveUngen overgenomen. Om tot een overgangsregeling te komen heeft men voor aansluitend vervoer van de havens de goederen tot een bepaald gewicht ook toegelaten op de IM(C)0-voorwaarden ook al wijken zij af van de voorschriften voor het landverkeer. Hetzelfde geldt ook in omgekeerde richting. Met alle plannen tot harmonisatie der vervoersvoorwaarden zal zeker nog geruime tijd gemoeid zijn, aangezien het nu eenmaal gemakkeUjker is om aanbevelingen op te stellen dan om deze aanbevelingen in de wetgeving vast te leggen. Men zal zich nog een tijd moeten behelpen met overgangsmaatregelen van de soort, als hierboven reeds aangegeven. 8. De luchtvaart Het is de bedoehng dat de ICAO, een soortgelijke organisatie voor de luchtvaart als de IM(C)0 voor de zeescheepvaart, regelingen zal gaan opstellen gebaseerd op de aanbevelingen van de Verenigde Naties. Hiermee zal nog wel enkele jaren gemoeid zijn. Tot nu toe bestaat een lijst van „Restricted Articles" op het gebied van de luchtvracht, opgesteld door de organisatie van burgerluchtvaartmaatschappijen lATA (International Air Transport Association), die jaarlijks wordt herzien. Vanzelfsprekend zijn de aanbevelingen in vele gevallen zéér specifiek gericht voor het vervoermiddel en de hoeveelheden meestal aanzienlijk geringer. 9. De binnenlandse (nationale) wetgeving a. Veiyoer over de spoorweg Op grond van de Spoorwegwet kon men het Aanhangsel tot het CIM gemakkelijk assimileren binnen deze wet, zij het dan dat men gedeeltelijk rekening had te houden met de bestaande Buskruhwet van 1887, die betrekking had op ontplofbare stoffen en vloeibare brandstoffen (N.B. niét brandbare vloeistoffen!) Wijzigingen * Tegenwoordig wordt de C weggelaten, dus IMO

25 in liet RID kunnen op grond hiervan ook op tameUjk eenvoudige wijze worden ingevoerd. b. Vervoer over de weg Oorspronkelijk bestond er voor het wegvervoer niet veel anders dan bovengenoemde buskruitwet, zodat men b.v. wel een Benzinebesluit voor het vervoer van vloeibare brandstoffen kon vaststeUen, maar geen algemeen omvattende regelen en wetten kon afkondigen. In 1968 werd echter een If et Gevaarlijke stoffen van kracht, waarbij een kapstok ontstond voor het wegvervoer (VLG, vervoer over /and van gevaarlijke stoffen) en het binnenwatervervoer (VBG, vervoer over de binnenwateren van gevaarlijke stoffen). Het VLG is grotendeels gelijkluidend aan het internationale ADR, het VBG aan het ADNR, aangezien, zoals mteengezet, het ADN nog niet van kracht is. Het is de bedoehng de Wet Gevaarlijke Stoffen (WGS) zódanig te herzien, dat in de toekomst aUe vervoerstakken, dus óók spoorweg en luchtvaart, onder deze wet zullen ressorteren, voor zover het het vervoer van gevaarlijke stoffen betreft. Voorlopig valt het spoorwegreglement VSG nog onder de spoorwegwet. c. Ven'oer per zeeschip Nadat oorspronkeUjk in het Handboek Gevaarlijke stoffen het Blue Book vrij nauwkeurig werd gevolgd, baseert men zich thans nagenoeg geheel op de aanbevelingen van de IM(C)0, zoals onder 7 reeds is uiteengezet. d. Luchtvracht De Rijksluchtvaartdienst beziet, aan de hand van de Hjst „Restricted Articles", nauwkeurig of verantwoord vervoer per passagiers- of vrachtvliegtuig mogeUjk is. Zodra de aanbevehngen van de ICAO zullen zijn gepubliceerd, zullen, op grond van de dan uitgebreide WGS, de voorschriften een soortgehjke wetsgrondslag verkrijgen als voor water en weg. 10. Conclusie De ontwikkeling van de technologie gaat nog steeds zeer snel. Denk aan nieuwe verpakkingen, containerschepen, palletisering enz. Het is niet eenvoudig voor alle nieuwe zaken een aanvaardbare wettelijke basis te vinden. Daarom vergen beslissingen vaak veel tijd. Dit wordt veelvuldig aan de deskundigen verweten. Toch is alle kritiek niet altijd terecht. Moge het voorgaande U een indruk hebben verschaft over de complexiteit van de materie.

WINDENERGIE IN NEDERLAND door T.J. van Deijl 1. Inleiding De huidige energievoorziening in Nederland wordt voor praktisch 100% door fossiele brandstoffen verzorgd. Het aandeel van duurzame energiebronnen, bezien op een termijn van 20 jaar, kan naar schatting 110—115 PetaJoule bedragen (Peta = 10'^. Gerelateerd aan het binnenlandse verbruik van 1981 betekent dit een bijdrage van 4 a 5%. De aanduiding duurzame energie wordt gehanteerd voor de energie die wordt geleverd door onuitputtelijke of hernieuwbare energiebronnen. Het gaat daarbij om zonne-energie, waterkracht en biomassa. Door hun onuitputtelijke karakter onderscheiden deze bronnen zich van de energiegrondstoffen zoals olie, aardgas, steenkool en uranium die slechts in eindige hoeveelheden op aarde voorhanden zijn. TOEKOMSTIGE Duurzame

energie

— Energie uit zonnestraling -

Wind

HUIDIGE Nieuwe ontwilckelingeu met eindige bronnen

Eindige

a.

a.

Delfstoffen

— Wervelbedverbranding

bronnen

Delfstoffen

— Steenkool — Aardgas

— Energie uit temperatuurverschillen in de zee

— Kolenvergassing — Vloeibare steenkool

— Stromend water — Energie uit organische stoffen

-

Olie

-

Turf

— Teerzand b. Overige

b. Overige

— Kernfusie

— Kernsplijting Duurzame

— Getijdenenergie

energie

— Stromend water

— Geothermische energie

Energiebronnen in de wereld Natuurkundige Voordrachten N.R. 61 Lezing gehouden voor de Koninklijke Maatschappij voor Natuurkunde Dihgentia te 's-Gravenhage op 4 oktober 1982

28 Het toepassen van duurzame energiebronnen heeft verschiUende voordelen: a. Weinig invloed op het miUeu; b. inzet van duurzame energiebronnen resulteert in een vergroting van de onafhankelijkheid van het buitenland; c. investeringen in windenergie hebben een gunstig effect op de betaUngsbalans; d. stimulans voor innovatieve activiteiten door de Nederlandse industrie; e. gedecentraliseerde energievoorziening op kleine schaal mogelijk. Milieuaspecteti Een vergelijking van de afvalprodukten, welke ontstaan tijdens de elektriciteitsproduktie van een windturbine met een geïnstalleerd vermogen van 50 kW gedurende 30 jaren (n.l. de levensduur van een windturbine-instaUatie) en de afvalprodukten welke ontstaan bij vergelijkbare elektriciteitsproduktie door een kolencentrale, levert de volgende tabel*: AFVALPRODUKTEN van een kolencentrale

AFVALPRODUKTEN van een 50 kW Windmolen*) Levensduur 30 jaren

28.421 kg -SOx 8.509 kg -NOx 965 kg — Vliegas -CO 2.017 kg -Cl 877 kg 175 kg — Fluor 87 kg - CxHx 438 gram — Kwik 614 gram -Se (Gegevens ontleend aan de Energienota)

Afgewerkte olie 1000 liter

Elektricheits-produktie van 3.000.000 kWh. *) In deze tabel is het maximale vermogen opgegeven. De molen levert, afhankelijk van de windsterkte gemiddeld veel minder, terwijl mechanische, aërodynamische en elektrische verliezen het rendement eveneens nadelig beïnvloeden.

Elektriciteitsproduktie in Nederland Het totale energieverbruik in Nederland bedraagt ca. 90 miljard kubieke meter aardgasequivalent per jaar. Deze hoeveelheid kan men als volgt onderverdelen: 1. Woningverwarming : 19% 2. Gebouwensector : 11% : 25% 3. Industriewarmte 4. Elektriciteitsproduktie : 19% 5. Verkeer, grondstof. raffinage en vergassings: 26% verlies Totaal

100%

29 De elektriciteit wordt op dit moment verzorgd en geleverd door: — Kolencentrales, — Aardgascentrales, — Kerncentrales, met een totaal opwekkingsvermogen van ca. 16.000 MW. In 1981 bedroeg de maximaal opgetreden piekbelasting ca. 10.000 MW. Bij een reservevermogen van 12,5% zouden we aan een geiiistalleerd vermogen van 12.500 MW thans genoeg hebben. Door invoering van energiebesparende maatregelen en de toepassing van TotalEnergie-installaties (Warmte-krachtkoppeling) zou het benodigde opwekkingsvermogen van de conventionele centrales in de toekomst verlaagd kunnen worden. Voorts zou dan een groot deel van het resterende benodigde vermogen door middel van windenergie gedekt kunnen worden. Deze bijdrage wordt voor het jaar 2000 geschat op 2000 a 7000 MW, afhankelijk van de teclmische, economische en politieke ontwikkelingen. Potentieel Een bijzondere plaats onder de duurzame energiebronnen neemt windenergie in, omdat deze zeer geschikt is voor elektriciteitsopwekking. Bovendien vraagt het gebruik van windenergie een betrekkelijk „eenvoudige technologie", welke snel, mhs de pohtieke wil daartoe aanwezig is, in de huidige maatschappij kan worden ingevoerd. De overheid voert met subsidies een actief beleid op het gebied van onderzoek en ontwikkeling. Knelpunten op bestuurlijk en juridisch terrein, die een optimale benutting van de bronnen beperken of onmogelijk maken, moeten uit de weg worden geruimd. Uit het Nationaal Onderzoek Windenergieprogramma is de belangrijke conclusie gekomen, dat inpassing van 2000 MW windenergie in het jaar 2000 in principe mogelijk is. Type

gemiddeld^ vermogen (kW)

aantal

jaarlijkse elektriciteitsproduktie (min. kWli)

Kleine windturbines Middelgrote windturbines Grote windturbines

2 80 500

10,000 5.000 1.000

40 800 1,000

16.000

1,840

Totaal

Schatting van het aantal windturbines voor decentraal gebruik omstreeks het jaar 2000, Bron: Deelrapportage windenergie, commissie duurzame energie. 2, Principe werking van een windmolen De oude Hollandse windmolen heeft vier wieken. De moderne windmolen, ook wel windturbine genoemd,heeft meestal 2 of 3 wieken (Figuur 1), ontworpen volgens de aërodynamische wetten voor vleugelprofielen, zoals die bekend zijn uit de vliegtuig-

1) gemiddeld over een aantal verschillende soorten turbines.

30

31 bouw. Vergeleken bij de oude Hollandse windmolens kunnen de moderne windturbines een veel groter vermogen uit het windvangend oppervlak halen en met een geringer materiaalverbruik vervaardigd worden. De huidige commercieel aangeboden windturbine heeft een diameter tussen 5 en 16 meter. Het vermogen varieert van 5 tot 60 kW. De kinetische energie van de wind wordt hierbij door middel van wieken als rotatieenergie in de gondel gebracht. De rotoras maakt ca. 50—150 omwentelingen per minuut. Door middel van een tandwielkast wordt dit toerental opgevoerd tot 750—1800 toeren per minuut en overgebracht op een gelijk- of wisselstroomgenerator. Het theoretisch maximum voor het mechanisch vermogen dat de rotor per vierkante meter windvangend oppervlak aan de wind ontleent, bedraagt P = ^27 Pkin^ 16 • y2(pv)v'. 27 Rekening houdend met aërodynamische en mechanische verliezen en voor de dichtheid van lucht p = 1,15 kg/m^ invullend, komen we tot de vuistregel voor middelgrote molens P = 0,23 v^ watt per m^, waarin v = windsnelheid in m/sec. Als windvangend oppervlak A dient in rekening te worden gebracht A D^, waarin D de diameter van de rotor voorstelt. Hierbij valt op, dat het beschikbare vermogen, ontleend aan de wind, sterk afhankelijk is van de windsnelheid. Direct aan de kust hebben we te maken met windsnelheden van 6 a 6,6 m/sec; in het binnenland van 4 a 4,5 m/sec. Dat betekent voor de kust een driekeer zo groot gemiddeld vermogen als in het binnenland. Bij een windsnelheid van 3 a 4 m/sec start de windturbine en bereikt deze, afhankelijk van de uitvoering van de molen, het hoogste vermogen bij windsnelheden van 8 a 15 m/sec. Bij windsnelheden van meer dan 18 a 20 m/sec wordt de turbine uit de wind gedraaid of de rotor stilgezet. Deze toestand doet zich slechts enkele uren per jaar voor. Bovendien heeft het geen zin de hoge windsnelheden te benutten, omdat de huidige voor dit doel beschikbare generatoren dat grote vermogen niet kunnen leveren. Jaaropbrengst Den Helder voor de daar op te steUen molen Windsnelheid V(m/s)

generator output P (watt) Pgem (watt)

Tijd (uren/jaar)

Opbrengst (IcWli)

4,7-5 5-6 6-7 7 -8 8 -9 9 - 10 1 0 - 11 1 1 - 12 1 2 - 13 1 3 - 14 1 4 - 15 1 5 - 16 1 6 - 17 1 7 - 18 1 8 - 19 1 9 - 20

O- 25 25-100 100-160 160-215 215-255 255-295 295-325 325-350 350-375 375-395 395-415 415 415 415 415 415

372 946 876 806 736 604 508 420 350 263 193 131 88 35 18 10

4,675 59,125 113,880 151,125 172,960 166,100 157,480 141,750 126,875 101,255 78,165 54,365 36,520 14,525 7,470 4,150

12,5 62,5 130 187,5 235 275 310 337,5 362,5 385 405 415 415 415 415 415

Totaal

1390,420

32

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

Figuur 2 De variatie van de energieopbrengst van een windturbine in Den Helder. De meest ideale plaats voor een windturbine is in het vlakke land, direct aan de kust gelegen. De masthoogte voor een windturbine met een diameter van 10—15 mkan in dit geval ca. 12—15m bedragen. In het binnenland zal de masthoogte bij een beboste omgeving ca. 18—30 m moeten bedragen om enig rendement van de windturbine te kunnen verkrijgen. In Breda bijv. heersen op 40 m hoogte ongeveer dezelfde windsnelheden als op 10 m hoogte aan de kust. De windsterkten variëren zeer sterk, zelfs de jaargemiddelden over een lange periode. Figuur 2 geeft een beeld van de verhouding van de energieopbrengst ten opzichte van de mediaan in achtereenvolgende maanden van een jaar. De windenergieopbrengsten bedragen in het winterhalfjaar ongeveer het dubbele vergeleken bij het zomerhalfjaar. Het elektriciteitsverbruik verloopt hier parallel mee. Dit is een gevolg van de verlichting, pompverbruik van de CV. en elektrische verwarming.

3. Toepasbaarheid De economische betekenis van een windturbine is afhankelijk van 3 factoren: a. het windregiem. b. de bedrijfstijd. Een windmolen is pas rendabel als het bedrijf het grootste gedeelte van de elektrische energie zelf kan benutten en slechts een klein gedeelte van deze energie behoeft terug te leveren aan het openbare net. De huidige windturbines worden praktisch alle aan het openbare net gekoppeld, zodat overtollige energie kan worden teruggeleverd. Bij windstilte is men verzekerd van elektriciteitsproduktie door het openbare net. De inkoopprijs bedraagt 16—30 cent/kWli. De terugleverprijs ca. 8—13 cent/kWh. c. de tariefstructuur. De elektriciteitsprijzen variëren per verzorgingsgebied zeer sterk. Een windturbine in een „duur" verzorgingsgebied is dan ook eerder rendabel.

33 Daar de bedrijven begunstigd worden met een W.I.R.-subsidie op de investeringen (ca. 40%) en daarnaast de B.T.W. terug kunnen vorderen zijn windmolens alleen voor bedrijven rendabel. Op dit moment zijn commerciële molens tot 16 m diameter verkrijgbaar. De energieopbrengst van deze molens bedraagt per jaar: Diameter

Binnenland

Kust

lOm 15 m

10.000-15.000 kWli 25.000-40.000 kWh

25.000-35.000 kWlr 60.000-90.000 kWh

Deze molens worden benut in de volgende sectoren: — koelhuizen, — zwembaden (pompen), — polderbemaling, — glastuinbouw (ventilatie, C.V., koeling, assimilatieverlichting), — boerderijen (ventilatie, melkmachines, kaasmakerijen), — recreatiecentra (bowHng, sauna's, weekendhuizen). Voor het oppompen van water kan men door middel van mechanische energie direct een zuigerpomp aandrijven. Hiervoor past men een veel-bladige windmolen toe. (figuur 3).

Figuur 3 De Amerikaanse windturbine

34 Deze ziet men veel toegepast in Amerika en Australië. Hiervan zijn er in de loop der jaren honderdduizenden verkocht. Een belangrijke eigenschap van deze molen is, dat hij reeds bij geringe windsnelheden zijn functie vervult. 4. Nieuwe ontwikkelingen De windenergie is op directe of indirecte wijze ook te benutten voor het leveren van warmte. Indirecte wijze: Door een warmtepomp kan warmte onttrokken worden aan bijv. grondwater. Aangedreven door elektrische energie levert deze ca. 2x of 3x zoveel warmte-energie als voor de pomp nodig is. Voorbeeld: Een windturbine met een diameter van 12 m levert per jaar aan de kust ca. 40,000 kWh elektrische energie. Door tussenschakeling van een warmtepomp met grondwater als medium, kan ca. 120.000 kWh warmte verkregen worden. Dit komt ongeveer overeen met 20.000 m^ aardgas. Directe wijze: Men kan de kinetische energie door middel van wrijving direct omzetten in warmte. In de vorige eeuw heeft Joule met dit principe het mechanisch equivalent van de warmte-eenheid gemeten. In een vat met vloeistof brengt men een schoepenstel in een roterende beweging, waardoor wrijvingswarmte vrijkomt. Vergeleken bij de indirecte methode zijn de voordelen van dit systeem: — geringere investeringen, — groter rendement, — weinig storingsgevoeligheid (weinig mechanische en elektrische onderdelen), ~ langere levensduur. Tipvane

Figuur 4 Stromingspatroon rond wiek met tipvanes

35 Een Nederlandse uitvinding is de tipvane-constructie (fig. 4). Zij bestaat uit hulpvleugels, dwarsgeplaatst aan de einden van de wieken. De stand van de tipvane t.o.v. de wiek is zodanig, dat bij roterende beweging van het wiekenstel door een soort venturi-effect, meer vermogen aan de wind onttrokken wordt. Door het venturieffect wordt als het ware de lucht rondom het wiekenstel naar binnen gedrukt. Door dit effect ontstaat er een vermogensvermeerdering, welke vergeleken met een wiekenstel zonder tipvanes, 100% of nog meer kan bedragen. Darrieus-rotor en Giromill De meest toegepaste windturbine is de 2- of 3-bladige molen met horizontale as. Er bestaan echter ook windturbines met een verticale as. De eenvoudigste vorm hiervan is de Savonius-rotor. (figuur 5).

Figuur 6 Darrieus-rotor Bij de Darrieus-rotor (een soort roomklopper, figuur 6) wordt de generator aan de voet van de mast geplaatst. De voordelen van dit constructieprincipe zijn: — geen windvaan nodig, — start onafhankehjk van de windrichting, — de generator met tandwielkast bevindt zich dicht bij de grond. (Dus geen grote gewichten in de top van de mast, gemakkelijk bij onderhoud), — esthetisch aanvaardbaar. Een prototype is door Fokker ontwikkeld. Een verdere ontwikkeling hiervan is te bezichtigen op het Floriade-terrein te Amsterdam.

Bij een giromill worden 2 of meer vleugels in verticale stand aan de omtrek van de installatie geplaatst. Het werkingsprincipe van de Giromill (Figuur 7) is gelijk aan dat van de Darrieus-rotor.

36

Figuur 7 Giromill Multi-Windturbine systeem Een multi-windturbinesysteem is een groepering van kleine of middelgrote gestandaardiseerde windturbines, samengevoegd in een grote torenachtige constructie. (Figuur 8). Daarbij worden, enige draagarmen draaibaar om de mastconstructie gemonteerd, waarop twee of meer kleine v/indturbines met wiekdiameters van 10—20 m kunnen worden bevestigd. Daar de ontwikkeling van de grote windturbinesystemen met wiekdiameters groter dan 25 m (1—3 MW) nog jaren kan duren, (men spreekt van 10—15 jaren) en ook nog niet bewezen is dat de technische problemen economisch opgelost zullen worden, is het idee van de multi-windturbinetoren weer op de voorgrond getreden. In het begin van deze eeuw zijn de eerste ideeën over multiwindturbinesystemen ontstaan. In de jaren 1920—1950 zijn ze uitvoerig door Honnef en Kleinhenz bestudeerd. Door het beschikbaar komen van goedkope energiebronnen (zoals olie en aardgas) zijn deze studies in de vergetelheid geraakt. Sedert 1960 is dit werk weer ter hand genomen.

Figuur 8 Multi-windturbinesysteem

HOGE BLOEDDRUK door W.H. Birkenhager (mede namens P.W. de Leeuw) Begripsbepaling De druk die het bloed op de wand van het hart-vaatstelsel uitoefent, wordt in feite bepaald door de spierspanning in de wand zelf en verscliilt van compartiment tot compartiment. De linker hartkamer perst tijdens een contractie (systole) het bloed onder een druk in de orde van 120 mm Hg de aorta in, waarbij deze druk zich voortplant tot in de slagadervertakkingen (systolische druk). Tijdens de daaropvolgende ontspanningsfase (diastole) daalt de druk in de hartkamer tot omstreeks de nulwaarde. In de aorta stuit het uitgepompte bloed terug op de halvemaanvormige kleppen, waardoor de (diastolische) druk in het bovenste slagaderstelsel op een niveau rond 80 mm Hg gehandhaafd blijft. De eindvertakkingen verhinderen door hun nauwe kaliber dat het bloed te snel wegvloeit, zodat gedurende de gehele hartcyclus een min of meer continue stroom door de haarvaten gewaarborgd wordt. Het woord „bloeddruk" is dan klaarblijkelijk gemakkelijker uitgesproken dan gedefinieerd. Bedoeld worden de systolische en de diastohsche druk in de zogenaamde hchaamsslagaderen of -arteriën (tegenover de longslagaderen, waar veel lagere drukken heersen). Metingen van de bloeddruk De bloeddruk kan zowel direct als indirect gemeten worden. Bij de directe meting wordt de arterie aangeprikt resp. gecatheteriseerd; een transducermanometersysteem maakt een directe registratie van de druk mogelijk. Deze techniek is voorbehouden aan onderzoekcentra. In de praktijk wordt gebruik gemaakt van indirecte metingen. Het principe (sfygmomanometrie volgens Riva Rocci) bestaat uh het beluisteren van de eUeboogslagader met de stethoscoop. Door een manchet om de bovenarm met lucht op te pompen wordt de arterie dichtgedrukt. De druk in de manchet wordt daarop geleidelijk verlaagd (afleesbaar op een kwikkolom). Op het moment waarop tijdens de systole in de arterie een zodanige tegendruk tegen de manchetdruk wordt geboden, dat er een begin van bloeddoorstroming plaatsvindt, wordt de eerste toon gehoord. Bij de verdere daling van de druk in de manchet vult de arterie zich steeds tijdens de systole om tijdens de diastole weer samen te klappen. Dit proces, dat tot toonvorming blijft leiden, stopt, wanneer de arterie ook tijdens de diastole open blijft; het verdwijnen van de tonen duidt er dus op, dat de druk welke men op dat moment in de manchet via de kwikkolom afleest, gelijk is aan de diastoUsche druk. Op deze klassieke methode van bloedrukmeting zijn tal van variaties mogelijk, bijvoorbeeld door de kwikkolom pas afleesbaar te maken na de meting (om beinvloe-

Natuurkundige Voordrachten N.R. 61. Lezing, gehouden voor de Koninklijke Maatschappij voor Natuurkunde Diligentia te 's-Gravenhage op 18 oktober 1982.

40 ding te voorkomen), door de kwikkolom te vervangen door een ander type manometer of door gebruik te maken van microfoons of Dopplersondes met een getalsmatige elektronisch doorgegeven aflezingsraogelijkheid. Bij alle varianten die thans in de industrie worden uitgedacht (m.n. met het oog op gebruik door het publiek) blijft toch de klassieke methode met de stethoscoop en de kwikkolom de „gouden standaard". De systoUsche en de diastoUsche druk worden voor sommige doeleinden omgevormd of omgerekend tot de zogenaamde gemiddelde arteriële druk. Bij directe metingen kan dit geschieden door integratie of „demping" van de drukschommelingen; in geval van een indirecte meting behelpt men zich met een eenvoudige berekening, namelijk door bij de diastoUsche druk een derde van het verschil met de systoUsche druk op te tellen: 120/80 mm Hg wordt aldus 93 mm. Variabiliteit Het bovengenoemde voorbeeld van een bloeddruk geldt als min of meer normatief. De bloeddruk is evenwel een uherst variabele grootheid. Dit geldt uheraard vooral voor de opwaartse richting, maar er zijn ook aanmerkelijke neerwaartse bewegingen mogelijk. Wanneer men het bloeddrukbeloop door middel van automatische apparatuur tijdens de slaap vervolgt, dan blijkt zich tussen middernacht en omstreeks 6 uur in de ochtend een daling met ca. 30% voor te kunnen doen. Anderzijds kunnen tal van biofysische variaties tot bloeddrukstijgingen aanleiding geven, zoals hchamelijke inspanning, audiovisuele prikkels, emoties. Zelfs een geringe spierspanning (adductie van de duim, kauwbewegingen) of geestelijke activiteit (spreken, ondergaan van een bloeddrukmeting) kan al voldoende zijn om de bloeddruk met tientaUen millimeters te laten stijgen. Het is dan ook duidelijk, dat normale en verhoogde bloeddruk elkaar op een glijdende schaal overlappen en niet simpelweg in eikaars verlengde gerangschikt liggen. Er zijn verschiUende voorzorgen genomen om te voorkomen, dat de onderzochte persoon ten onrechte als iemand met bloeddrukverhoging wordt beschreven. De Wereldgezondlieidsorganisatie beveelt aan de resultaten van een eerste onderzoek te laten wegvallen, wanneer het tweede en derde onderzoek aanmerkelijk lagere bloeddrukwaarden te zien geven. Per onderzoek zuUen twee a drie metingen dienen te worden verricht. Op deze basis geldt, alweer volgens de Wereldgezondlieidsorganisatie, een bloeddrukgemiddelde tot 140/90 mm Hg nog als normaal. Bloeddrukverhoging begint bij 160/95 mm Hg. Het grensgebied tussen deze waarden geldt als „borderline" hypertensie. Wanneer men het inleidende ritueel verwaarloost, zou bij 20% van de volwassenen de diagnose bloeddrukverhoging worden gesteld. Helaas zijn vele artsen en insteUingen nog gewend het op een eerste confrontatie met de onderzochte te laten aankomen. Betekenis van bloeddrukverhoging voor gezondheid en levensverwachting Met het bovenstaande wordt overigens niet ontkend dat een eerste meting van betekenis kan zijn. De vooruitzichten inzake het hartvaatstelsel worden wel degelijk medebeinvloed door de bloeddruk, zoals deze „bij gelegenheid" („casual reading") gevonden wordt. Het is echter zaak een puur reflexmatige bloeddrukstijging ten gevolge van een eerste contact (,,curiosity reflex") te onderscheiden van habituele bloeddrukverhogingen. Het „ongezonde" van bloeddrukverhoging schuilt in een versnelde mechanische be-

41 schadiging van het hartvaatstelsel. De linker hartkamer wordt chronisch overbelast, waardoor een ongewenste verdikking van de hartspier ontstaat. Dit is vooral ongewenst, omdat de vereiste versterking van de hartspierdoorbloeding uitblijft. De slagaderen, waaronder de kransslagaderen (die het hart van bloed voorzien) worden namelijk eveneens door de inwerking van de verhoogde di-uk gedupeerd, in de vorm van verdikking van de vaatwand. De binnenbekleding van het vat kan dusdanige slijtplekken vertonen, dat daarop stoUingsmateriaal wordt afgezet. Hierdoor kunnen arterietakken zelfs worden afgesloten. Hersenen en hartspier zijn in dit opzicht kwetsbaar, omdat zelfs een beperkte uitval van de bloedvoorziening voor de functie van deze organen vérstrekkende gevolgen kan hebben. De mechanische schade door bloeddrukverhoging is tot in de klemste arterievertakkingen merkbaar. De arts kan dit rechtstreeks waarnemen door onderzoek van het netvlies met behulp van de oogspiegel. Ook de nier is voor dergelijke vaatveranderingen zeer gevoelig. Prospectieve onderzoekingen hebben aangetoond dat bloeddrukverhoging een der ernstigste risicofactoren vormt inzake het ontstaan van orgaangerichte hartvaatziekten op arteriosclerotische basis („attaque", hartinfarct, falen van hart en nieren) met alle kwalijke gevolgen voor validiteit en overlevingskansen. Het meest bekende en steekhoudende onderzoek is en wordt uitgevoerd in Framingliam nabij Boston. Uit dit onderzoek is o.m. gebleken, dat er van de bloeddruk een vermeningsvuldigingsfactor uitgaat, wanneer andere risicofactoren (leeftijd, mannelijk geslacht, verhoging van sommige vetfracties in het bloed, cigaretten roken) mede in beschouwing worden genomen. Een factor 10 inzake het risico, resp. een levensverkorting met 15-20 jaar is bij een bepaalde constellatie van verzwarende omstandigheden geen uitzondering. (Op de vraag in hoeverre het verzwaarde risico d.m.v. bloeddrukverlaging nog ten gunste te beïnvloeden is, wordt aan het einde van dh verslag ingegaan), Normale en abnormale bloeddrulcregulatie Daar normale en verhoogde bloeddruk een continuum vormen, komen in principe alle factoren die een bijdrage leveren aan de opwekking van de bloeddruk als zodanig, in aanmerking, wanneer men de oorzaak van bloeddiTikverhoging poogt te achterhalen. De druk die het bloed op de arteriewanden uhoefent (en omgekeerd) wordt bepaald door de vullingsgraad van het arteriële systeem alsmede de intrinsieke spier- en vezelspanning in de wanden. De vullingsgraad wordt bepaald door aan- en afvoer (d.w.z. de hartslag en de eindweerstand), de intrinsieke wandspanning door de mate van samentrekking van de spierrok (tegehjkertijd verantwoordelijk voor de emdweerstand) en de elasticiteit van de bindweefselvezels. In dit samenspel zijn de hartslag (en het daaruit voortvloeiende hartminuutvolume) en de eindweerstand (in de kleinste arterietakjes, de arteriolen) de belangrijkste variabelen. Het hartminuutvolume is in de eerste plaats afhankelijk van de vulling van het gehele vaatstelsel en daarmee van het volume van de lichaamsvloeistof. In de tweede plaats luistert de hartspier naar impulsen vanuh het autonome zenuwstelsel. Positieve impulsen worden aangevoerd via het adrenerge systeem (circulerende catecholaminen vanuh het bijniermerg alsmede lokale catecholaminen geproduceerd door de zenuwuheinden), negatieve (dempende) impulsen vanuh de N. vagus. Poshieve prikkels en neutraUsatie van negatieve impulsen doen zich voor wanneer sensorische elementen in de wand van de hartspier en de grote arteriën in de bovenste lichaamshelft gewaar worden dat de vulling met bloed beneden peil raakt. De eindweerstand in de arteriën staat eveneens onder invloed van het adrenerge

42 systeem, waarbij de afscheiding van noradrenaline bij ondei-vuUing van de arteriën de belangrijkste schakel vormt. Daarnaast bevordert het octapeptide angiotensine II de contractietoestand van de spierrok. Het angiotensine II ontstaat in de bloedbaan en de vaatwand onder invloed van een cascade van enzym-effecten. Het belangrijkste enzym, het zogenaamde actieve renine, wordt in de nier geproduceerd door endocriene cellen in de spieriaag van de arterietakjes nabij de glomeruU (urinefihers). De secretie van renine wordt teweeg gebracht door prikkeling van sensorische elementen in de directe nabijheid van de bewuste cellen. Daarnaast vindt een versterking van de afscheiding plaats door adrenerge stimulatie van de zogenaamde |3-receptoren, eveneens in de dhecte omgeving van dh produktie-apparaat gelegen. Het angiotensine I I , het eindprodukt van dh proces, leidt niet alleen tot directe samentrekking van de vaatwand, maar activeert ook het adrenerge systeem. Voorts stimuleert deze stof de vorming van aldosteron door de buitenste bijnierschors-cellen. Aldosteron zet de nieren aan tot conservatie van natrium en verspilling van kalium. Het consei-veren van natrium door de nieren betekent dat onder invloed van het hormon vasopressine tevens water wordt opgespaard. Aldus ontstaat een vergroting van het volume van lichaamsvloeistof, met inbegrip van de vulling van het hartvaatstelsel. Het bovengenoemde hormon vasopressine, dat in de hypofyse achterkwab wordt geproduceerd onder invloed van de osmotische dmk van de extracellulaire vloeistof en in geval van een neiging tot ondeiTuUing van het vaatstelsel, fungeert tevens als tonicum voor de vaatspierrok, naast de meergenoemde catecholaminen (m.n. noradrenahne) en het angiotensine I I . Er bestaat dus een zeer ingewikkeld, zich onderling vermenigvuldigend, actiepatroon van een aantal drukverhogende systemen. Deze effecten worden onder ideale omstandigheden in balans gehouden door negatieve feedbackmechanismen alsmede onder invloed van vaatverslappende factoren zoals bradykinine en sommige prostaglandines (lokale hormonen). Er is een begin gemaakt met de onderkenning van een tenminste even gecomphceerde organisatie van hormonale kettingreacties in de hersenen. Hierbij lijken neuroaminen en neuropeptiden dikwijls een dubbelrol te spelen, naarmate zij ook elders in het lichaam functioneren, De regulatie van vloeistofbalans, hartminuutvolume en vaatwandtonus zal in geval van bloeddrukverhoging op enigeriei wijze verstoord zijn. In uhzonderlijke situaties (rond 5% van het bestand van mensen met hypertensie) is het oorzakeUjke mechanisme redelijkerwijs te onderkennen. Zo is de bloeddrukverhoging bij nierafwijkingen soms duidelijk toe te schrijven aan een ziekelijke stimulatie van het renineangiotensine systeem, soms eerder aan een onvermogen van de nier om een adequate uitscheiding van vloeistof en zout te verzorgen. Bij een gezwel van het bijniermerg (phaeochromocytoom) is een overproduktie van stoffen als noradrenaline een aanwijsbare oorzaak, terwijl een gezwel van de buitenste laag van bijnierschors via een overschot aan aldosteron (en de werking daarvan op de nieren) tot overmatige vaatvulling leidt. In de overige gevallen van bloeddrukverhoging (onverklaarbare, resp. essentiële hypertensie), moeten wij het vooralsnog met hypothetische oorzaken stellen. Deze zijn alle min of meer te relateren aan het hierboven besprokene. Pogingen om zulke factoren als het renine-angiotensmesysteem resp, het adrenerge systeem (als meest effectieve bloeddrukverhogende principes) rechtstreeks voor het ontstaan van essentiële hypertensie aansprakeUjk te steUen, hebben tot dusver echter gefaald. Bij dergeUjke onderzoekingen wordt dikwijls de fout gemaakt, dat oorzaak en ge-

43 volg worden verward. Het blijkt, dat in het beloop van het hypertensieproces secundaire functieveranderingen kunnen ontstaan, die de schijn kunnen wekken van oorzakelijke betekenis te zijn. Het zuiverste onderzoekobject is het allereerste begin van hypertensie. Tijdens een vergeUjkend onderzoek bij twee groepen van 20-jarige mannen, waaronder een groep met normale bloeddrukwaarden en een groep met lichte verhogingen van voornameUjk de systolische druk, kon op onze afdehng geen verschil worden aangetoond in het gehahe van noradrenaline, actief renine of aldosteron. Wij staan hier echter nog aan het begin van een lange onderzoeksroute. Het is bovendien denkbaar, dat men de effectivheh van deze drukverhogende systemen dient te beschouwen tegen de achtergrond van geheel andere invloeden, zoals bijvoorbeeld het keukenzoutgebmik. Men komt hierbij op een uiterst onoverzichtelijk terrein, waarbij eventuele interacties tussen (genetisch bepaalde) gevoeligheid voor zout (en andere factoren) en de actuele consumptie hiervan, zich nog niet lenen voor een waarlijk kwantitatieve benadering. De rol van het keukenzout Keukenzout en bloeddruk zijn in grote lijnen onlosmakelijk verbonden. Epidemiologische onderzoekingen rond de wereldbol hebben aannemelijk gemaakt, dat in gebieden met een gering zoutgehalte in het dieet bloeddrukverhoging, ook op hogere leeftijd, nauweUjks voorkomt, in tegenstehing tot gebieden waar men ruim van zout wordt voorzien. In Westerse landen is een correlatie tussen zoutgebruik en bloeddruk echter moeilijk aan te tonen. Dit is waarschijnlijk vooral een zaak van ontoereikende methodologie; daarbij komt, dat de spreiding in het zoutgebruik betrekkelijk gering is. Overigens zij hierbij aangetekend, dat kaliumzouten een omgekeerde (gunstige) betrekking tot de bloeddmk laten zien. Meer betekenis moet worden gehecht aan het verband tussen veranderingen in het zoutgebruik en veranderingen in de bloeddruk. Zowel bij proefdieren (m.n. ratten met een via inteeh genetisch „verworven" hypertensieneiging) als bij de mens is bij herhaUng aangetoond, dat schommelingen in het zoutgebruik tot gelijkgerichte schommelingen in de bloeddruk kunnen leiden. Op onze balansafdeling werd bij een 90-tal personen met hypertensie dienaangaande een onderzoek verricht, waaruit de volgende vuistregel kon worden afgeleid: „ i gram keukenzout minder leidt in doorsnee tot een daling van de gemiddelde arteriële druk van 1 mm Hg". Dh betekent, dat een vermindering van de gebruikelijke overtollige zoutconsumptie van 12 g naar een alleszins aanvaardbare hoeveelheid van 6 g per dag de gemiddelde bloeddruk bij het doorsnee-individu met 6 mm Hg zou kunnen doen dalen (hierbij zij aangetekend, dat de individuele gevoehgheid hiervoor uiteraard sterk uiteen zal lopen). Uit het onderstaande zal bhjken dat een gemiddelde verlaging van de gemiddelde arteriële druk met 6 mm Hg in een bevolkingsgroep grotere consequenties kan hebben dan dit ogenschijnlijk geringe getal zou doen vermoeden. Behalve het zoutgebruik zijn ook andere levensgewoonten en gebruiken van invloed op de bloeddruk. Tot bloeddrukverhogende factoren worden gerekend: het nemen van de anticonceptiepil, het overmatig gebmik van drop, alcoholmisbruik en zwaarlijvigheid. Roken heeft naast kortdurende effecten op de bloeddruk ook een indirecte ongunstige invloed op het vaatstelsel. Overmatige spanning wordt dikwijls vermeld als bijdragend aan bloeddrukverhoging. Dit is echter — afgezien van kortstondige effecten — vooralsnog moeilijk bewijsbaar.

44 Bestrijding van bloeddrukverlioging. Consequenties voor de levens- en gezondheidsverwachting Het arsenaal aan bloeddrukverlagende middelen is in de loop van 30 jaar van een nietig begin tot een nauwehjks overzienbare reeks keuzemogeUjkheden uitgegroeid. Het heeft weinig zin al deze stoffen hier op te sommen. Wel kan melding worden gemaakt van een aantal werkingsprincipes, die redeUjk te rijmen zijn met de bloeddrukverhogende mechanismen, zoals deze eerder in dit verslag zijn aangegeven. Het gaat om een viertal hoofdcategorieën. 1. Diliretica en aldosteron-antagonisten Deze stoffen dwingen de nieren tot versterkte uitscheiding van vloeistof en zouten. Volume- en zoutverlies leidt langs verschillende wegen tot bloeddrukdaling. Daarnaast bestaan er waarschijnlijk nog andere, moeilijk te identificeren fannacologische invloeden. 2. Anti-adrenerge middelen Deze stoffen hebben van het begin af een overheersende rol gespeeld. Voor ieder niveau van het adrenerge systeem zijn stoffen met een remmende werkmg te vinden. Dit geldt voor het hersenniveau (bijvoorbeeld a-methyldopa) tot aan de aangrijpingspunten op het hartvaatstelsel (a- en j3-receptoren). De (3-receptor-blokkerende middelen zijn in de praktijk tot nu toe het best hanteerbaar gebleken en het meest in zwang geraakt. Zij zijn te herkennen aan de uitgangsvorm -olol, bijvoorbeeld propranolol. De exacte werking, aanvankelijk toegeschreven aan een verminderde hartactie, staat in feite nog op losse schroeven. 3. Middelen, die interfereren met het renine-angiotensinesysteem Hieronder vallen stoffen die een competitie aangaan met angiotensine I I (saralasine) alsmede enzyrm-emmers, die de vorming van angiotensine II verhinderen. 4. Vasodilatoren (vaati'erwijdersj In deze categorie, die in het bijzonder gericht is op het verminderen van de spiertonus in de arteriën, vindt men een grote verscheidenheid aan stoffen. Van sommige (bijvoorbeeld hydralazine) is het werkingsprincipe nog onduidelijk. Andere middelen uit deze categorie (bijvoorbeeld verapamil) blokkeren de calciumopname door de spiercel, waardoor het samentrekkingsvermogen vermindert. Het is in de praktijk gebruikelijk de bloeddrukverlagende behandeling, zodra deze in de medicamenteuze sfeer valt, met een middel uit een van de eerste twee categorieën te beginnen (meestal een diureticum of een /3-receptor blokkerende stof). Bij onvoldoende resuhaat plegen deze middelen te worden gecombineerd. Het voorschrijven van drie of meer bloeddrukveriagende stoffen (waaronder die uit klasse 3 en 4) is dikwijls speciahstenwerk. Vele medicamenten, zo ook bloeddrukverlagende middelen, kunnen bijwerkingen ontplooien die doorgaans niet ernstig zijn, maar toch tot een systematisch toezicht van de kant van de arts nopen. Men dient zich ervan bewust te zijn, dat het verlagen van de bloeddruk niet zozeer gericht is op de actuele situatie (het gemiddelde individu met bloeddrukverhoging is geen „patiënt" in de letterlijke zin, omdat hij geenszins door de verhoogde bloeddruk wordt gedupeerd) als wel op de toekomst. Doel is, een zekere preventie uit te oefenen inzake de kans op het ontstaan van complicaties in de hartvaatsector. Zoals

45 wij eerder liebben gezien, ziet de toekomst er in deze voor hypertensie „patiënten" relatief ongunstig uit. In de afgelopen 15 jaren is echter door een aantal intei-ventieonderzoekmgen het aan zekerheid grenzende bewijs geleverd, dat het wegnemen van een stuk bloeddrukverhoging de voomitzichten in de normale richting kan ombuigen. Voorbeelden van dergelijke onderzoekingen zijn het onderzoek binnen de Veterans Administration (V.S.), het „Hypertension Detection and FoUow-up Program" (V.S.), de Australische „Mild Hypertension Trial" alsmede een aantal kleinere onderzoekingen in Göteborg en Oslo. Een aantal onderzoekingen, die naar men mag hopen deze uitkomsten zullen bevestigen, is nog gaande (de ,,Medical Research Council Mild Hypertension Trial" in Engeland, en het onderzoek van de „European Working Party on Hypertension in the Elderly"). De taak die de medicus practicus in een samenspraak met de overheid dan nog rest, is een voor het publiek aanvaardbaar en uitgebalanceerd opsporings- en behandelingsprogramma gestalte te geven.

NEUTRONENSTERREN EN ZWARTE GATEN door J. Heise 1. Inleiding Sterrenkunde is een natuurwetenschap van uitersten. Vergeleken met Aardse omstandigheden kan het in het heelal uiterst koel zijn (nabij het absolute nulpunt), maar zijn er ook plaatsen met zeer hoge temperaturen. Er zijn uitgestrekte gebieden met zeer lage dichtheden („vacuüm"), maar ook met extreem hoge dichtheden (sterinwendigen). Er gebeuren dingen op zeer grote ruimtelijke schaal en over onvoorstelbaar lange perioden. Men probeert zelfs uitspraken te doen over de grootst mogelijke ruimte: het heelal als geheel en over de langste tijdsduur: de leeftijd van het heelal. In deze lezing richt ik me op sterrenkundige objecten, waarin zeer hoge dichtheden optreden, de z.g. compacte sterren. Deze worden gevormd aan het eind van het „leven" van een gewone ster. De eindstadia van sterevolutie vormen een fascinerend onderwerp van studie in de moderne sterrenkunde. Uit het gegeven dat sterren stralen en dus energie verliezen en het moderne besef dat alle energiebronnen, ook die van een ster, eindig zijn, kan men afleiden dat ook aan het bestaan van een stralende ster een einde moet komen. De laatste „stuiptrekkingen" van een ster in dit proces kunnen gepaard gaan met gigantische explosies, waarbij grote delen van de ster het heelal in geslüigerd worden. De ster kan daarbij zelf tijdelijk zo sterk in helderheid toenemen, dat deze overdag zichtbaar kan worden (Supernova's). De snel uitdijende gasresten van dergelijke explosies laten duidehjk zichtbare sporen na aan het firmament in de vorm van planetaire nevels en Supernovarestanten. Zo mogelijk nog interessanter zijn de stoffelijke resten van de ster zelf Er blijken maar drie mogelijke uiteindelijke toestanden voor een ster te bestaan: Witte Dwergen, Neutronensterren en Zwarte Gaten. Deze resten zijn alle zeer compact. De zwaartekracht is in deze sterren buitengewoon sterk en heeft de materie samengesperst tot vormen die op aarde onbekend zijn. Men noemt materie onder dergelijke omstandigheden gedegenereerd of ontaard. Het bestaan van de twee meest extreme vormen van compacte materie. Neutronensterren en Zwarte Gaten, was reeds een halve eeuw geleden op theoretische gronden voorspeld. De ontwikkeling in de techniek en het ontstaan van het sterrenkundig ruimteonderzoek maakte het mogelijk deze objecten ook inderdaad waar te nemen. De ontdekking gebeurde echter op volslagen onverwachte wijze via de ontdekking van pulsars en röntgenbronnen. Compacte sterren zijn niet alleen voor de sterrenkunde van belang. Juist omdat de zwaartekracht en de materiedichtheden er zo gigantisch veel groter zijn dan hier op aarde, kan men (tenminste in principe) fysische theorieën die betrekking hebben op

Natuurkundige Voordrachten, N.R. 61; lezing voor de Koninklijke Maatschappij voor Natuurkunde Diligentia tc 's-Gravenhagc op 1 november 1982.

48 dergelijke omstandiglieden, op hun juistheid toetsen. Dh geldt voor onze kennis met betrekking tot de sterke wisselwerldng in atoomkernen, maar vooral ook voor gravitatietlieorieën. In deze lezing wil ik laten zien wat de mogeUjke eindstadia van sterevolutie zijn en wat de eigenschappen van deze objecten zijn. Tenslotte behandel ik de vraag of dergehjke objecten nog waar te nemen zijn en zo ja, hoe dh dan het geval is. 2. Sterevolutie in een notedop Zonder tegenwerking van andere krachten zouden aUe astronomische objecten onder invloed van de altijd aantrekkende zwaartekracht steeds verder en in steeds hoger tempo ineenstorten. De op deze manier vrij vallende materie verkrijgt echter bewegingsenergie: de materie wordt heet en de daardoor ontstane gasdruk werkt tegen de zwaartekracht in en er kan evenwicht ontstaan. In een ster is de tot samenballen neigende zwaartekracht in evenwicht met de tot expansie neigende drukkracht. Men noemt dit krachtenspel dynamisch evenwicht. Daarnaast is een ster ook in thermisch evenwicht. De totale energieproduktie in het centrum van de ster is juist gelijk aan het totale energieverUes door straling aan het oppervlak. Zou de energieproduktie hoger zijn dan wordt het centrum heter, de druk neemt toe, de ster dijt daardoor uh en koeh weer af tot de evenwichtstemperatuur. En omgekeerd, als de energieproduktie ophoudt, neemt de druk af, de ster krimpt en wordt daardoor heter totdat de centrale temperatuur hoog genoeg is voor een volgende reeks kernfusiereacties. De ster reguleert hierdoor zijn eigen energiehuishouding. De sterevolutie wordt gekenmerkt door het feit dat de chemische samenstelling van de ster door kernfusieprocessen verandert. Als alle waterstof tot helium „verbrandt", houdt deze energiebron op en de ster contraheert totdat ook helium kernfusie kan ondergaan. Dit kan in principe zo doorgaan totdat aUe kernfusieënergie opgebruikt is. Theoretisch is dit het geval als het sterkst gebonden atoom, IJzer, gevormd is. Niet altijd wordt de temperatuur in een ster hoog genoeg om ook dit laatste proces te kunnen laten plaatsvinden. Als alle energie is verbruikt, blijft de ster toch nog stralen. Immers het centrum van de ster is nog steeds zeer heet. De ster verliest dus energie, zonder dat deze gecompenseerd wordt door kernfusieprocessen. De ster reageert dan door steeds verder te contraheren. De stralingsverhezen worden nu gecompenseerd door gravitatieenergie. In de loop van de evolutie krimpt het centrum van de ster en de dichtheden worden steeds groter. Bij dichtheden veel groter dan die in het centrum van de zon, gaat naast de thermische energie een andere energievorm van materie een rol spelen, de z.g. „nulpunts"-energie. Als dh het geval is spreekt men van gedegenereerde materie. Ik zal hieraan een aparte paragraaf wijden. Pas daarna kunnen we zien welke sterren wat voor soort eindtoestand bereiken. 3. De nulpuntsenergie in dichte materie Een bekend resultaat uit de quantummechanica is, dat een deeltje niet volmaakt in rust kan zijn: het behoudt een zekere nulpuntsbeweging. In laboratoria speeh dit pas een rol wanneer de temperatuur dicht tegen het absolute nulpunt aanligt. Naarmate de dichtheid in de materie hoger is, is de nulpuntsenergie van de deeltjes ook hoger. Voor lichtere deeltjes (zoals elektronen) is dit eerder het geval dan voor zwaardere deeltjes. Men kan deze twee beweringen begrijpen met behulp van de onzekerheidsrelatie van Heisenberg. Deze zegt dat als een deeltje opgesloten zit in een kleine ruimte, het een zekere minimale beweging moet hebben.

49 Hoe hoger de dichtheid in de materie, hoe kleiner de onderlinge (gemiddelde) afstand en hoe hoger deze minimale beweging moet zijn. De energie van het deeltje, die meestal Fermi-energie heet, wordt ook wel nulpuntsenergie genoemd, omdat deze beweging ook aanwezig moet zijn nabij het absolute nulpunt. De Fermi-energie neemt dus toe als de dichtheid toeneemt. Bij gegeven dichtheid is de nulpuntsenergie voor elektronen groter dan voor de veel zwaardere nucleonen als protonen en neutronen. Het effect van de nulpuntsenergie in sterren treedt op bij dichtheden groter dan lO^g/cm^. Men spreekt dan van gedegenereerde (ontaarde) elektronen. Bij zeer veel grotere dichtheden (groter dan lO'^ g/cm^) kan de nulpuntsenergie van zwaardere deeltjes als neutronen en protonen ook voldoende groot worden. Het belangrijkste van de nulpuntsenergie is dat deze onafhankelijk is van de temperatuur. Nu we weten wat voor soort krachten die niet van de temperatuur afliangen een rol spelen, kunnen we ons de theoretische vraag stellen welke de mogelijke objecten in het heelal zijn, waarin de temperatuur voor de opbouw van het object niet meer belangrijk is. We noemen dat „koude" materie, maar men bedenke dat dit een relatief begrip is. 4. De mogelijke „koude" klompen materie in de ruimte Niet alleen in een ster, maar voor elke klomp materie moet gelden dat de zwaartekracht in elk punt gelijk moet zijn aan de opwaartse drukkracht. We zagen dat in gewone sterren deze drukkracht het resultaat is van de thermische beweging van de atomen in het gas. Wat zijn de mogelijkheden voor koude materie? Stel we beginnen met een rotsblok en voegen daaraan steeds meer materie toe. Kan dit onbeperkt doorgaan? Zo ja, wat krijg je voor objecten, zo nee, wat gebeurt er dan? In een rotsblok (en in de aarde, i.h.a. in planeten) wordt de druk bepaald door de sterk afstotende werking van de negatief geladen elektronenschülen van de moleculen. Als we meer materie toevoegen, wordt de zwaartekracht groter en het rotsblok zal bij iets grotere dichtheid een vergrote druk uitoefenen en een nieuw evenwicht vinden. Bij toenemende dichtheid zuUen de elektronenschillen steeds dichter bij elkaar komen, elkaar op een gegeven moment kunnen beïnvloeden en losse elektronen afstoten. Dit heet drukionisatie en deze toestand speelt een rol in planeten. Voegen we nog meer materie toe, dan wordt de materie op een gegeven moment volledig geïoniseerd en gaat de nulpuntsenergie van deze elektronen een rol spelen; de steeds toenemende zwaartekracht wordt nu weerstaan door gedegenereerde elektronen. Dit gebeurt bij massa's groter dan die van Jupiter. Daar gedegenereerde materie minder „stug" is dan materie met een moleculaire structuur, neemt de straal van het object van hier af met toenemende massa af. Jupiter is dus niet alleen de grootst mogelijke planeet maar ook de grootst mogelijke koude klomp materie die onder invloed van zijn eigen zwaartekracht kan bestaan. Bij zwaardere massa's (en koude materie) spreekt men van Witte Dwergen (of ook gedegenereerde Dwergen) om redenen die samenhangen met de ontdekking van dit soort objecten. We gaan nu door met massa toevoegen. De zwaartekracht wordt steeds groter en de nulpuntsbeweging van de elektronen ook. Dh blijkt echter niet onbeperkt door te kunnen gaan. Er is een grensmassa, de maximummassa voor Witte Dwergen, de beroemde Qmndrasekhar-limiet van 1,4 zonsmassa's, genoemd naar de Amerikaanse astronoom, die dh in 1930 bewezen heeft. Bij die massa is de nulpuntsenergie van de elektronen zo groot geworden dat een nieuwe reactie optreedt; de zeer energierijke elektronen gaan reageren met de protonen ïn de atoomkernen onder vorming van

50 een neutron. Dit proces is het omgekeerde van bêta-radioactiviteit en wordt daarom wel invers-bêtaverval genoemd. Plotseling verdwijnen de elektronen en daarmee de tegendruk. De zwaartekracht overheerst nu, er is geen evenwicht meer en dc ster stort ineen. Daarbij reageren steeds meer elektronen met protonen en worden meer neutronen gevormd. Pas wanneer de straal van de ster 1000 keer zo klein is geworden, wordt de dichtheid zo hoog dat de nulpuntsenergie van de aldus gevormde neutronen een rol gaat spelen en voldoende groot kan worden om de gravitatiecollaps te doen stoppen en een nieuw evenwicht te vinden. Deze nieuwe configuratie van koude materie heet, nu om begrijpelijke redenen, een Neutronenster. Kunnen we nu aan Neutronensterren weer onbeperkt massa toevoegen en kunnen deze onbeperkt zwaar worden? Het antwoord is nee. De nulpuntsenergie van neutronen geeft onvoldoende tegenkracht voor de grote massa. Boven de twee a drie zonsmassa's is opnieuw geen evenwicht mogelijk, overheerst opnieuw de zwaartekracht en stort de ster opnieuw ineen tot steeds hogere dichtheden en kleinere afmetingen. Tot wat? Intuitief vat je neutronen op als kleine harde bolletjes en denk je dat dit doorgaat totdat de bolletjes tegen elkaar aanliggen. Maar dat is niet zo. Men kan uit zeer algemeen geldige fysische principes laten zien dat een deeltje geen hard bolletje kan zijn, We illustreren dit aan het volgende voorbeeld. Als we een tik geven tegen een rij knikkers (= harde bollen) die tegen elkaar aanliggen, dan plant deze verstoring zich instantaan voort en de laatste in de rij vliegt op hetzelfde moment weg. Instantaan? Op hetzelfde moment? Nee, dat kan niet, want dan zou de voortplantingssnelheid van de drukverstoring (dat is de geluidsnelheid) oneindig snel zijn, terwijl deze net als alle andere fysische snelheden kleiner moet zijn dan de lichtsnelheid. Dit is een belangrijke voorwaarde voor de toestand van de materie. Neutronen (en andere deeltjes) moeten tenminste zo „zacht" zijn dat de geluidsneh heid kleiner is dan de lichtsnelheid. Men kan aantonen dat dit niet voldoende hard is om de grote zwaartekracht van een Neutronenster van meer dan 2 a 3 zonsmassa's te compenseren. De ineenstorting gaat dus door totdat duizelingwekkend grote dichtheden worden bereikt, waar we met de huidige kennis van de natuurkunde geen zinnige uitspraak over kunnen doen. Echter lang voordat dit plaatsvindt, passeert de ster een kritieke grootte, de zogenaamde waarnemingshorizon. Dergelijke objecten worden Zwarte Gaten genoemd, maar daarover straks. Samenvattend kunnen we zeggen dat er maar 4 soorten „koude" objecten kunnen bestaan in het heelal: a. planeten en andere „rotsblokken" met maximale massa als die van Jupiter, waarin de druk gegeven wordt door de eigenschappen van de moleculen. b. Witte Dwergen met massa's tot maximaal 1,4 maal die van de zon en afmetingen zo groot als de aarde, waarin de druk bepaald wordt door de nulpuntsenergie van elektronen, c. Neutronensterren met meest waarschijnlijke massa's iets boven de 1,4, maar minder dan 3 zonsmassa's, waarin de druk bepaald wordt door gedegenereerde neutronen, d. Zwarte Gaten, waarin niet meer voldoende tegendruk tegen de zwaartekracht mogelijk is, 5. De laatste stadia van de sterevolutie Nu we de mogelijke eindtoestanden van een ster kennen en weten dat bij grote dichtheid de nulpuntsenergie een rol speeh, kunnen we ons de vraag stellen, welke sterren zich tot wat ontwikkelen en hoe dat in zijn werk gaat. In een lichtere ster

51 (tot 3 zonsmassa's) is de temperatuur minder hoog en gaat verhoudingsgewijs de nulpuntsenergie eerder een rol spelen. Wanneer de kernreacties uitgeblust zijn, raakt de kern van de ster gedegenereerd. In de nog niet,,verbrande" buitenlagen kunnen nog kernreacties plaatsvmden. De zeer sterke stralingsdruk en andere processen kunnen veroorzaken dat de buhenlagen weggeblazen worden. Dit gaat hetzij stootsgewijs (planetaire nevels), hetzij continu door de aanwezigheid van een sterke sterrewind. Op deze wijze kan de ster veel massa en misschien wel al zijn buitenlagen verliezen. De kern van de ster heeft een massa kleiner dan de Chandrasekhar-limiet en kan een Witte Dwerg vormen. Deze behoudt zijn structuur ook los van zijn interne temperatuur, zal geleidelijk aflcoelen door uitstraling van zijn resterende warmteënergie en wordt tenslotte een Zwarte Dwerg. Zwaardere sterren (tot ong. 10 zonsmassa's) bereiken hogere centrale temperaturen en de synthese van zware elementen gaat door tot IJzer gevormd is. Bij de contractie, die volgt wanneer alle kernenergie uitgeput is, zal de temperatuur snel boven de 5.10^ K kunnen komen. Onder invloed van de intense gammastralingsflux bij deze temperatuur kan de fotodesintegratie van IJzer plaatsvinden. Plotseling valt het IJzer-atoom geheel uiteen in alfadeeltjes. Dit is een reactie die, in tegenstelÜng tot kernfusie, energie kost. De ster verhest nu geheel zijn krachtenbalans. De thermische gasdruk, die de zwaartekracht compenseerde en op de lange duur toch al niet voldoende was, valt nu geheel weg. Binnen enkele seconden scheidt de centrale kern zich van de omringende lagen en stort met toenemende snelheid (kinetische energie van de orde van grootte van de rustmassa-energie) ineen. Hierbij worden dichtheden bereikt die de orde van grootte van atoomkerndichtheden hebben, waarbij de atoomkernen uiteenvallen tot neutronen, protonen en elektronen. De gedegenereerde gasdruk van neutronen doet de gravhatiecoUaps stoppen. Er wordt een Neutronenster gevormd. De resterende buitenlagen van de ster vallen in een iets lager tempo op deze pas gevormde Neutronenster. De energie die daarbij vrijkomt, doet die buitenlagen exploderen en wij nemen dit op Aarde waar als Supernova-explosie. De hoeveelheid energie die in de explosie vrijkomt, is enorm. Uitgedrukt in rustmassa-energie, komt deze overeen met de annihilatie van ong. 1 zonsmassa. Uit een sterkern van 3 zonsmassa's kan een Neutronenster van 2 zonsmassa's ontstaan. Het verschil wordt uitgestraald tijdens de explosie. Hierbij kan de ster gedurende enkele weken tot maanden een helderheid verkrijgen, die groter is dan de totale straling van alle andere sterren in een melkweg tezamen. Wanneer een ster met een massa groter dan zo'n 10 zonsmassa's haar nucleaire brandstof verbruikt heeft, is het proces analoog aan de vorige beschrijving. Nu is echter de centrale imploderende kern groter dan de maximaal mogelijke massa voor Neutronensterren. Dh betekent dat de gravhatiekrachten de gedegenereerde Neutron-Fermidruk en alle afstotende nucleaire krachten overheersen en de collaps, die nu de catastrofale gravitatiecollaps genoemd wordt, zet door totdat gravitatievelden en materiedichtheden bereikt worden, waarvan wij met de huidige fysica geen beschrijving meer kunnen geven. Echter lang voordat dit stadium bereikt wordt, bevindt aUe massa zich binnen de z.g. gravitatiestraal of Schwarzschildstraal. Een dergelijk object noemt men een Zwart Gat Ik zal in de volgende hoofdstukken wat nadere details verschaffen over deze drie eindprodukten van de sterevolutie. 6. De ontdekking van Witte Dwergen In het jaar 1834 merkte F.W. Bessel op dat de ster Sirius niet in een rechte lijn langs

52 de hemel bewoog, maar dat haar baan schommelde met een periode van 50 jaar. Hoewel Bessel er al van overtuigd was met dubbelsterren van doen te hebben, duurde het tot 1862 voordat de Idjkerbouwer Alvan Clark de begeleider van Sirius kon zien. Sirius B is veel zwakker dan Sirius A. Toch heeft Sirius B dezelfde witte kleur als A. In 1915 leidde W.S. Adams hieruit af dat de temperatuur van beide sterren en dus de hoeveelheid straling per cm^ die de sterren per tijdseenheid uitstralen, ongeveer gelijk is. Sirius B is dus lichtzwak omdat het stralende oppervlak zoveel kleiner is dan dat van Sirius A. Sirius B blijkt een dwergsterretje van de zelfde afmetingen als die van de aarde. Toch blijkt uit de baanbeweging dat beide sterren een ongeveer even grote massa hebben. De dichtheid in Sirius B moet dus vele malen zo groot zijn als in normale sterren. Men noemde deze sterren Witte Dwergen. Ze blijken veelvuldig voor te komen. Er zijn er nu zo'n 3000 bekend en die staan allemaal tamelijk dicht bij de zon (verderweg gelegen dwergen zijn te zwak om waar te nemen). Niet altijd zijn ze wit en om verwarrende namen als Rode Witte Dwergen (niet te verwisselen met Rode Dwergen, dat zijn hoofdreekssterren) te voorkomen, zou men liever moeten spreken van gedegenereerde Dwergen. De verklaring voor dergelijke sterren en dergelijke hoge dichtheden kon men in 1915 nog niet geven, omdat het juiste begrip van de atomaire opbouw van de materie er nog niet was. Nu weten we, dat in dergeUjke compacte sterren de materie voUedig is geïoniseerd en dat deze vrije elektronen een hoge nulpuntsenergie hebben: ze zijn gedegenereerd. 7. De structuur van neutronensterren Neutronensterren zijn sterren met een massa tussen 0.15 en 2 zonsmassa's. De straal van de ster, zo tussen 7 en 20 km, is zeer klein. Al deze massa opeengepakt betekent een zeer grote dichtheid: 1 kubieke cm bevat honderd miljoen ton materie. Dat zijn dichtheden zoals men die aantreft in de kernen van atomen. In zeker opzicht kan men een Neutronenster dus opvatten als een gigantisch groot atoom, bijeengehouden door gravitatiekrachten en niet, zoals in atomen, door kernkrachten. Bij deze hoge dichtheden zijn de atoomkernen uiteengevallen tot de componenten waaruh ze zijn samengesteld: neutronen en protonen. De meeste elektronen hebben met de protonen gereageerd onder vorming van meer neutronen. Bij de grootste dichtheden, zoals die in het centrum voorkomen, heeft de neutronenmassa de eigenschappen van een vaste stof: er treedt „kristalÜsatie" op en er kunnen scheur- en trekspanningen ontstaan, zoals in de aardkern. Iets meer naar buiten, bij iets kleinere dichtheden, hebben de neutronen eigenschappen van supervloeibaarheid. Deeltjes met aUeen maar nulpuntsenergie gedragen zich als materie nabij het absolute nulpunt van de temperatuurschaal. Dit betekent met name dat de interne wrijving erg klein is. De supervloeibare neutronen werken als een bijna wrijvingsloos „kogellager" tussen de vaste kern en de vaste korst. Wanneer de Neutronenster roteert en de korst van de ster wordt tegengehouden, duurt het lang voordat ook de kern van de ster zich aan de rotatieverandering heeft aangepast. In de lagen vlak buiten de neutronen zijn de atoomkernen die voorkomen voornamelijk IJzer en Nikkel. De eigenschappen zijn weer die van een vaste stof: in dit geval (letterlijk) roestvrij staal (maar dan wel een mÜjoen keer zo sterk), In deze gekristaUiseerde laag, de neiitronensterkorst kunnen sterbevingen plaatsvinden, analoog aan aardbevingen. De temperatuur in Neutronensterren is voor de structuur niet van belang (wel voor de wijze waarop we ze kunnen waarnemen). De thermische energie is altijd kleiner dan de gigantisch grote nulpuntsenergie. Men kan dus spreken over

S3

54 „koude" materie nabij het absolute nulpunt, zelfs als de interne temperaturen lO" of 10^ K zijn. In Neutronensterren zijn de gravitatievelden zo sterk, dat rekening gehouden moet worden met de algemene relativiteitstheorie. Nauwkeurige waarnemingen aan Neutronensterren helpen daardoor de juistheid van deze gravitatietheorie te bevestigen. 8. Pulsars: de ontdekking van neutronensterren Het mogehjke bestaan van Neutronensterren werd theoretisch voorspeld in 1932 door Landau, spoedig na de ontdekldng van het neutron. Baade en Zwicky (1932) veronderstelden, dat dergehjke sterren gevormd zouden kunnen worden in Supernova-explosies, Zij noemden de mogelijkheid, dat de energiebron m een Supernova het gevolg is van gravitatiecontractie van de kern van de ster: „Mass in bulk is annihilated". We moeten echter tot 1969 wachten voordat deze theorie bewezen geacht werd. Dit gebeurde op een volslagen onverwachte manier. In 19.67 werd na de ingebruilcneming van een nieuw type radiotelescoop (ontworpen door Ryle en Hewish) een nieuw type radiobron ontdekt door de studente Jocelyn BeU. De bronnen werden pulsars gedoopt, samentreklcing van pulsating star, vanwege het feit dat ze aan en uit knipperen met een zeer snelle periode van ong. 1 seconde. Deze klokken in de ruimte bleken buitengewoon nauwkeurig te zijn. Ze liepen niet meer dan enkele seconden per jaar achter en zelfs dat gebeurde op een zeer constante, voorspelbare wijze. Dergelijke goede klokken kun je aUeen verklaren met behulp van rotatie van een zwaar Üchaam (vgl. b.v. de aardse klok, die gebaseerd is op de aardrotatie). De Engelsman Thomas Gold bewees in 1968 dat aUeen roterende Neutronensterren als model in aanmerking komen. Alle andere sterren zouden bij zo'n sneUe rotatie uit elkaar spatten (de aarde b.v. al als hij sneller draait dan 1 keer per kwartier). Gold voorspelde dat de rotatie langzaam zal afnemen als gevolg van stralingsverhezen van de pulsar aan het omringende gas. Hij voorspelde ook dat er pulsars zouden kunnen bestaan met nog veel kortere periodes, want een Neutronenster kan tot maximaal 1 keer per milliseconde roteren. Spoedig na deze voorspeUing ontdekte men de zeer snelle pulsars in de Krabnevel (periode 33 ms) en in het Supernovarestant in Vela (88 ms). Hiermee was in een klap bewezen dat er Neutronensterren bestaan en dat deze gevormd kunnen worden in een Supernova-explosie, De oorsprong van de pulserende radiostraling van pulsars is nog niet precies bekend en waarschijnlijk uiterst gecompUceerd, Met de implosie die de Neutronenster vormt, wordt ook een eventueel in de ster aanwezig magneetveld versterkt. Men heeft magneetvelden van 10^^ Gauss gemeten. Een roterend magneetveld geeft samen met de sterk geleidende Neutronensterkorst een dynamo-effect, waarbij zeer hoge elektrische spanningen ontstaan, die deeltjes losrukken uit de ster: er wordt een z,g, magnetosfeer gevormd rond de Neutronenster. Als de rotatieas niet samen valt met de magnetische as, heeft men een situatie waarin door de rotatie een puls uitgezonden kan worden. Men veronderstelt (het z,g, „vuurtorenmodel"), dat de sneUe rotatie op of nabij het oppervlak een gerichte stralmgsbundel produceert, die ronddraait en daardoor op aarde als puls geregistreerd wordt. De energiebron van de straling is uiteindelijk de rotatie-energie van de Neutronenster, dit in tegensteUmg tot de straks te bespreken röntgenpulsars. Pas gevormde pulsars emitteren door hun zoveel snellere rotatie ook veel energierijkere fotonen dan radiostraling. Ze vertonen ook optische-, röntgen- en zelfs gammastralingspulsen. De nauwkeurigheid waarmee de periode en de periodeverandering bepaald kan worden, maakt pulsars tot een ideale „sonde" in het heelal, waarmee men eigen-

55 schappen van Neutronensterren, van zwaartekrachtsvelden en van de interstellaire ruimte kan bepalen. Ook al weten we niet precies waarom een pulsar pulst, we kunnen het feit dat zoiets bestaat wel benutten. Een voorbeeld is het volgende. Sommige pulsars hebben de ,,liik": zij vertonen een plotselinge toename in de rotatie, die het gevolg is van gigantische sterbevingen. Dit kan als volgt begrepen worden. Bij de geleidelijke afname van de rotatie neemt de afplatting van de sneldraaiende Neutronenster iets af. Door de vaste korst (en voor de zwaardere Neutronensterren ook de vaste kern) gebeurt deze aanpassing aan de nieuwe vorm schoksgewijs. Net zoals een geleidelijke opbouw van spanningen in de aardkorst als aardbeving tot uiting komt. Iets kleinere afplatting betekent iets minder materie aan de evenaar en daardoor gaat de ster iets sneller draaien (vgl. een schaatsenrijdster, die tijdens het draaien van een pirouette haar armen intrekt en daardoor sneller gaat draaien). Door de eigenschappen van perfecte supei-vloeibaarheid van de neutronen in de binnenlagen duurt het erg lang (enkele dagen = vele miljoenen omwentelingen) voordat de gehele ster de nieuwe rotatie overneemt. Men ziet dit gedrag terug in de wijze waarop de omwentelingssnelheid van een pulsar zich na de luk herstelt. Er zijn nu vele honderden pulsars bekend. Ook liier geldt, net als bij de Witte Dwergen, dat alleen de sterkste en meest nabije pulsars waargenomen kunnen worden; in het hele melkwegvlak zijn er waarschijnlijk tientallen miljoenen. Er zijn 3 pulsars bekend die zich in dubbelstersystemen bevinden en een baan rond een andere compacte, maar niet waargenomen ster uitvoeren. Deze situatie, een Hok (pulsar) in een zwaartekrachtveld, is uhstekend gescliikt om nauwkeurig de zwaartekrachtstheorie en met name de algemene relativiteitstheorie te verifiëren. Uit de metingen is b.v. gebleken dat de baanperiode heel geleidelijk (enkele seconden per jaar!) afneemt. Men schrijft dit toe aan energieverhes door gravitatiestraling. Deze meting is de eerste indirecte aanwijzing voor het bestaan van gravitatiestraling. 9. Over het mogelijk bestaan van Zwarte Gaten De zwaartekracht van een ster is groter naarmate de massa groter is en naarmate de straal kleiner is. Een maat voor de zwaartekracht is de ontsnappingssnelheid aan het oppervlak van de ster. Dat is de snelheid die je aan een voorwerp moet meegeven om uit een zwaartekrachtveld te kunnen ontsnappen. Zo moest aan de Apollocabine, om de maan te kunnen bereiken, een snelheid van 11,4 km/s meegegeven worden, met behulp van de Saturnusraket, om uh het zwaartekrachtveld van de aarde te kunnen ontsnappen. De ontsnappingssneUieid van de zon is ruim 600 km/s, die van een Witte Dwerg (even grote massa, maar veel kleiner) 6000 km/s en die van een Neutronenster 100000 km/s (dat is 1/3 van de lichtsnelheid). Uh objecten die een ontsnappingssnelheid hebben die groter is dan de hchtsnelheid, kan niets ontsnappen, omdat niets sneller dan de hchtsnelheid kan bewegen. Zo'n object kan zelfs geen strahng uitzenden. Men noemt dergelijke objecten Zwarte Gaten. Het mogelijke bestaan van Zwarte Gaten werd voor het eerst geopperd door de Engelsman Michel in 1784. Laplace schrijft erover in zijn boek „Exposition du système du monde" (1795). Hij dacht toen niet zozeer aan kleine compacte objecten, omdat hij nog niet wist dat je materie tot hoge dichtheden kunt samenpersen. Maar hij dacht aan zeer grote, zware en daardoor heldere sterren: „Ü est done possible que les plus grands corps lumineux de l'univers, soient par cela même invisible". (, jiet is dus mogelijk dat de helderste objecten in het heelal juist daardoor onzichtbaar zijn") In principe kunnen Zwarte Gaten van iedere massa bestaan. Pers een berg van een miljard ton samen tot een bolletje met een straal kleiner dan 10"'^ cm bereikt is

56 (kleiner dan een atoomkern) en je hebt een Zwart Gat (mini hole). Pers de aarde samen totdat de straal kleiner is dan 2 cm en je hebt een Zwart Gat (baby black hole). Pers de zon samen totdat de afmetingen Ideiner zijn dan 2,9 km en je hebt een Zwart Gat. Pers 1 procent van alle sterren in een melkwegstelsel samen totdat de onderlinge afstanden kleiner zijn dan zo'n 20 maal de afstand zon—aarde en je hebt een Zwart Gat (super massive black hole) met een massa van b.v. 10^ zonsmassa's. Deze grenzen heten de Schwarzschildstraal of gravitatiestraal of waarnemingshorizon, en voorbij deze grens is het object niet meer waar te nemen. Merk op dat het zwaartekrachtveld alleen vlak bij het Zwarte Gat zo groot is. Op grotere afstand is de zwaartekracht hetzelfde als vóór het samenpersen, want op afstand wordt deze alleen maar bepaald door de totale massa en de afstand tot die massa. Wij zouden niets merken van de tot mini hole samengeperste berg. De baan van de aarde zou niet veranderen als iemand de zon tot 3 km laat inkrimpen (mits alles maar voldoende rustig gebeurt). Vervang een ster door een even zwaar Zwart Gat en de rest van de sterren merkt geen verandering van het zwaartekrachtveld. Het mogelijke bestaan van Zwarte Gaten volgens de algemene relativiteitstheorie werd voor het eerst genoemd door J.R. Oppenheimer en H. Snijder (1939) in een artikel getiteld: „On continued gravitational contraction". Een uitgebreidere en zorgvuldige studie vond pas plaats in de jaren zestig. Zwarte Gaten kunnen bestaan, maar bestaan ze ook feitelijk? Worden ze in de natuur ook gevormd? De theorie van de sterevolutie laat zien dat er geen evenwicht mogelijk is als de kern van een ster aan het eind van haar evolutie een grotere massa heeft dan 3 zonsmassa's. Dit geeft dus een mogelijke vormingswijze van Zwarte Gaten. Toch moet men voorzichtig zijn met de conclusie dat ze dus feitelijk ook bestaan. De theorie van de sterevolutie is altijd een ideahsatie van de echte toestand en er zijn nog veel onzekerheden. Wat gebeurt er als de ster roteert bij de ineenstorting? Wordt er dan meer materiaal afgestoten en blijft er dan toch iets over dat een Neutronenster zou kunnen zijn? Wat is de rol van magneetvelden? Ook deze worden versterkt als de ster mstort. Ondanks al deze onzekerheden is het echter onwaarschijnlijk dat er helemaal nooit Zwarte Gaten gevormd zouden worden. De vraag bUjft wel welke sterren dat zuhen doen en hoeveel er dus zullen zijn. 10. Eigenschappen van Zwarte Gaten In het voorgaande werd gesproken over de grens, waarbiimen een compact object een ontsnappingssnelheid heeft groter dan de lichtsnelheid. Hierbij deden we net alsof de klassieke, de Newtonse opvatting over de zwaartekracht geldig was. Dh is echter niet het geval. Net zoals men bij snelheden nabij de hchtsnelheid de speciale relativiteitstheorie moet gebruiken, zo moet men, in situaties waarbij de gravitatieenergie vergelijkbaar wordt met de rustmassa-energie, rekening houden met de relativistische zwaartekrachtstheorie, die algemene relativiteitstheorie heet. Voor Zwarte Gaten is vooral van belang het effect van de gravitatieroodverschuiving. De trillingstijd van fotonen die in een zwaartekrachtveld worden uitgezonden, wordt langer waargenomen door iemand buhen dit veld. Een foton in het optische gebied verschuift dus naar het rode deel van het spectrum, vandaar de naam. Op aarde en op de zon is dit effect klein, maar nauwkeurig waargenomen. In het zwaartekrachtveld van een Zwart Gat is het effect zeer groot en wel sterker naarmate het foton dichter bij de Schwarzschildstraal wordt uitgezonden. De roodverschuiving wordt oneindig op deze straal, met andere woorden, we zien dat foton niet meer. De Schwarzschildstraal wordt eigenlijk gedefinieerd als het oppervlak van oneindige

57 roodverschuiving. Deze definitie is beter dan de definitie die gebruik maakt van het begrip ontsnappingssnelheid. Immers roodverschuiving is een op afstand waarneembare grootheid. Wat geldt voor de trillingstijd van een foton, geldt voor elk tijdsinterval. Het effect heet dan de gravitatietijddilatatie. Op grote afstand zien wij een klok in een zwaartekrachtveld langzamer tikken, naarmate die klok zich bevindt in een sterker zwaartekrachtveld. Een ster die ineenstort tot nabij de waarnemingshorizon zien wij van de aarde af steeds langzamer en steeds sterker roodverschoven tot die grens naderen, maar we zien hem nooit passeren. Het wonderUjke van een catastrofale gravitatiecollaps is dus, dat we zijn uiteindehjk lot met de huidige fysica niet kunnen voorspellen, maar principieel ook nooit kunnen waarnemen. Vanwege de eigenschap dat de externe waarnemer de ster steeds langzamer en steeds dichter tot de horizon ziet naderen, werden Zwarte Gaten vroeger ook wel „bevroren sterren" genoemd. Het tempo van de roodverschuiving in die laatste stadia (een verdubbehng in iedere 20 microseconden voor een Zwart Gat van 1 zonsmassa) is echter zo groot, dat in de praktijk de ster in uiterst korte tijd geheel uit het zicht verdwijnt. Daarom is de benaming Zwart Gat beter. Kenmerkend voor de algemene relativiteitstheorie is dat verschillende waarnemers de situatie verschiUend kunnen ervaren. Dit wordt wel heel dramatisch geiUustreerd door een beschrijving van datgene wat de meevallende waarnemer ervaart. Zagen we dat de externe, stüstaande waarnemer de ster steeds langzamer ziet contraheren, voor de meevallende waarnemer geldt dat luj wel steeds sneUer valt in de laatste fractie van een seconde dat hij nog te leven heeft. Zijn voeten worden met steeds toenemende kracht naar het centrum getrokken, terwijl zijn hoofd (iets verder weg) iets minder sterk wordt aangetrokken. Het verschü, de z.g. getijdekracht, is voor de waarnemer in vrije val wel een merkbare grootheid: hij wordt overlangs gerekt. Bovendien wordt hij dwars geplet door de steeds groter wordende „kromming van de ruimte". Naarmate de val vordert, bereikt hij in een eindige tijd (luttele müliseconden) lengte oneindig en dikte nul en wel zodanig dat aan het eind volume nul en daardoor een oneindige dichtheid bereikt wordt. De meevallende waarnemer ervaart de Schwarzschüdstraal niet op speciale wijze in zijn val. Wel zal hij de wereld om zich heen in toenemende mate vervormd zien. De lichtstralen worden steeds sterker gekromd. Hij ziet steeds meer van het oppervlak van de imploderende ster. De horizon wordt steeds hoger, totdat bij passage van de Schwarzschildstraal de hemel zich praktisch „sluit". In welke richting hij ook kijkt, hij ziet slechts het oppei-vlak van zijn eigen ster. Zijn wereld heeft zich, voor de korte tijd die hem nog rest, afgezonderd van de omringende wereld. Ook de door hem uitgezonden hulpsignalen vallen terug op de ster en kunnen aardse reddingsploegen nooit bereiken. Als fysische theorieën voorspellen dat grootheden zoals dichtheid oneindig worden, dan spreekt men van een singiilariteit en het betekent dat in die allerlaatste stadia (voorbij de Schwarzschüdstraal) de gebruikte natuurkundige wetten niet meer op kunnen gaan. Men vermoedt dat quantummechanische effecten een rol gaan spelen. Een volledige quantumgravitatietheorie bestaat echter nog niet. 11. Compacte objecten als nieuwe energiebron Zijn Neutronensterren en Zwarte Gaten de uitgebluste restanten van de eens zo stralende sterren en als zodanig niet meer of nauwelijks waarneembaar? We zagen reeds van niet. Losstaande Neutronensterren kunnen dat gedeelte van de implosieenergie dat in rotatie is gaan zhten, nog uitstralen als (gepulsde) gamma-, röntgen-

58 en radiostraling: de radiopulsars. Dit duurt echter slechts enkele miljoenen jaren. Na verloop van tijd is er ook van pulsars geen levensteken meer te verwachten. In 1962 ontdekte men een volslagen nieuw soort ster, die op deze problematiek een „nieuw licht" werpt. De ster was een röntgenbron, die in röntgenstraling alleen al een helderheid had, die 10000 maal die van de zon in alle golflengtes tegelijk was. De bron emhteerde 10^' watt, vergelijkbaar met de helderste Superreus. In 1970, na de lancering van de geheel aan röntgensterrenkunde gewijde sateUiet UHURU, bleek dat we hier te maken hebben met compacte objecten in diibbelstersystemen. De energiebron voor deze röntgensterren bleek verrassend eenvoudig: een gas, afkomstig van de begeleidende ster, valt in het zwaartekrachtveld van het compacte object en wordt daarbij zo heet, dat het in röntgenhcht gaat stralen. De energiebron is dus gravitationeel van oorsprong, het proces wordt accretie genoemd. Men kan begrijpen dat hierbij enorme hoeveelheden energie vrij kunnen komen. Immers de ontsnappingssnelheid is niet alleen de snelheid nodig om van het steroppervlak te ontsnappen, maar is ook de snelheid, waarmee een voorwerp of deeltje vanuit de ruimte op het oppervlak aankomt. Zo verkreeg de ApoUocabine bij terugkeer van de maan nabij de aarde weer de sneliieid van 11,4 km/s terug en moest de cabine, daar die energie vrijkomt in de vorm van wrijvingswarmte, uitgevoerd worden met een hittescluld. De energie die vrijkomt bij de val op een neutronensteroppervlak is 10^^ joule per gram, dat is 10% van de rustmassaenergie (mc^ voor 1 gram is lO"* joule). Dh rendement is veel groter dan van kernfusie, waarin maximaal „slechts" 0.5% van de rustmassaenergie vrij kan komen. Bij Zwarte Gaten wordt in de val van een deeltje naar de waarnemingshorizon theoretisch 100% van de rustmassaenergie omgezet in bewegingsenergie. Bij zuiver radiële inval echter, verdwijnt al deze energie samen met het deeltje in het gat en is zij dus niet detecteerbaar. Door onderUnge botsingen buiten de waarnemingshorizon kan een gas toch heet worden en daardoor energie uitstralen voordat deze in het gat verdwijnt. Het rendement van opvallend gas kan dan maximaal 6% van de rustmassaenergie bedragen voor niet-roterende Zwarte Gaten. Bij z.g. maximaal roterende Zwarte Gaten kan dit zelfs 42% bedragen. De energieproduktie nabij een Zwart Gat door accretie is onafhankelijk van de massa van het Zwarte Gat. Stellen we ons voor dat de toekomstige mensheid beschikt over een klein Zwart Gat, dan kan men daarmee een energiecentrale construeren door er materie van willekeurige samensteUing op te laten vallen. Een accretiesneUieid van 1 microgram per seconde produceert 10^^ joule/gram maal 10"^ gram/s = 10 Megawatt. De centrale zou dus enkele jaren kunnen werken op het papier waarop de tekst van deze lezing gedrukt is. De detectiemogelijkheden voor Zwarte Gaten hangen vooral samen met de energieproduktie die kan plaatsvinden in het sterke veld nabij, maar juist buiten de Schwarzschildstraal. Een probleem hierbij is dat stellaire Zwarte Gaten daar een bijna even sterk gravitatieveld hebben als Neutronensterren. Een onderscheid hi Zwarte Gaten en Neutronensterren is daarom in sommige gevaUen moeilijk te maken. Samenvatting De zwaartekracht is de zwakste kracht die men kent in de natuurkunde. Zij is echter ahijd aantrekkend en heeft een grote reikwijdte. Door deze twee eigenschappen domineert de zwaartekracht andere krachten over grote afstanden in het heelal. Wij zien de sterrenhemel zoals die is, omdat de zwaartekracht deze eigenschappen heeft:

59 Deze kracht is er in principe de oorzaalc van dat materie op grote scliaal „geldonterd" is tot kleinere compactere eenheden. De materie in het heelal is samengeklonterd tot clusters van melkwegstelsels. Deze stelsels bevatten hun massa gecondenseerd in stergroepen, die op hun beurt weer opgebouwd zijn uit sterren. Vele sterren zijn weer dubbel- of driedubbelsystemen en bevatten verder waarschijnlijk samengeklonterd materiaal in de vorm van planeten. Zonder tegenwerking zouden alle astronomische objecten onder invloed van altijd aantrekkende zwaartekracht steeds verder ineenstorten en zouden er aUeen nog Zwarte Gaten bestaan. Tegenwerking wordt echter verkregen door de bewegingsenergie van de materie, waardoor een hemeUichaam in evenwicht gevormd wordt: b.v. een ster. Deze energie gaat door uitstraling uiteindehjk verloren. De ster komt daardoor weer onder invloed van de altijd aantrekkende zwaartekracht en krimpt. De materie wordt steeds dichter. Voor kleine hoeveelheden materie (lichte sterren) kan ook tegenwerking verkregen worden door collectieve werking van de andere fundamentele krachten, die een tegendruk veroorzaken. Deze eindprodukten. Witte Dwergen en Neutronensterren, zijn a.h.w. „dode" sterren en kunnen onbeperkt door uitstraling afkoelen en toch blijven bestaan. Geleidelijk worden deze dus aan het oog onttrokken, behalve als zij zich in de buurt bevinden van gaswolken of andere sterren. Materie valt dan in het sterke zwaartekrachtsveld van deze dode sterren en doet ze weer opleven als krachtige energiebron door middel van de uhstraling van röntgenstrahng. Grote hoeveelheden materie en zware sterren, die door de zwaartekracht steeds verder ineenkrimpen kunnen geen nieuwe stabiele evenwichtstoestand vormen, maar verdwijnen uit het gezicht achter een waarnemingshorizon: zij vormen Zwarte Gaten. Zij zijn in principe onzichtbaar, maar mogelijk waarneembaar door vallende materie die juist buiten die horizon weer tot lichten gebracht wordt.

RESEARCH IN HOGE MAGNEETVELDEN door P. Wyder Samenvatting In liet kader van een planning van haar wetenschappelijk onderzoekprogramma op lange termijn en de door de overheid gevraagde zwaartepuntsvorming van researchactiviteiten heeft de Fakulteit der Wiskunde en Natuurwetenschappen van de Katholieke Universiteit te Nijmegen een Laboratorium voor Hoge Magneetvelden opgezet, dat in 1976 in bedrijf is genomen. Het oogmerk van dit laboratorium is aan belangsteUende fysici, chemici en biologen voorzieningen bescliikbaar te stellen voor het opwekken van continue hoge magneetvelden. Naast twee Bitter-magneten van 15 tesla heeft het laboratorium als belangrijkste facüiteit een hybride magneet van 26 tesla, een gezamenlijk project van het Massachusetts Institute of Technology in Cambridge, Mass., USA en de Fakuheh der Wiskunde en Natuurwetenschappen van de Universiteh van Nijmegen. Het ongewone ontwerp van deze magneet betekende een doorbraak in de technologie van de bouw van magneten. Met zijn veld van 26 tesla - meer dan een half miljoen maal het magneetveld van de aarde maakt de hybride magneet Nijmegen tot de plaats waar op dit moment het hoogste continue magneetveld kan worden opgewekt. Wetenschappelijke weetgierigheid Een van de wortels van elementair fundamenteel onderzoek is pure wetenschappehjke nieuwsgierigheid. De mens wü nu eenmaal weten en begrijpen hoe de natuur werkt, misschien met een half oog gericht op mogelijke toepassingen, maar zeker en vooral als een intellectuele uitdaging, als een van de bestanddelen van onze kuituur. In deze geest van uitdaging gebruiken de beoefenaars van de wetenschap versneUers met steeds hogere energieën, produceren ze zeer hoge of zeer lage temperaturen, bestuderen ze de effecten van hoge druk, neuzen ze in steeds kleinere „elementaire" deeltjes of bestuderen ze grote „deeltjes" in het heelal. In dit verband moet het onderzoek geplaatst worden dat in het nieuwe Magnetenlaboratorium te Nijmegen verricht wordt. De geschiedenis van magnetische verschijnselen in Nederland In de natuurkunde zijn magneetvelden van groot voordeel om een grote verscheidenheid van zeer interessante verschijnselen te bestuderen. Magneetvelden beïnvloeden de beweging van geladen deeltjes, verlagen het elektrische geleidingsvermogen en de warmtegeleiding van metalen, splitsen en wijzigen het gedrag van spectraah Ujnen, hebben invloed op de laserwerking van halfgeleiders en halfmetalen, vormen de enige manier om zogenaamde plasma's bijeen te houden (plasma's zijn buiten-

Natuurkundige Voordracliten N.R. 61. Lezing gehouden voor de Koninklijke Maatschappij voor Natuurkunde Diligentia te 's-Gravenhage op 15 november 1982.

62 gewoon hete geleidende gassen met een temperatuur van meer dan een mÜjoen graden, een omstandigheid die normaal aUeen heerst op sterren en de zon en noodzakelijk is voor het op gang brengen van kernfusie) en hebben op veel verscliiUende manieren een wisselwerking met andere natuurkundige grootheden. Als zodanig zijn magneetvelden een steeds belangrijker experimenteermiddel geworden om de eigenschappen van de materie te beproeven en te verkennen. Dit soort onderzoek omvat onder meer zaken op het terrein van de vaste stoffysica en de fysica van lage temperaturen, atoomfysica en spectroscopie, hoge energiefysica en plasmafysica, kwantumelektronica en magnetobiologie, enz. Op bijna al deze gebieden worden door een toename van het beschikbare maximale veld vaak nieuwe fundamentele resultaten gevonden, worden onverwachte verschijnselen ontdekt of wordt in ieder geval een belangrijke verbetering in de nauwkeurigheid van eerdere experimenten bereikt. Het is dan ook niet verwonderlijk dat het opwekken van hoge magneetvelden een wetenschappelijk onderzoekprogramma op zichzelf is geworden. Van het begin van deze ontwikkeling af hebben Nederlandse natuurkundigen een belangrijke en prominente rol gespeeld in de fysica van hoge magneetvelden. De vele Nederlandse namen die met magnetische effecten en ontdekkingen zijn verbonden zijn van deze uitspraak het bewijs. Op zaterdag 31 oktober 1896 deed Kamerlingh Onnes, professor in de experimentele natuurkunde aan de Universheit van Leiden, in een zitting van de Koninklijke Nederlandse Akademie voor Kunsten en Wetenschappen in Amsterdam verslag van een ontdekking van zijn leerling Pieter Zeeman, die aantoonde dat de spectraallijnen van een lichtbron door een sterk magneetveld in drie componenten werden gesplitst. Reeds de maandag daarop gaf Hendrik Antoon Lorentz, de beroemdste en uitnemendste theoreticus van zijn tijd, die op die zitting voor het eerst hoorde van de ontdekking, een voUedige verklaring van het verschijnsel. Deze verklaring maakte het Zeeman effect tot een middel van onschatbare waarde voor het ontwarren van de samenstelling van atomen. Voor hun gezamenlijke inspanningen kregen zowel Zeeman als Lorentz in 1902 de Nobelprijs voor natuurkunde. Voor de tweede keer werd deze prijs toegekend aan Heike Kamerlingli Onnes in 1913 voor zijn ontdekking van- supergeleiding; het verschijnsel dat het elektrische geleidingsvermogen van een metaal beneden een bepaalde temperatuur oneindig wordt en zijn weerstand nul. Supergeleidende legeringen zijn uiterst belangrijk geworden voor de produktie van kleine, compacte en relatief goedkope magneten. Hun belangrijkste nadeel is dat supergeleiding alleen optreedt bij zeer lage temperaturen; daarom moeten supergeleidende magneten gekoeld worden met vloeibaar helium, bij een temperatuur van ongeveer vier graden boven het absolute nulpunt, d.w.z. bij - 269°C. In 1926 stelde Pieter J.W. Debye uh Maastricht, die een tijd lang professor was aan de tJniversiteit van Utrecht en in 1936 de Nobelprijs voor chemie kreeg, een magnetische procedure om zeer lage temperaturen te bereiken voor, die met een technische term ,,adiabatische demagnetisatie" wordt genoemd. In daarop volgende experimenten met adiabatische demagnetisatie kon Wander J. de Haas, Kamerlingh Onnes' opvolger in het laboratorium in Leiden, het absolute nulpunt tot op vier duizendste graad benaderen, wat vele jaren de laagst mogelijke temperatuur bleef. Dit experiment werd uitgevoerd in samenwerking met de eveneens uit Leiden afkomstige eminente theoretische natuurkundige Prof. H.C. Kramers, wiens naam ver-

63 bonden is gebleven aan de regel van Kramers, een belangrijk theorema dat de opsplitsing van magnetische spectra beheerst. De naam van De Haas is verbonden aan verscheidene belangrijke rond 1930 ontdekte magnetische effecten, b.v. hti De Haas-van Alphen-effect, een periodieke variatie van de magnetisatie in hoge magneetvelden, en het De Haas-Shubnikov effect, een veldafhankelijke periodieke variatie van de elektrische soortehjke weerstand. Beide verschijnselen zijn een zeer belangrijke methode geworden om de elektronenstructuur van zuivere metalen te onderzoeken. Voor zijn ontdekking, samen met Albert Einstein in 1915, van het Einstein-de Haas effect, waardoor een hangend stuk metaal begint te roteren als er een magneetveld wordt aangeschakeld, kreeg hij de vooraanstaande Baumgartner prijs van de Weense Akademie der Wetenschappen. Nog een beroemde ontdekking geschiedde in 1925, toen Samuel Goudsmh en George Uhlenbeck — toentertijd nog studenten aan de Universiteit van Leiden — met het doel een voUedige beschrijving te geven van een elektron in een atoom het begrip elektronspin invoerden. Dit begrip speelt een centrale rol in de moderne kwantummechanische verklaring van aUe magnetische verschijnselen en vormt de essentie van het magnetisme zelf. Nog veel meer Nederlandse natuurkundigen zijn betrokken geweest bij de ontdekking, het experimentele onderzoek of de theoretische verklaring van magnetische effecten en verschijnselen, in het bijzonder Prof. CJ. Gorter, de opvolger van De Haas in het Kamerlingh Onnes Laboratorium in Leiden, en deze wetenschappelijke traditie heeft zich tot op de dag van vandaag voortgezet. Magneten en elektromagneten Natuurlijk magnetisme verscheen al sinds 800 v. Chr. in Griekse geschriften. Het mineraal magnetiet (formule: Fe304), waarvan bekend was dat het een sterke aantrekkingskracht tot ijzer vertoonde, werd gewonnen in de Griekse provincie Magnesia (in ThessaUê), waarvan de naam magnetisme afgeleid zou zijn. Plinius de Oudere echter schrijft de naam toe aan de herder Magnes: „de neus van zijn schoenen en het uiteinde van zijn staf bleven steken in een magneetveld tijdens het weiden van zijn kudde"; zo ontdekte hij de eigenschappen van magnetiet. In het Engels staat het mineraal algemeen bekend onder de naam „lodestone", dat eenvoudig „leidsteen" betekent en verwijst naar de eerste toepassing van magnetisme: het kompas, dat in China al in de 26e eeuw v. Chr. in gebruik was. In de Nederlandse benaming, „zeilsteen", komt dit ook tot uiting. In Europa werd het eerste experimentele onderzoek aan de zeüsteen beschreven in een Latijnse verhandeling uit 1269 door Petrus Peregrinus de Maricourt, die ook de woorden noordpool en zuidpool bedacht. De suggestie dat de aarde zelf een magneet was werd voor het eerst geuit door de Engelsman Wüliam GÜbert, in zijn in 1600 uitgegeven boek „De Magnete". Een belangrijke stap vooruit werd geboekt in 1820, toen de Deense geleerde Hans Christiaan Oersted zag dat een elektrische stroom door een draad een nabije magneet beïnvloedde. Dit luidde het begin in van de kunstmatige magneet of elektromagneet. Oersted nam waar dat een elektrische stroom door een draad een magneetveld rondom de draad veroorzaakte, waarvan de sterkte evenredig met de stroom was. Als men van de draad een spoel met vele windingen maakt, wordt het magneetveld gebundeld in het midden van de spoel. Aangezien iedere winding van de spoel een veldsterkte evenredig aan de stroom levert, zal de sterkte van het totale magneetveld van zo'n solenoide evenredig zijn aan het aantal windingen maal de stroom. In een elektromagneet wordt er een weekijzeren kern in zo'n spoel geplaatst.

64 en deze kunstgreep vergroot het magneetveld van de solenoide meer dan duizend keer. Door het veld van de stroom door de spoel wordt het ijzer gemagnetiseerd in de richting van het veld. Op deze manier ontwikkelt het ijzer zijn eigen magneetveld, dat opgeteld wordt bij het veld van de stroom. Het in het ijzer geihduceerde veld kan gemakkelijk duizend of meer keer zo groot zijn als het veld van de stroom alleen, zodat het ijzer het magneetveld van de stroom eigenlijk sterk vergroot. Veel belangrijke toepassingen van elektriciteit zijn gebaseerd op het vermogen met een elektromagneet magneetvelden aan en uit te schakelen. Deze variëren van een eenvoudige elektrische deurbel tot luidsprekers, elektromotoren, elektrische schakelaars in allerlei huishoudelijke apparaten en grote elektromagneten, die spoorraÜs kunnen optiUen en schakelaars op spoorlijnen kunnen bedienen, en ook ijzerdeeltjes en andere magnetische materialen kunnen optiUen en verwijderen. Tussen 3 en 4 tesla raakt een ijzerkern echter voUedig gemagnetiseerd en treedt er verzadiging op: een toename van het veld van de stroom vergroot het veld van de ijzerkern niet meer. Om praktische redenen is 3 tesla dan ook ongeveer het hoogste veld dat bereikt kan worden met een ijzerkernmagneet, hoewel elektromagneten met zulke hoge velden al monsterlijk lomp worden. De reusachtige solenoidemagneet met ijzerkern die De Haas bouwde voor zijn experimenten met adiabatische demagnetisatie - een van de grootste magneten die er ooit gemaakt zijn kon een veld leveren van 2,4 tesla an woog 14 ton; de druk tussen de poolschoenen bedroeg ongeveer 25 atm, (De tesla (T) is de eenheid van magnetische veldsterkte, d,w,z, de magnetische flux per vierkante meter. Een andere eenheid, meer in gebruik bij lage velden, is de gauss: 1 tesla is 10000 gauss. Het magneetveld van de aarde variëert van ongeveer een halve gauss aan de evenaar tot 1 gauss bij de magnetische polen.) Voor hogere velden dan 3 tesla zijn solenoiden met een luchtkern, zonder gebruik van ijzer, meer geschikt. Dit betekent echter niet dat de veldsterkte willekeurig vergroot kan worden door eenvoudig het aantal windingen of de stroomdichtheid door de spoel te vergroten. Er bestaan andere beperkingen. Omdat elke winding een zekere hoeveelheid ruimte in beslag neemt, wordt het maximale aantal windingen beperkt door de beschikbare ruimte. Verder wordt er vanwege de elektrische weerstand warmte ontwikkeld door de stroom, en een verdere verhoging van de stroom zal de draad laten smelten. Bovendien bestaat elektrische stroom uit een stroom van geladen deeltjes, de elektronen, die door een magneetveld worden afgebogen. Daarom voelt de stroom in een spoel een naar buiten gerichte druk, uitgeoefend door het magneetveld dat de stroom zelf heeft opgewekt. Als de stroom sterk genoeg wordt zal de solenoide onder invloed van deze binnen in de spoel opgewekte krachten uit elkaar spatten. Voor hoge magneetvelden is dan ook een krachtige koeling en een zeer sterke, robuuste bouw van de spoelen vereist. Het hoogste veld dat bereikt kan worden met een conventionele elektromagneet met luchtkern is ongeveer 8 tesla. Magneten voor hoge velden Voor het opwekken van hoge velden - die we enigszins wiUekeurig zuUen definiëren als velden boven 10 tesla - zijn er nieuwe methoden ontwikkeld. Magneten voor hoge velden kunnen in twee grote groepen onderverdeeld worden, nl, magneten die continue (vele uren durende) velden produceren, en magneten die velden van zeer korte duur opwekken. Er bestaan twee verschiUende methoden om velden van korte duur te genereren: de piihmethode, reeds in 1924 ontwikkeld door de

65 Russische fysicus Pjotr Kapitza (Nobelprijs 1978) die toentertijd werkzaam was aan de Universiteit van Cambridge in Engeland, en de implosiemethode, voor het eerst gebruikt door C M . Fowler van het Los Alamos Scientific Laboratory in de USA in 1960. Bij de pulsmethode wordt de benodigde elektriciteit langzaam verzameld in gigantische opslagcondensatoren, waarna deze in een duizendste tot een rmljoenste seconde plotseUng door de spoel heen worden ontladen. Vanwege de zeer korte pulsduur kunnen koelproblemen omzeüd worden; de thermische traagheid voorkomt dat de spoel verdampt. Op dezelfde manier houdt de mechanische traagheid de spoel bij elkaar, tegen de geweldige magnetische krachten in de spoel in. In 1965 echter ontwikkelden R. Gersdorff, F.A. Muher en L.W. Roeland op het Natuurkundig Laboratorium van de Universiteit van Amsterdam een pulsmagneet met een veel langere pulsduur. Door een vernuftige methode van ontladen konden ze magneetpulsen maken van 40 tesla, continu gedurende de relatief lange tijd van een tiende sekonde. Tot op heden is dit het hoogste veld dat zo lang constant gehouden kan worden. Door de enorm verwoestende magnetische krachten is een veld van 100 tesla ongeveer het hoogste dat met gepulste magneten opgewekt kan worden, mdien men tenmmste wü dat de magneten het overleven. Indien men de volledige vernietiging van de magneet wil aanvaarden, kunnen zelfs veel hogere velden, tot vele duizenden tesla, bereüct worden met de implosiemethode. Bij deze methode wordt er binnen een metalen ring of cilinder door middel van een pulsmagneet een hoog magneetveld opgewekt. Rondom de ring zijn in een concentrische opstelling explosieven aangebracht. Op het maximum van de puls worden deze explosieven tot ontploffing gebracht en wordt de ring door de resuherende schokgolf ineengedrukt. Omdat een magneetveld niet onmiddellijk door een metalen schild kan dringen, wordt het samengeperst tot een veel grotere dichtheid, met als resuhaat een toename van de veldsterkte met een factor honderd of meer. Op deze manier zijn velden van 3500 tesla bereikt in ongeveer een müjoenste seconde. Dh komt overeen met een druk van ongeveer 50 miljoen atm, d.w.z. een explosieve kracht van 184 ton TNT of ongeveer 14 maal de druk in het middelpunt van de aarde! Waaraan echter voor veel natuurkundige experimenten m het laboratorium de meeste behoefte bestaat zijn continue hoge velden. Die kunnen opgewekt worden met supergeleidende mei Aooï water gekoelde rnhgneien. Het voordeel van een supergeleidende magneet is, dat er geen problemen met de warmteontwikkeling optreden, omdat de weerstand nul is. Maar het vermogen van een supergeleider om elektriciteh te geleiden zonder weerstand wordt beperkt door de magnetische veldsterkte - naarmate het veld toeneemt kan er minder stroom doorheen gaan. Toch zijn supergeleidende magneten zeer veelzijdig; ze worden in praktisch alle gebieden van de natuurkunde gebruikt, en ook in de scheikunde, de biologie en de geneeskunde, wanneer er velden van minder dan 10 tesla nodig zijn. Anderzijds zijn supergeleidende magneten voor velden groter dan 10 tesla pas sinds ongeveer 1970 commercieel verkrijgbaar; ze zijn erg schaars en nog duur. Het hoogste veld dat bereikt is met een supergeleidende magneet is 17,5 tesla en werd verkregen in 1976, in het Japanse Nationale Research Instituut voor Metalen in Tokio. Om redenen van metallurgische aard is hiermee ook ongeveer de limiet vastgelegd die met de huidige bekende supergeleidende materialen bereikt kan worden. De spoelrnagneten die op het ogenblik in gebruüc zijn om velden boven 10 tesla op te wekken, zijn bijna allemaal van het BUter-type, een robuust en zeer efficiënt

66

100

50

Nested Bitter, coils

Hybrid magnet

Supercond.

CD

magnet

10 Bitter coil

A i r - c o r e d coil

Iron-cored

1900

1920

coil

1960

1940

1980

2000

Y e a r

Fig. 1 De maximale waarden van de statische magneetvelden die deze eeuw met verschillende technieken bereikt zijn. Let op de logarhmische schaal, welbekend van de wetenschappelijke groei: het hoogste behaalde veld verdubbelt zich ongeveer om de dertig jaar. — Spoel met weekijzeren kern Iron-cored coÜ Air-cored coÜ — Spoel met luchtkern Bitter coü — Bitterspoel Nested Bitter coils — Concentrische Bitterspoelen Supercond. magnet — Supergeleidende magneet Hybrid magnet — Hybride magneet ontwerp van wijlen Francis Bitter, voormalig directeur van het beste en grootste magnetenlaboratorium ter wereld, dat nu naar hem genoemd is: Het Francis Bitter Nationale Magnetenlaboratorium (FBNML) van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge, Mass., USA. De hoogste continue velden worden echter bereikt met de zogenaamde hybride magneet, een combinatie van zowel supergeleidende als met water gekoelde spoelmagneten, een uitvinding van Bruce

67 Montgomery van FBNML en, onafhankelijk van hem, Martin F.Wood van de Oxford Instrument Company in Engeland (Fig. 1). De Bitteimagneet In de Bittermagneet is op ingenieuze wijze eenvoud van ontwerp gecombineerd met compactheid, mechanische stevigheid en een groot koelvermogen. Hij bestaat uit goed geleidende cilindrische koperen schijven met een lage weerstand, ongeveer 1 mm dik, gescheiden door zeer dunne (0.076 mm) isolerende platen van mica. De radiaal lopende spleten van opeenvolgende koperen schijven zijn ten opzichte van elkaar op een zodanige wijze gedraaid, dat er zich door het opeenstapelen van beurtelings koperen en mica schijven een continue spiraalvormige spoel opbouwt (Fig. 2). Door de gehele stapel schijven (ongeveer 200 in aantal) loopt een duizendtal uit afzonderlijke gaten bestaande kanalen, waar met grote kracht koelwater door wordt gepompt. Het gatenpatroon van de schijven is ontworpen om een optimaal evenwicht te verkrijgen tussen twee tegenstrijdige eisen, nl. een zo groot mogelijke koperdoorsnede voor goede geleiding en dus lage warmteontwikkeling, en een zo groot mogelijke gatendoorsnede voor goed koelvermogen. Een vernuftig detail van de Bitter-constructie is dat de koperen platen niet gesoldeerd hoeven te worden, Fig. 2 Constructie van de Bittermagneet. Boven: patroon van koelgaten in een koperen schijf. De radiaal lopende spleet is gebogen en doorsnijdt op die manier geen koelgaten. (a) . Koperen scliijf met koelgaten. (b) . Isolerende schijf. (c) . Stapelpatroon. (d) . Bittermagneet.

68 maar door wrijving effectief onderling verbonden worden. De goede geleiding tussen de schijven aan hun uiteinden wordt bewerkstelligd door drukcontacten. De schijven worden op elkaar geperst door twee bronzen flenzen aan boven- en onderkant, vast aangeschroefd met verscheidene dikke bouten. Het resultaat is mechanisch sterk en stabiel, een compacte constructie met een hoogte van ongeveer een halve meter en een diameter van 60 tot 70 cm. De diameter van de werkruimte of boring is ongeveer 6 cm. Het Nijmeegse Magnetenlaboratorium heeft op het ogenblik twee Bittermagneten van 15 tesla; een derde wordt gebouwd. Deze magneten zijn zodanig opgesteld dat ze geroteerd kunnen worden om een as die loodrecht staat op de richting van het veld. De hybride magneet Bij de bouw van magneten met velden boven 10 tesla geldt als eerste zorg van de ontwerpers de structurele en mechanische bijzonderheden. De stromen die nodig zijn om de vereiste velden op te wekken, zijn van de orde van 10.000 ampère. Aangezien de geproduceerde energie evenredig is met het kwadraat van de stroomdichtheid maal de weerstand van de spoel en deze enorme hoeveelheid energie als warmte vrijkomt, zijn er reusachtige koehnstaUaties nodig, die ongeveer 4500 liter water per minuut verbruiken, om te voorkomen dat de spoel verdampt. Verder oefenen deze magneetvelden een geweldige druk uit op de stromen in de spoel die het veld hebben opgewekt. Bij 25 tesla bereikt deze druk de strekgrens van koper, en de spoel zal beginnen te smehen en gaan stromen als een vloeistof. Sterkere materialen, b.v. wolfraam, kunnen een hogere magnetische druk weerstaan, maar hun elektrische weerstand is zo groot dat het koelprobleem nagenoeg onoplosbaar wordt. Een van de technieken om deze moeilijkheden op te lossen is de methode van de in elkaar seJniivende spoelen, waarbij afzonderlijke spoelen met verschillende veldsterkten in een concentrische opstelling worden geplaatst. Deze configuratie heeft een effectiever ontwerp van de spoelen tot gevolg. Terwijl de stroomdichtheid van de binnenste spoel beperkt kan worden door plaatselijke spanningen, kan de stroomdichtheid in de buitenste spoel zo gekozen worden dat het meest efficiënt gebruik gemaakt wordt van het beschikbare vermogen. Met een watergekoelde magneet, bestaande uit drie spoelen in elkaar, heeft Bruce Montgomery op het FBNML een veld van 25 tesla geproduceerd, hetgeen ook het hoogst bereikbare is met deze opstelhng. Op vol vermogen verbruikte de magneet 16 miljoen watt en 9000 liter water per minuut. De hele magneet bevatte drie ton koper en de binnenste spoel kon een druk verdragen van 4200 atm., d.w.z. drie maal de druk op de bodem van de oceaan. Een veel economischer ontwerp is de zogenaamde hybride magneet, bestaande uit een watergekoeld systeem van twee spoelen in elkaar (de „insert"), omgeven door een supergeleidende magneet (Fig. 3). Deze configuratie, eveneens ontwikkeld door Montgomery, combineert de beste eigenschappen van zowel de supergeleidertechnologie met die van de met water gekoelde magneten. De grootste spoel, die normaal het grootste vermogen zou verbruiken en het laagste veld zou genereren, is nu vervangen door een supergeleider — en de kleinere spoelen, waarin de veldsterkte te groot is om supergeleiding in stand te houden, zijn gebouwd met het oog op hoge eisen wat betreft sterkte en koeling. Was er 16 miljoen watt nodig om 25 tesla te bereiken als er aUeen een watergekoelde magneet gebruikt werd, met een hybride magneet is er slechts 4,5 miljoen watt nodig om deze prestatie te bereiken, en met een pure supergeleidende magneet zou dit veld natuurhjk helemaal niet gehaald kunnen worden.

69 Fig. 3 De Nijmeegse liybride magneet. A. Gekoelde toegangsruimte door de elektrische verbindingen van de supergeleidende spoel. B. Verbinding voor toevoer van vloeibaar helium. _|. C. StralingsschÜd van de supergeleidende magneet. D. Idem. E. Binnenste Bitterspoel (8.3 tesla). F. Buitenste Bitterspoel (8.7 tesla). G. Supergeleidende spoel (9 tesla). H. Ingang voor koelwater en stroomdraadverbindingen van de Bitterinsert.

70 Er bestaan tegenwoordig drie onafhankelijlc van elkaar ontwikkelde hybride systemen: het Oxford-systeem (16 tesla, 2 müjoen watt), het MIT-systeem (22 tesla, 5 müjoen watt) en het systeem van het Kurchatov Instituut voor Atoomenergie in Moskou (25 tesla, 5,6 miljoen watt). De Nijmeegse hybride is een systeem van de tweede generatie, ontwikkeld uit het MIT-systeem van 22 tesla. Hij bestaat uh een supergeleidende buhenmagneet van 9 tesla met een boring van 33,5 cm en een voUedig onafhankelijke met water gekoelde insert. Door de gescheiden bouw kan de insert gewijzigd worden zonder de supergeleidende magneet te verplaatsen of te laten opwarmen. De insert bestaat uit twee spoelen in elkaar: een binnenste spoel van 8,3 tesla en 1,5 müjoen watt en een buitenspoel van 8,7 tesla en 4,5 mÜjoen watt. Het hele systeem is dus in staat een veld van 26 tesla te produceren in een bormg van 32 mm. Het Nijmeegse Laboratorium voor Hoge Magneetvelden De bouw van het Magnetenlaboratorium te Nijmegen werd afgesloten in 1973. In 1976 kwam het laboratorium in bedrijf, na de installatie van twee Bittermagneten van 15 tesla. De belangrijkste facUiteh is echter de hybride magneet van 26 tesla die in mei 1978 geplaatst werd. Er bestaan plannen voor een derde Bittermagneet en een tweede hybride systeem. Op het emde van de zestiger jaren, toen er aan de Universiteit van Nijmegen plannen werden gemaakt om het researchprogramma in hoge magneetvelden uit te breiden, was de enige bestaande hybride magneet het 22 tesla-systeem van MIT, en er waren geen verdere ontwikkeUngen gaande. In plaats van het eerste generatie-systeem van MIT na te bouwen werd er besloten een hybride systeem van de tweede generatie te bouwen, in een gezamenlijke onderneming van Nijmegen en MIT, en deze beslissing gaf een nieuwe impuls aan de ontwikkeling van continue hoge magneetvelden. De bouw van een supergeleidende magneet voor de buitenste spoel met zo'n hoog veld en met zo'n grote boring betekende een grote vooruitgang in de technologie. Op 16 mei 1977, voordat de magneet naar Nijmegen verscheept werd, werd er op het FBNML met de supergeleidende spoel en een insert van 22 tesla en 10 miljoen watt een rekordveld bereikt van 30,1 tesla. Dit is het hoogste continue veld dat ooit op aarde geproduceerd is. In Nijmegen bedraagt het voor de magneten beschikbare vermogen 6 miljoen watt; dit wordt geleverd door twee voedingen van 3 müjoen watt, die elk in staat zijn een stroom van 10.000 ampère te leveren bij een spaiming van 300 volt. De voedingseenheden hebben voor korte tijd een reserve-capaciteit van 100%, waarmee eenmaal per 15 minuten gedurende 1 minuut een totaal vermogen van 12 müjoen watt geleverd kan worden. Het koelvermogen is ruim voldoende om de maximaal mogeUjke door de voedingen afgegeven warmte af te voeren. Het koelcircuit bestaat verder nog uit een ijsbunker met 150 ton ijs en twee hogedrukpompen, elk met een pomp-capaciteit van 4500 Uter per minuut. Het Nijmeegse Magnetenlaboratorium staat open voor aUe natuurkundigen uit de hele wereld. Er zijn verscheidene gezamenlijke projecten ondernomen met natuurkundigen uit de USA, Groot-Brittannië, e.a. Tussen Nijmegen en andere magnetenlaboratoria bestaat een welwillende samenwerking. Enkele kenmerkende experimenten in hoge magneetvelden Als illustratie hoe magneetvelden er toe kunnen bijdragen om de horizon van de wetenschappelijke research te verbreden loont het de moeite enkele nogal onge-

71 wone en onconventionele experimenten te bespreken, die uitgevoerd zijn in verschillende laboratoria over de hele wereld. In 1933 meldde Otto Stern (Nobelprijs 1943) op de zevende Solvayvergadering (een van de beroemde natuurkunde-conferenties vóór de Tweede Wereldoorlog) de ontdekking dat het proton, de kern van het waterstofatoom, zich gedraagt als een ronddraaiende elementaire magneet met een goedgedefiniëerd magnetisch moment. Als zo'n ronddraaiende magneet in een magneetveld geplaatst wordt, moet hij volgens de wetten van de mechanica en de elektrodynamica een precessiebeweging gaan uitvoeren om de as van het veld, met een frequentie evenredig aan het aangelegde magneetveld: hoe hoger het magneetveld, des te hoger de precessiefrequentie. Deze precessie van de nucleaire magnetische gyroscoop werd ontdekt in 1945, onafhankelijk van elkaar door Felix Bloch aan de Universiteit van Stanford en door Edward M. PurceU aan de Harvard Universiteit; door gebruik te maken van elektromagnetische strahng met dezelfde frequentie als de precederende nucleaire magneet waren ze in staat de precederende kern te detecteren. Voor dit experiment, Nucleaire Magnetische Resonantie (NMR) genaamd, kregen Bloch en Purcell in 1952 de Nobelprijs voor natuurkunde. Tot het begin van de vijftiger jaren was NMR een techniek die uitsluitend door fysici werd gehanteerd, In de laatste decennia echter, met het beschikbaar komen van hogere magneetvelden met overeenkomstig hoger oplossend vermogen, maakte NMR zich los van de natuurkunde en werd het een prachtig, fascinerend middel tot onderzoek in de chemie, de biologie, de geneeskunde en andere wetenschappen. De atoomkernen die het gemakkelijkst gebruikt kunnen worden voor NMR-experimenten zijn waterstof ('H), de isotoop 31 van fosfor (^'P) en de isotoop 12 van koolstof (^^C); deze atomen zijn gewoonlijk aanwezig in organische en biologisch interessante verbindingen. Door het hoge oplossende vermogen is NMR uiterst gevoelig voor de scheikundige omgeving van het atoom waar het NMR-signaal vandaan komt. Daarom wordt in voldoende hoge velden elke chemisch verschillende groep gekenmerkt door een ander, zeer specifiek NMR-signaal,' Dit maakt het nemen van een eenduidige chemische „vingerafdruk" van zeer complexe materialen mogelijk (Fig, 4), Ook kan 'H-NMR toegepast worden op DNA-molekulen om de waterstofbruggen tussen de twee ketens te lokaliseren; daarom steUen NMR-experimenten ons in staat om direkt het „ontroUen" van de dubbele spiraal van Watson-Crick te volgen en kunnen ze ons op andere manieren niet toegankelijke informatie verschaffen, - Een met biologische processen nog dhecter verbonden experiment: ^'P-NMR-experimenten maken de studie van metabolieten in levende dieren mogelijk, waarbij ATP, ADP en andere fosfaten betrokken zijn, - Met magneetvelden die in de ruimte en de tijd variëren is het mogelijk 'H-NMR-signalen van water in de verschülende delen van het menselijk lichaam te detecteren, In combinatie met sneUe microprocessoren kunnen er afbeeldingen van de verdeUng van water binnen in het menselijk lichaam gemaakt worden, vergelijkbaar met röntgenfoto's, die een diagnosetechniek kunnen vormen met zeer weinig risico, zoniet zonder risico (Fig, 5), In het vorige jaar hebben onderzoekers NMRafbeeldingen gemaakt in 2 of 3 minuten, die detaÜs van niet meer dan 2 mm kunnen onderscheiden. Een mogelijke toepassing van deze techniek ligt in de kankerdiagnose; diagnose van hersenafwijkingen wordt waarschijnlijk een van de eerste medische toepassingen van NMR, Nog meer toepassingen, zoals het opsporen

1,

Vgl, M,J.A. de Bie, Nat. Voordr. N.R. 59, blz. 47.

72

c

CHa—C-—O—CH2—CH3 c

a

b

Fig. 4 Nucleaire Magnetische Resonantie (NMR) in organische materialen (chemische „vingerafdrukken"). 'H-NMR-signaal in ethylacetaat. (Naar Prof. E. de Boer, Research Instituut voor Materialen, Universiteit van Nijmegen.) van hartaanvaUen, zijn welhcht mogelijk, ook al is het niet op korte termijn. Er moet op gewezen worden dat de kwaliteit van een NMR-afbeelding wehswaar nooit zo goed is als van een röntgenfoto, maar dat daarentegen NMR medisch meer van nut kan zijn. De bestudering van de directe effecten van statische magneetvelden op levende organismen heeft de afgelopen jaren erg in de belangstelling gestaan. Het staat buiten kijf dat in sommige situaties magneetvelden inderdaad invloed hebben op biologische systemen. De door R.P. Blakemore van de Universiteit van New Hampshire (USA) bestudeerde micro-organismen zijn duidelijke, typerende voorbeelden van zo'n invloed. Blakemore nam waar dat verscheidene soorten van bepaalde bacteriën, zowel uit een zoet- als een zoutwatermilieu, zich richten volgens en zwemmen in een voorkeursrichting in het geomagnetische veld (magnetotaxis). Een magnetotactische spirillum, aangeduid als strain MS-1, werd gescheiden van een zoetwatermoeras en gekweekt op een zuivere cultuurbodem, en men toonde ondubbelzinnig aan dat er in de ceUen van de bacteriën ijzer aanwezig was in de vorm van magnetiet (Fe304); de bacteriën gedroegen zich dan ook als afzonderlijke magnetische dipolen. In de meeste gevallen van effecten van magneetvelden op biologische systemen is zo'n microscopische verklaring, gebaseerd op de fundamen-

73

tele wetten van de natuurkunde, echter afwezig. Dit kan leiden tot aanzienlijke controverses over biomagnetische effecten. Wat dit betreft zijn de experimenten van H.F. Linskens van de afdeling botanie van de Universiteit van Nijmegen zeer interessant en verhelderend. Hij toonde aan dat in een hoog homogeen magneetveld het aantal chromosoomaberraties tijdens de meiosedeling in het sporendragende weefsel Fig. 5 In vivo Nucleaire Magnetische Resonantie-afbeeldingen. (a) . Een NMR-afbeelding van de verdeling van bewegende protonen in een dwarsdoorsnede van de linkerpols van Dr. P.A. Bottomley. (b) . Een illustratie uit een leerboek voor anatomie, waarin veel details voorkomen die in de NMR-afbeelding zichtbaar zijn. (Uh W.S. Hinshaw, P.A. Bottomley en G.N. Holland, Nature 270, 722 (1977).)

a

U l n a r n. and a. — - i Abductor • digili m i n i m i

Flexor rclinaculum Flexor , , , carpi radialis A b d u c t o r Median n . l polllcis longus Extensor pollicis brevis

Pisirorni

Trapezium —

Triquclrum

E x t e n s o r pollicis longus

E x t e n s o r c a r p i ulnari.sF.xlcnsor diyili minimi

• Extensor carpi radialis longus E x i e n s o r carpi radialis brevis

Capitate E x t e n s o r digitorum

b

R a d i a l a.

—-Scaphoid

E x i e n s o r indicis

74 van de lelie groter dan normaal is. In de verklaring van dit biomagnetische effect moet ook wanorde in de nucleiiiezuur- en eiwitsynthese optreden, want Klaus Dransfeld en zijn medewerkers van het Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in het Westduitse Stuttgart hebben aangetoond dat nucleihezuren anisotrope diamagnetische stoffen zijn. De waargenomen verstoring van de meiosedeling in pollenmoedercellen kan daarom het gevolg zijn van de gedwongen oriëntatie van het DNA en de basiseiwitten van de chromosomen in het magneetveld. Magneetvelden kunnen ook tot hulp zijn bij het beantwoorden van zeer nuchtere vragen van meer industriële aard, verbonden met ecologische problemen. Een belangrijke activiteit van de moderne industrie is het scheiden van mengsels van kleine deeltjes; de gewenste deeltjes worden behouden en de ongewenste afgevoerd. Veel verschülende scheidingstechnieken, waaronder fihreren, laten drijven en bezinken, zijn economisch praktisch gebleken. Als de deeltjes magnetisch zijn zouden vanzelfsprekend ook magneetvelden kunnen worden gebruikt voor de scheiding. Reeds in 1792 werd er aan WiUiam FuUarton een Brits patent verleend voor zo'n systeem van magnetische scheiding, en in 1880 stelde Thomas Edison de aanleg van een industrieterrein voor om 0,7 müjoen ton ijzererts per jaar magnetisch te scheiden. Een recente vooruitgang in deze techniek zou wel eens revolutionair kunnen blijken en de weg kunnen openen naar een economische aanpak van een breed scala van scheidingsproblemen. Deze nieuwe techniek staat bekend als High Gradient Magnetic Separation (HGMS) en berust op de enorme magnetische krachten die zich kunnen ontwikkelen als een niet-homogene ferromagneet, zoals staalwol, in een hoog magneetveld wordt geplaatst. Deze krachten kunnen dan gebruikt worden om fijne, slechts zwak magnetische deeltjes te extraheren, of zelfs, met behulp van zgn. inzaahechnieken, deeltjes die helemaal niet magnetisch zijn. In de afgelopen jaren is de HGMS-techniek met succes gebruikt voor het bewerken van delfstoffen en aarde, voor het ontzwavelen en „schoonmaken" van kolen, voor waterbehandeling, voor het regelen van de uitstoot van industriegassen, voor het terugwinnen van ijzeroxide uit vliegas en voor magnetische scheiding in de chemie, de katalyse en de biochemie.^

2.

Zie oolc, W.L. Dalmijn, Nat. Voordr. N.R. 61.

GESLACHTSHORMONEN EN HUN BESTURING door G.P. van Rees Hormonen zijn stoffen die door liet bloed getransporteerd worden en overal in het lichaam terechtkomen. In bepaalde weefsels zijn receptoren aanwezig, waardoor het hormoon „herkend" kan worden. Het wordt op een specifieke wijze aan de receptoren gebonden. Hierdoor wordt een proces in gang gezet dat uiteindelijk leidt tot het waarneembare effect. Zo ontstaat een regelsysteem, dat lichaamsfuncties van de meest uiteenlopende aard kan besturen. Dit hormonale regelsysteem kan worden onderscheiden van het neuronale regelsysteem, waarbij de impulsen via zenuwen de eindorganen bereiken. Tussen beide systemen bestaat een duidelijke overgang/verbinding: dit wordt aangegeven door de term „neuro-endocrinologie". Neuronen immers, geven hun impulsen door via het vrijmaken van stoffen, neurotransmitters, welke inwerken op receptoren die gelegen zijn op een volgend neuron of op het eindorgaan. In dit geval hoeft de neurotransmitter slechts een kleine afstand van enige A te overbruggen. Het is echter ook mogelijk dat de neurotransmitter aan het bloed wordt afgegeven waarbij dus de situatie ontstaat dat een zenuw een hormoon afgeeft, Op deze wijze kan neuronale activiteit vertaald worden in humoraal overgebrachte boodschappen (voorbeelden: stress, dag/nacht-ritme, enz,). Omgekeerd zijn op vele neuronen receptoren aanwezig, waarmee hormonen de neuronale activiteit kunnen beiiivloeden. Een tweede definitie die eerst besproken moet worden is die van geslachtshormonen. Dit zijn hormonen, die: 1) de functie van de geslachtsorganen regelen en 2) verantwoordelijk zijn voor de geslachtskenmerken. Geslachtsorganen hebben direct met de voortplanting te maken. Zij zijn verder in te delen in primaire (de gonaden: testes en ovaria) en secundaire, die weer afhankelijk zijn van de gonaden (bijv. uterus of prostaat). De geslachtskenmerken hebben geen direct verband met het geslacht, maar men pleegt er het (fenotypische) geslacht aan te herkennen: beharing, verenkleed, stemhoogte, etc. De secundaire geslachtsorganen en de geslachtskenmerken worden gestuurd door geslachtshormonen, die voornamelijk afkomstig zijn uit de gonaden. Deze relatie is sinds eeuwen bekend: castratie met het doel bepaalde geslachtskenmerken tot verdwijning te brengen, resp, te voorkomen dat deze zich ontwikkelen, is een oeroude cultuurhandeling wat onder andere tot uiting komt in het bestaan van aparte woorden om de toestand van het gecastreerd zijn aan te geven. De stier verliest zijn agressiviteit en het vlees wordt cosumabel; hetzelfde geldt voor de gecastreerde haan, de kapoen; de gecastreerde man zou zijn geslachtsdrift verliezen (eunuchen als harembewakers). Wanneer de castratie is uitgevoerd vóór de puberteit, behoudt hij een hoge stem: rollen voor castrato's in opera's.

Natuurkundige Voordrachten N.R. 61. Lezing gehouden voor de Koninklijke Maatschappij voor Natuurkunde Diligentia te 's-Gravenhage op 10 januari 1983.

76 Berthold (1849) castreerde hanen, maar transplanteerde de verwijderde testes in de buikliolte. Het bleek, dat deze dieren niet de kenmerkende veranderingen ondergingen die anders na castratie optreden: zij behielden alle kenmerken van een normale geslachtsrijpe haan. Aangezien zenuwingroei in de getransplanteerde testes niet plaatsvond, concludeerde hij dat de karakteristieke kenmerken van een haan het gevolg moesten zijn van de inwerking van stoffen, die, afgescheiden door de testikels, via de bloedbaan getransporteerd zouden worden. Deze gedachtengang is te beschouwen als het begin van de endocrinologie. De volgende stap was het isoleren van deze stoffen en het vaststellen van hun structuur. Dit is uheindelijk in de 20er en 30er jaren gelukt, waarbij Laqueur in het Amsterdamse Farmacologische Laboratorium een grote rol heeft gespeeld. Het zijn steroiden en zij kunnen grofweg in drie groepen worden ingedeeld; — oestrogenen met als belangrijkste vertegenwoordiger: oestradiol — progestagenen: progesteron — androgenen: testosteron De oestrogenen zijn verantwoordelijk voor de meeste vrouwelijke geslachtskenmerken, androgenen voor de mannelijke geslachtskenmerken en progestagenen spelen een rol bij het mogelijk maken en onderhouden van de zwangerschap. Men noemt hen wel vrouwelijke en mannelijke geslachtshormonen, maar de testis maakt oestrogenen en het ovarium androgenen. Bovendien kunnen androgenen in oestrogenen worden omgezet: dit verklaart het vrouwelijke fenotype dat ontstaat bij mannen waarbij door een enzymdefect de mannelijke effecten van testosteron niet tot uiting kunnen komen. De hypofyse is een klein orgaan, gelegen tegen de hersenbasis, bij de mens beschut door het Turkse zadel van de schedelbasis. Zij bestaat uit een voor-, midden- en achterkwab. De hypofyse-achterkwab is te beschouwen als een uitstulping van de hersenen; zij is endocrinologisch belangrijk maar niet voor ons betoog. De hypofyse-middenkwab heeft met de hypofyse-voorkwab een andere oorsprong; embryologisch stamt zij uit de mondholte. De Latijnse naam is glandula pituitaria (Eng. Pituitary gland), hetgeen slijmklier betekent. Vesalius stelde dat de spirhus animalis zou opstijgen naar de hersenen, daar condenseren en vervolgens via de hypofyse verwijderd worden naar de keel-neusholte. De fysiologische betekenis van de hypofyse blijft lange tijd onbekend. In het eind van de 19e eeuw kan men lezen: „de hypofyse is een rudimentaire klier". In de 30er jaren wordt men echter de (moeilijke) experimentele techniek van de hypofysectomie bij proefdieren meester: dan blijkt dat na verwijdering van de hypofyse een atrofie optreedt van de bijnieren, de schildkher en de gonaden, terwijl er ook een groei-achterstand ontstaat. Deze defecten kunnen worden opgeheven door de gehypofysectomeerde proefdieren in te spuiten met waterige extracten van hypofyses. We weten nu dat de hypofyse eiwit-achtige hormonen afscheidt: — ACTH (Adrenocorticotroop Hormoon), dat de bijnierschors stimuleert — TSH (Thyroid Stimulating Hormone), dat de schildklieren stimuleert en de gonadotrope hormonen. Deze zijn: LH (Luteiniserend Hormoon) FSH (Follikel Stimulerend Hormoon) Prolactine Voor de volledigheid dient hieraan toegevoegd te worden, dat bij verschillende dier-

77 soorten, inclusief de mens, de placenta gonadotrope hormonen maakt. Bij de mens is het HCG (Humaan Chorion Gonadotropine) het belangrijkste, dat, hoewel chemisch niet identiek, biologisch dezelfde effecten heeft als het LH. Hun werldngen zijn als volgt schematisch samen te vatten: Ó

9

LH

spermatogenese testeron produktie

ovulatie vorming/handhaving corpora lutea oestrogeen- en progesteronsecretie

FSH

Spermatogenese

foUikelgroei oestrogeen-secretie

Prolactine

?

melk-secretie remming ovariële cyclus

In vrijwel dezelfde tijd ontdekt men het negatief terugkoppeUngsmechanisme, in het onderhavige geval inhoudend dat de steroide geslachtshormonen de secretie van gonadotrope hormonen door de hypofyse afremmen, met name die van LH en van FSH. Hoewel men het zich pas veel later, nl. vanaf de zestiger jaren begon te realiseren, kan hier alvast aan toegevoegd worden, dat met name de oestrogene geslachtshormonen ook deelnemen aan wat men wel een positief terugkoppelingsmechanisme noemt, en onder bepaalde omstandigheden juist de secretie van gonadotrope hormonen kunnen stimuleren. Dit effect, waaiTan het mechanisme nog zeer duister is, is fysiologisch van groot belang omdat het een centrale rol speelt bij het tot stand komen van de ovulatie. Hier wordt later op teruggekomen. De volgende ontwikkehng stamt uit de veertiger en vijftiger jaren: het vaststeUen dat de hypofyse op zijn beurt gestuurd wordt door het Centraal zenuwstelsel (CZS). De hypofyse is met het meest nabij gelegen deel van het CZS, de hypothalamus, verbonden door bloedvaten. Een directe neurale verbinding is niet aanwezig. Doorsnijding van deze verbinding of transplantatie van de hypofyse naar een plaats die ver van het CSZ gelegen is (bijv. onder de nierkapsels), leidt tot atrofie van de gonaden als een gevolg van een afname van de secretie van FSH en LH. Prolactine wordt daarentegen in toegenomen hoeveelheden afgescheiden. Dit leidde tot de hypothese, dat in de hypothalamus stimulerende en remmende factoren zouden worden afgescheiden, die via de verbindende vaten („porta-vaten") naar de hypofyse worden gevoerd en daar de secretie van de desbetreffende hypofysaire hormonen aanzetten dan wel afremmen. Deze factoren („releasing factors" en „inhibiting factors") zijn te beschouwen als neuro-hormonen; afgescheiden door zenuwen en afgegeven aan de porta-vaten. Dit geldt niet aUeen voor de regulatie van de secretie van de gonadotrope hormonen, maar evenzeer voor die van het GH, TSH en ACTH. Onderzoek naar de structuur en de isolatie van deze factoren leidde in de 60er jaren tot succes: het LH-RH (Luteinizing Hormone-Releasing Hormone) is een decapeptide en stimuleert de secretie van zowel L H als FSH. Het Prolactin-inhibiting hormone bleek dopamine te zijn, een eenvoudige stof die elders in het CZS ook als neurotransmitter wordt afge-

78 geven door de zenuwen. Hiei-van wordt wel gebruik gemaakt door de toepassing van dopamine agonisten bij sommige vormen van steriliteit die veroorzaakt worden door een te hoge prolactine-secretie. Ook de bekende negatieve en positieve terugkoppelingseffecten blijken voor een deel een gevolg te zijn van een centraal aangrijpen: de eerste gegevens hiervoor werden verkregen door kleine hoeveelheden van de desbetreffende steroiden in het CZS te implanteren. Via de beihvloeding van de activiteit van de neuronen die LHRH afgeven, kunnen ook zaken als stress of dag/nacht-ritmes de secretie van de gonadotrope hormonen, en daarmee het voortplantingsgebeuren, beihvloeden. Via het CZS Wordt zo bijvoorbeeld de geslachtsrijping, de puberteit, in gang gezet. Hier zal nu niet verder op worden ingegaan. Wel past in het betoog, dat thans de mechanismen die de ovulatie sturen, kort worden besproken. De ovulatie wordt vrijwel altijd teweeggebracht door een piekvormige uhstorting van LH. We hebben al gesteld, dat oestrogenen daarbij een belangrijke rol spelen, maar afhankelijk van de diersoort is daar meer voor nodig. Bij het konijn bijvoorbeeld, geschiedt de ovulatie reflectoir. Als onder invloed van het FSH de foUikels tot ontwikkeling zijn gekomen, treedt er niet automatisch een ovulatie op. Hiertoe zijn zenuwprikkels nodig, die worden opgewekt door copulatie. Dan worden zenuwuiteinden in de wand van de vagina geprikkeld, de zenuwimpulsen worden naar het CZS geleid en veroorzaken daar ten slotte een uitstorting van LH-RH, die leidt tot een LH-piek met als gevolg ovulatie. Bij kleine knaagdieren zoals de rat, geschiedt de ovulatie „spontaan" om de 4-5 dagen, waarbij de exacte timing van de ovulatie gestuurd wordt door het licht/ donker-ritme. Dat een 24-uurs ritme hieraan ten grondslag ligt, kan gemakkelijk worden aangetoond door de volgende twee experimenten. Wanneer men vlak voordat de ovulatie-piek van de LH-secretie een rat een lang werkend narcoticum toedient, waardoor het dier gedurende ongeveer 2-3 uur onder narcose blijft, wordt de ovulatie-piek voorkomen: gemakkelijk te begrijpen omdat met de narcose ook de neurale activiteit van de neuronen die het LH-RH afgeven, geremd wordt. De voh gende ovulatie-piek verschijnt nu exact 24 uur later. Ook deze piek is te onderdrukken door een narcose, met als gevolg wederom 24 uur uitstel. Ten tweede: als gecastreerde ratten chronisch blootgesteld worden aan oestrogenen, ziet men ovulatiepieken die om de 24 uur optreden. Waarom onder normale omstandigheden de ovulatie slechts om de 4 of 5 dagen optreedt, is enerzijds het gevolg van tijdelijke afwezigheid van oestrogenen, anderzijds van aanwezigheid van het progesteron, dat de ovulatie-piek kan onderdruldcen. Bij de mens overigens speelt voor zover bekend het licht/donker-rhme een veel geringere rol. Op deze wijze kunnen wij twee typen van LH-secretie onderscheiden: een min of meer constante, of basale secretie en daarnaast een piekvormige, die verantwoordelijk is voor het induceren van ovulaties. De piek wordt door oestrogenen geihduceerd. Wij moeten ons de basale secretie echter niet voorstellen als een continue secretie zonder fluctuaties. Wanneer ratten gecannuleerd worden, kunnen wij onder bepaalde voorzorgen vrijwel ongemerkt (d.w.z. stress4oos) bloedmonsters afnemen. Wanneer wij dit met een vrij hoge frequentie doen, bijv. elke 5 minuten, zien wij dat het LH-gehahe fluctueert met pulsen die ongeveer elke 20 minuten optreden. Wanneer nu ratten via een infuus continu LH-RH toegediend kregen, bleek dat het bloed LH-gehalte slechts tijdelijk verhoogd was: na een piek daalde het LH-gehalte weer, ondanks de voortdurende aanwezigheid van LH-RH, Hetzelfde fenomeen kon in vitro worden aangetoond; hierbij kon worden bewezen dat de ongevoeligheid geen gevolg was van een uitputting van

79 de in de liypofyse aanwezige hormoonvoorraad, maar dat een ander proces eraan ten grondslag moest liggen. Tegenwoordig weten wij dat een dergelijke continue stimulatie in sommige gevallen leidt tot een afname van het aantal beschikbare receptoren, hoewel dh voor de LH-RH receptoren nog niet is aangetoond. Het is zelfs mogelijk, dat geheel andere processen luerbij een rol spelen. In ieder geval behoedt de natuur de hypofyse voor ongevoehgheid door het LH-RH pulsgewijs te laten afgeven. Hier kan aan worden toegevoegd, dat hetzelfde probleem van de ongevoeligheid ook bij de mens optreedt: tegenwoordig wordt LH-RH wel gebruikt bij de inductie van ovulaties door pulsgewijs (via een draagbaar pompje) LH-RH toe te dienen. Overigens kan de respons van de hypofyse op LH-RH door verschillende factoren gewijzigd worden. Wij noemden al het negatieve en poshieve terugkoppelingsmechanisme, wat hier betekent, dat oestrogenen snel na toediening leiden tot een ongevoeligheid van de hypofyse voor het LH-RH, maar na enige tijd tot een verhoogde gevoeligheid. Wat het mechanisme hieiTan is, is nog onvoldoende bekend. Voorts kan LH-RH ook op andere wijze de reacties van de hypofyse beihvloeden. Een eerste voorbeeld is het zogenaamde „self-priming" effect: wanneer twee injecties van LH-RH gegeven worden met een tussenpoos van ongeveer een uur, is de LHsecretie in respons op de tweede injectie van LH-RH veel groter dan die op de eerste. Dh fenomeen is in ons laboratorium de laatste jaren bestudeerd. Het komt doordat het LH-RH, naast een dhect secretie-bevorderend effect, nog een andere werking heeft. Het induceert de vorming van eiwitten, die bepalen hoeveel LH kan worden afgegeven. Aangezien deze eiwhten enige tijd in de hypofyse aanwezig blijven, kan bij een tweede exposhie aan LH-RH het effect groter zijn dan bij een eerste. Ook de afwezigheid van LH-RH kan merkwaardigerwijs de reactie van de hypofyse op LH-RH doen toenemen: wanneer een anti-serum tegen LH-RH wordt ingespoten en na 24 uur de hypofyses worden geihcubeerd met een analogon van LH-RH dat niet met het anti-serum reageert, blijkt de respons hierop te zijn toegenomen. Het mechanisme van deze toename is tot nog toe geheel duister. Resteert dus te vermelden, dat de reactie van de hypofyse op het LH-RH op aUedei manieren gemodificeerd kan worden, niet alleen door steroide geslachtshormonen, maar ook door andere factoren, zoals de voorafgaande expositie aan het LH-RH zelf. Tot slot nog twee zaken. De eerste is het merkwaardige feh, dat LH-RH de secretie van zowel LH als FSH stimuleert. Een apart FSH-RH is nooh aangetoond. Wel kan de secretie van het FSH apart worden beïnvloed. Een van de mogelijkheden waariangs dit zou kunnen verlopen is een apart eiwhachtig hormoon dat door de gonaden wordt afgescheiden en inhibine wordt genoemd. Het remt selectief de FSH-secretie en laat die van LH onaangetast. Ons begrip over de fysiologische rol van het inhibine staat nog in de kinderschoenen. Het tweede heeft te maken met de door LH-RH teweeggebrachte ongevoeligheid van de hypofyse. Van LH-RH zijn vele synthetische modificaties gemaakt. Sommige daarvan zijn uherst actief. Dit komt voornamelijk doordat zij in tegenstehing tot LH-RH, dat zeer snel wordt afgebroken en een halfwaardetijd van 2-5 minuten heeft, zeer langzaam geëlimineerd worden. Dergelijke analoga blijken een contraceptief effect te hebben. Ten dele is dh het gevolg van een door de continue aanwezigheid geihduceerde hypofyse-ongevoeligheid zoals boven omschreven, maar er zijn thans duidelijke aanwijzingen dat dh ook een gevolg kan zijn van een aangrijpen direct op de gonaden. In fehe zijn er onlangs LH-RH-„receptoren" in zowel ovaria

80 als testes aangetoond. Het is door de snelle eliminatie uiterst onwaarschijnlijk dat LH-RH uit de hypothalamus een directe inwerldng op de gonaden uitoefent. Waarschijnlijker is het, dat ook de gonaden LH-RH-achtige stoffen produceren, die lokaal een regelende invloed uitoefenen.

METEORIETEN EN INSLAGKRATERS door L.M.J.U. van Straaten Meteorieten zijn gesteentebrokken, afkomstig uit de interplanetaire ruimte, die terecht zijn gekomen op planeten en hun manen. De snelheid waarmee meteoneten en andere, kleinere objecten de aardatmosfeer binnenkomen bedraagt in de meeste gevallen tussen 10 en 30 km per sec. Door deze grote snelheid is ook de wrijving met de atmosferische gassen enorm, en ondergaan de binnenvliegende objecten smelting, gepaard gaande met lichtverschijnselen. De hoogte waarop de hchtuitzending begint Hgt vaak tussen 150 en 100 km, ofschoon de dampkrmg daar nog uiterst ijl is. Het gesmolten materiaal verstuift als druppels die onmiddellijk daarna stoUen. Kleine partikels raken op deze wijze geheel opgesmohen voor ze de aardoppervlakte bereiken. De lichtflitsen die bij de binnenkomst van kleine objecten ontstaan worden meteoren genoemd, en zijn alleen 's nachts zichtbaar. Overigens zijn de meeste meteoren vermoedelijk niet van meteorietische oorsprong, maar zijn het partikels uit de staarten van „vroegere" kometen. Alleen van grotere stukken komt ondanks het smehen nog een kleiner of groter deel op de aarde terecht. Hun „vallen" veroorzaken veel sterker lichtverschijnselen, ook zichtbaar bij dag (soms zelfs verblindend, „vuurboUen") en gaan samen met een luid rommelend en knallend geraas. De afgestoven druppels vormen bij dag een lang rookspoor. Door de wrijving met de atmosfeer worden veel meteorieten al voor ze op de aarde komen in stukken uheengerukt. Soms worden op deze wijze hele zwermen gevormd, bij relatief losgepakte meteorieten zelfs van duizenden of tienduizenden brokstukken. Enkele malen zijn de lichtbanen van meteorieten in de dampkrmg van verschillende punten uh gefotografeerd. Daaruh is dan hun oorspronkelijke baan te berekenen. Het blijkt dat ze afkomstig zijn uh ons zonnestelsel en deel uitmaakten van de groep der planetoïden. Dit zijn taUoze kleine, overwegend zelfs zeer kleine hemeUichamen, waarvan de meeste banen beschrijven tussen die van Mars en Jupiter. Een deel echter heeft banen die zo excentrisch zijn dat ze de aardbaan kruisen; deze kunnen dus als meteorieten op de aarde terecht komen. Er zijn 4 hoofdklassen van meteorieten: ijzermeteorieten, chondrieten, achondrieten en steenijzermeteorieten. De ijzermeteorieten bestaan in hoofdzaak uh nikkeh houdend ijzer. Bij doorzagen, slijpen en etsen vertonen de meeste een structuur van lamellen (fig. 1) in 4 richtingen (die van de vlakken van een oktaëder): de brokken zijn a.h.w. stukken van zeer grote kristallen. Ze zijn blijkbaar gevormd door stolling van een oorspronkelijk gesmolten massa. Uit de verdeling van het nikkel in de lameUen valt af te leiden hoe snel het materiaal na de vastwording is afgekoeld: gewoonlijk tussen 1° en 10°C per miljoen jaar. Hieruit kan weer geconcludeerd worden dat ze oorspronkelijk gevormd zijn in hemellichamen met diameters van de

Natuurkundige Voordracliten N.R. 61. Lezing gehouden voor de Koninklijke Maatschappij voor Natuurkunde Diligentia te 's-Gravenhage op 24 januari 1983.

82

1)

•>

ID

I,

' il

orde van enige honderden km: relatief grote planetoïden, die door onderlinge botsingen in stukken uiteen zijn gespat. Chondrieten bestaan overwegend uit silicaten (meest magnesiumsiÜcaten). Daarnaast bevatten ze kleine stukjes nikkelhoudend ijzer. Hun naam danken ze aan de aanweziglieid van (soms talrijke) „chondren", kleine bolletjes (meest < 1 mm) van silicaatmateriaal (ook wel eens ijzer). Het zijn overwegend gestolde vloeistofdruppels. De achondrieten bevatten geen chondren, en bestaan geheel of zo goed als geheel uit silicaten, zonder vrij (metallisch) ijzer. De steenijzermeteorieten, tenslotte, zijn opgebouwd uit min of meer gelijke hoeveelheden (nikkel)ijzer en silicaten. In totaal zijn ongeveer 1000 vaUen van meteorieten of meteorietzwermen waargenomen waarbij ook het materiaal is verzameld.' Ingedeeld naar de aard van de meteorieten waren circa 86% hiervan chondrietvallen, 5i4% ijzermeteoriet vallen en 7% achondrietvaUen. De chemische samensteUing van chondrieten vertoont wel aUerlei variaties, maar de verschillen zijn niet erg groot. Uitgedrukt in hoeveelheden atomen van de verschillende chemische elementen is de gemiddelde samensteUing opmerkelijk gelijk aan die van de (buitenzijde van de) zon. Uitzonderingen zijn hierbij waterstof en de edelgassen die ook bij lage temperaturen gasvormig zijn en uiteraard in meteorieten alleen in sporen aanwezig kunnen zijn. Het meest uitgesproken is de overeenkomst 1. Voorzover bekend is daarbij slechts éénmaal een mens getroffen, en dan nog slechts indirect. Dit was in 1954, in Syldcauga (Alabama); het slachtoffer, dat aheen blauwe plekken opliep, was Mevr. Ann Hodges, die, met twee dekens toegedekt, te slapen lag op een rustbank. De steen, een 4 kg zware chondriet, was door het dak van de woning en het plafond van haar kamer geslagen en raakte haar pas na nog in de kamer te zijn teruggestuit.

83 tussen de elementenverdeling in de zon en in de zgn. koolstofrijke chondrieten. Men neemt aan dat deze chondrieten a.h.w. monsters zijn van het oernevelmateriaal (minus waterstof en edelgassen) waaruh door samenballing de zon en de planeten zijn ontstaan. Nu is de gemiddelde samenstelling van de buitenkant van de aarde (de aardkorst) een geheel andere: veel meer aluminium, calcium, natrium en kalium, en veel minder magnesium en ijzer, Het is echter duidelijk dat de aarde kort na de samenballing, vermoedelijk door radioactieve warmteontwikkeling, tijdelijk geheel gesmolten is geweest, waarbij het (nikkel)ijzer dat in vloeibare toestand onmengbaar is met silicaten, zich als druppels heeft afgescheiden die tengevolge van de hoge dichtheid naar beneden zakten. Aldus werd de „aardkern" gevormd, met daaromheen de voornamelijk uit magnesiumsilicaten bestaande „aardmantel". Uit de mantel heeft zich verder weer het lichtste materiaal afgescheiden als (relatief zeer dunne) aardkorst. Ook in grotere planetoïden moet zich hetzelfde proces hebben afgespeeld, en ontstonden kernen van ijzer en mantels van achondrietische samensteUing, In de veel rijkelijker kleine planetoïden werd de radiogene warmte sneller afgevoerd zodat ze ongesmohen bleven; hier vond dus geen differentiatie plaats en hun samenstelling bleef chondrietisch. Kleine meteorieten (b.v, 10 kg en minder) worden in de atmosfeer zo sterk geremd dat ze uiteindelijk op de grond komen met sneUieden van niet meer dan 100 a 200 m per sec, In niet-rotsachtige bodem kunnen ze dan enkele dm diep doordringen. Bij de inslag van grotere meteorieten ontstaan kratervormige kuilen, die bij de oppervlakte doorsneden hebben die vele malen groter zijn dan die van de meteorieten zelf. Bij de meteoriet(zwerm) van 1947 in SUchote Alin, chca 375 km NO, van Wladiwostok, werden tientaUen van zuUce kraters gevormd. De grootste had een diameter van 26 m en een diepte van 6 m. Het daar gevaUen brokstuk woog (voor het bij de inslag uiteenspatte) vermoedelijk + 3 ton. Nog weer grotere meteorieten komen neer met zulke (supersonische) sneUieden dat ze bij de inslag, door de plotseUnge omzetting van bewegingsenergie in warmte, grotendeels of geheel verdampen. Vanzelfsprekend gaat ook het gesteente van de aardoppervlakte ter plaatse in dampvorm over. Op deze wijze worden relatief wijde „explosiekraters" gevormd, In het algemeen is trouwens bij inslagkraters de diepte t,o,v, de diameter des te kleiner naarmate de krater groter is. De kraters zijn omgeven door ringwallen van weggeblazen (en^opgeduwd) gesteente. Het bekendste voorbeeld van een explosie krater is de Meteor Crater in Arizona, Deze is vermoedelijk enkele tienduizenden jaren geleden gevormd, heeft een doorsnede van ruim 1 km, en een diepte (beneden de 50 m hoge ringwal) van 175 m. Onder de huidige kraterbodem is een laag van gesteentegruis aangeboord met een dikte van, in het midden, ruim 170 m. Hierin zijn slechts minimale sporen van meteorisch ijzer aangetroffen. Daarentegen zijn in de omgeving van de krater taUoze stukken ijzermeteoriet gevonden, met een gezamenlijk gewicht van 30 ton. Het gewicht van de oorspronkelijke meteoriet is vermoedelijk vele honderden malen groter geweest. Bij nauwkeurig onderzoek (in 1960) van de gesteenten van Meteor Crater bleken daarin microscopisch kleine kristaUen aanwezig te zijn van de mineralen coesiet en stishoviet, beide modificaties van SiOj met hoge dichtheden (resp, 2,93 en 4,35). Deze waren pas kort tevoren voor het eerst gesynthetiseerd, bij schokproeven. Voor hun vormmg zijn zeer hoge drukken vereist: > 30,000 atm voor coesiet en > 110,000 atm voor stishoviet. Aangezien zulke drukken aan de aardoppervlak

84 alleen teweeggebracht kunnen worden bij zware meteorietinslagen heeft men liier een criterium voor het herkennen van meteorietkraters, ook waar de explosie geleid heeft tot voUedige verdamping van aUe meteorietmateriaal, of waar dit later door erosie is verdwenen. Een ander criterium is de aanwezigheid in de gesteenten in en onder de kraterbodem van zgn. schokkegels: bepaalde kegelvormige structuren, met kegelassen loodrecht op het oorspronkelijke, door de inslag opgewekte schokfront. Weer een andere aanwijzing is het rijkelijk optreden van bij de inslag gesmohen en vervolgens tot glas gestolde gesteenten. Op grond van deze indicaties zijn inmiddels een 80-tal plaatsen bekend geworden waar reuzenmeteorieten moeten zijn neergekomen. VermoedeUjk zuUen er nog heel wat aan dit aantal worden toegevoegd. Veel dezer inslagstructuren zijn nog weer veel groter dan Meteor Crater. De krater die het dichtst bij ons land hgt is die van Steinheim in Zuid-Duhsland, N . van Ulm: diameter SVzkm, ouderdom circa 15 müjoen jaar. Een onderscheid met Meteor Crater is de aanwezigheid van een centrale bult, ontstaan door terugvering van het door de druk samengeperste gesteente. Hierdoor is in het midden van de krater gesteente van 340 m diepte naar de oppervlakte gekomen. Dergelijke centrale opheffingen vindt men ook in vele andere grote inslagkraters. Die van Gosses Bluff in Midden Australië (ouderdom 150 miljoen jaar) bracht gesteenten omhoog van 3 km diepte. De (inmiddels door erosie verdwenen) krater was ruim 20 km in diameter. Ongeveer even groot is de Rieskrater in Zuid-Duitsland, 40 km O. van die van Steinheim en van dezelfde ouderdom (14,8 müjoen jaar). Men schat dat bij deze inslag, behalve de meteoriet zelf (mogelijk met een doorsnede van omstreeks 1 km), enkele km^ gesteente van de aardoppervlakte verdampt zijn. Veel materiaal is verder in gesmolten of half-gesmolten toestand tot ver buiten de krater weggeworpen. Voorzover niet gesmolten blijken dit in hoofdzaak stukken graniet en gneis te zijn, gesteenten die in deze streek beneden een niveau van 650 m onder de aardoppervlakte hggen. De krater, die direct na de inslag grotendeels gevuld werd door terugval van omhooggeblazen puin, had dus, zeer kortstondig, een diepte van tenminste 750 m. Boringen, uitgevoerd in de Rieskrater in 1973 hebben aangetoond dat er in de gesteenten onder de oorspronkelijke kraterbodem talrijke haarscheurtjes zijn met vulUngen van metaUisch ijzer (met chroom, nikkel en kobalt). Deze zijn blijkbaar gevormd door neerslag uit diep de ondergrond binnengedrongen dampen. Op grond van de chemische samenstelUng van dit materiaal is het waarschijnlijk dat de meteoriet een chondriet is geweest. Een zeer grote terugveringsbuh is (vermoedelijk) gevormd bij een inslag in het Praecambrium ( > 0,6 miljard jaar) in Zuid-Afrika, bij Vredefort, Deze structuur heeft een doorsnede van ongeveer 65 km, en wijst op verticale opheffing in het midden van tenminste 16 km. Hoe groot de diameter van de krater was is niet meer uit te maken. De grootste krater waarvan sporen bewaard zijn is naar alle waarschijnlijkheid die in het midden van de Hudsonbaai, eveneens van Praecambrische ouderdom. Deze moet een diameter gehad hebben van 400 km. Opheffing van materiaal van de diepe ondergrond in inslagkraters leidt niet uitsluitend tot de vorming van centrale bulten, maar kan ook resulteren in één of meer concentrische ringwaUen (binnen de krater zelf), al of niet in combinatie met een centrale terugveringsbuh. Een voorbeeld van zo'n ringenkrater is het Ries. Terwijl inslagkraters op onze aarde schaars zijn vormen ze op Mercurius, de Maan en de manen van andere planeten het overheersende reliëfelement. Dit hangt samen

85 met de afwezigheid op deze hemelhchamen van een atmosfeer. Daardoor kunnen de la-aters daar niet worden weggeërodeerd door wind, ijs of water, of begraven worden onder door deze zelfde agentiën aangevoerd sediment. Wel kunnen oude kraters bij nieuwe inslagen worden uitgewist, of (zoals op onze Maan) geheel of gedeehelijk door lava worden toegedekt. Bij de op deze hemelhchamen gevormde kraters treft men dezelfde typen aan als op de aarde: kleine, relatief steil-konische inslagkraters, eenvoudige bekkenvormige explosiekraters zoals Meteor Crater, en reuzenkraters met terugveringsbuhen en/of ringen. Een gigantische ringenkrater is Mare Oriëntale op de van ons afgekeerde zijde van de Maan: deze heeft een diameter van 900 km. Ook de maria („zeeën") op de voorzijde van de Maan (diameter maximaal circa 1000 km) zijn duidelijke oorspronkelijke inslagkraters, die naderhand met bazaltlava zijn volgelopen. Een tweede gevolg van de afwezigheid van een atmosfeer is dat ook kleine meteorieten de oppervlakte met „kosmische" snelheden treffen. Inderdaad is het Maanoppervlak bezaaid met kleine kratertjes, en worden in de buhenkant van gladde stenen zelfs micro-inslagkratertjes gevonden met doorsneden van 1 cm tot minder dan 1 micron. Door alle inslagen is het Maanoppervlak praktisch volledig bedekt met puin: gesteentefragmenten variërend van stof tot huizenhoge blokken. Ook vindt men veel gestolde flarden en druppels van materiaal dat bij inslagen is gesmohen. De druppels lijken geheel op chondren in chondrieten, die dus, althans ten dele ook bij inslagen gevormd kunnen zijn (op door deze meteorietinslagen groeiende planetoïden). Radiometrisch onderzoek van Maanmonsters heeft duidelijk gemaakt dat de meeste grote inslagkraters al in het begin van de Maangeschiedenis zijn gevormd: tussen 4,6 en 4,0 miljard jaar geleden. De vulling van de marekraters met bazah had plaats tussen 4,0 en 3,1 miljard jaar geleden. Mede daaraan is het grote reliëfverschil toe te schrijven dat er bestaat tussen de betrekkelijk vlakke maria en de sterk geaccidenteerde „hooglanden". Al tijdens het voUopen van de maria was de inslagfrequentie veel minder dan daarvoor en werden voornamelijk nog kleine kraters gevormd. De frequentie-afneming was uheraard het gevolg van het feh dat een steeds groter deel van de meteorietenvoorraad uh de ruimte was „opgeveegd". Het moet worden aangenomen dat de inslagfrequentie op de aarde een zelfde verloop heeft gehad. Onder de schaarse grote inslagen die na de bazaltuitvloeiingen op de Maan zijn opgetreden, horen die van de kraters Copernicus en Tycho. Bij deze goed geconserveerde kraters is ook de verbreiding van het bij de inslag weggeschoten puin nog duidelijk te zien. Bij Tycho is dh gedeehelijk afgezet in scherp begrensde „stralen", waai-van de langste te vei-volgen is over een afstand van circa 3000 km. Uheraard hangt deze grote lengte, behalve met de kracht van de explosie, samen met de relatief geringe zwaartekraclitwerking op de Maan en met de afwezigheid van een atmosfeer. Het oppervlak van Mars neemt wat het aantal kraters beheft een tussenposhie in tussen die van de Maan en van de Aarde. Dh vloeh vooral voort uh het feh, dat Mars een betrekkelijk ijle dampkring bezh, waardoor de oudere inslagkraters tengevolge van de werking van de wind, stromend water en ijs weer grotendeels verdwenen zijn, ofschoon in veel mindere mate dan op de Aarde.

BIOLOGISCHE AFWEER TEGEN GIFTIGE STOFFEN door E.J. Ariëns Inleiding In dit verband dient een ogenblik stilgestaan te worden bij de begrippen vergiftigingen en vergift. Paracelsus (± 1500) stelde reeds „sola dosis facit venenum". Van vergiftiging is sprake indien het opnemen van een bepaalde stof in het organisme daaraan schade berokkent. De aanwezigheid van een vergift in het organisme betekent nog niet dat er dan ook van vergiftiging sprake is. Er bestaan in de regel ook subtoxische concentraties. Iedere Nederlander draagt een hoeveelheid lood, een hoeveelheid kwik en een hoeveelheid DDT in zich. Men kan echter niet stellen dat wij allen aan een lood-, een kwik- en een DDT-vergiftiging lijden. Van grote betekenis is het vaststellen van de mate waarin een individu aan bepaalde stoffen is blootgesteld nog vóór toxische concentraties bereikt worden. Het zoeken naar geschikte indicatoren in dit opzicht is van groot industrieel-toxicologisch en milieuhygiënisch belang. Er wordt onderscheid gemaakt tussen: - acute toxiciteit, waarbij de relatie tussen blootstelling aan de toxische stof en de toxische effecten in de regel gemakkelijk te leggen en daarmee het risico te onderkennen is; - late toxiciteit, waarbij de schadelijke werking na een zekere, soms jarenlange latentietijd of zelfs pas in het nageslacht tot uiting komt. Voorbeelden Ihervan zijn de carcinogenese en de mutagenese. Bij dit type van toxiciteit kan sprake zijn van een cumulatie in de zin van een geleidelijke ophoping van de toxische stof in het organisme dan wel in de zin van cumuleren van het effect, waarbij irreversibele beschadiging in het geding is. Lipofilie en cumulatie Levende organismen zijn in het algemeen sterk vethoudend en daardoor lipofiel (vetminnend). Dit geldt in het bijzonder voor in het water levende organismen. Zoals bekend, zijn de ceUen omgeven door membranen opgebouwd uit een lipide dubbellaag. Daarin bevinden zichkleine met water gevulde poriën die kleine hydrofiele stoffen zoals natrium-ionen, CO2 en ureum dooriaten. Grotere organische moleculen kunnen daar niet passeren. Die kunnen slechts in de cel binnendringen door passage via de lipide membranen aan het celoppervlak. Dit betekent dat zeer goed in water oplosbare stoffen, o.a. geïoniseerde organische moleculen, nauwehjks of niet ïn de cel kunnen doordringen. Ook de uit dichtgepakte cellen samengestelde membranen, o.a. het darmepitheel, gedragen zich als lipide barrière. Voor bepaalde goed in water oplosbare stoffen zoals aminozuren, glucose, sommige vhaminen, voedmgsstoffen

Natuurkundige Voordracliten N.R. 61 Lezing gehouden voor de Koninklijke Maatschappij voor Natuurkunde Diligentia te 's-Gravenhage op 7 februari 1983.

88 dus, beschikt de cel over specifieke transportsystemen. Het vaatwandendotheel bestaat uit een losmazig netwerk van cellen waartussen vrij grote poriën. Het laat dan ook met uitzondering van macromoleculen zoals plasmaeiwitten, o.a. albumine, vrijwel alle stoffen, ook grotere sterk hydrofiele geïoniseerde moleculen, door. Van het bloedplasma uit kunnen dus allerlei stoffen, zoals geneesmiddelen en ook vergiften (overigens vaak synoniem — de omstandigheden zijn bepalend —) het interstitiële vocht bereiken en in contact komen met de cellen. Deze zijn, zoals aangegeven, voorzien van een tegen hydrofiele stoffen beschermende lipofiel buitenmembraan. Ultrafiltratie via het vaatendotheel ligt ook ten grondslag aan de vorming van urine en daarmee aan de uitscheiding van in het bijzonder goed in water oplosbare stoffen daarin. Voor zover de in eerste instantie via ultrafiltratie met de urine uitgescheiden stoffen voldoende hpofiel zijn, kunnen ze in de urinekanaaltjes en verzamelbuizen, die bekleed zijn met een als lipide-barrière fungerend epitheel, de weg terug naar het plasma vinden. Er is sprake van passieve terugresorptie. Nuttige stoffen zoals glucose en aminozuren — sterk hydrofiel — worden actief teruggeresorbeerd. De geschetste situatie houdt in dat voor lipofiele stoffen een ophoping (cumulatie) plaatsvindt in de biomassa zowel in éénceUigen als in meer complexe organismen. Dergelijke stoffen zijn in het bijzonder gevaarlijk indien ze voor het organisme vreemd zijn (xenobiotisch), dus niet passen in het patroon van normale biochemische omzettingen daarvan. Dit geldt b.v. in geval van herbivoren ook voor allerlei specifiek in planten voorkomende stoffen zoals plantenalkaloiden, etc.

Hydrofilie en uitscheiding De enige mogelijklieid om sterk lipofiele xenobiotica kwijt te raken is biochemische omzetting ervan, dusdanig dat de verkregen produkten minder lipofiel zijn en in geval van in water levende organismen de weg naar het omgevende water terugvinden. Voor op land levende dieren is biochemische omzetting tot sterk hydrofiele, goed in water oplosbare, stoffen nodig dusdanig dat ze met de voor uitscheiding ter beschikking staande urine, ongeveer 1 hter/dag, geëlimineerd kunnen worden. Men spreekt van „nierrijp" maken van de betrokken stoffen. De hiertoe in de loop van de evolutie ontwikkelde enzymsystemen zijn redelijk goed afgestemd op stoffen van biologische origine maar schieten te kort bij bepaalde produkten van de hedendaagse chemische industrie. Voorbeelden daarvan zijn poly-gehalogeneerde cyclische en polycyclische koolwaterstoffen. Deze bieden geen gesclukte aangrijpingspunten voor de betrokken, in het bijzonder oxyderende, enzymen. In de biologische omzetting van dergelijke stoffen heeft de natuur (nog) niet voorzien. Op grond van de luervoor beschi'even verdelingsprocessen treedt voor dergelijke stoffen cumulatie en min of meer blijvende insluiting op in biologische systemen, vooral ook in lipofiele compartimenten in het organisme zoals vetweefsel. Er is sprake van fysische sequestratie. De betrokken stoffen zijn niet chemisch aan de weefsels gebonden. Ze kunnen daaruit met behulp van geschikte organische oplosmiddelen geëxtraheerd worden. De ophoping van metabool stabiele Hpofiele hchaamsvreemde stoffen in organismen heeft milieuhygiënische consequenties. Hoewel de concentratie van een dergelijke stof in het milieu vaak bijzonder laag is, kan toch cumulatie langs voedselketens plaatsvinden. In de species aan het einde van de voedselketen hoopt zich a.h.w. de gehele op de verscWllende niveaus in de voedselketen opgenomen hoeveelheid stof op. Dit heeft ecologisch soms ernstige gevolgen. Het insecticide DDT, het

89 industrieel verspreid toegepaste polychloorbifenyl (PCB) en bepaalde in plastics massaal gebruikte weekmakers zoals diethylhexylphtalaat (DEHP) zijn voorbeelden. Het DDT vormde een ernstige belasting voor roofvogels die met uitsterven bedreigd werden. De aanwezigheid in o.a. vetweefsel van de hier besproken xenobiotica hoeft op zich geen ernstige schade te geven. Daartoe zijn relatief hoge concentraties in vitale weefsels, b.v. zenuwweefsel, nodig. Bij sterk verbruik van vetdepots, b.v. bij vogels tijdens migratievluchten of tijdens de broedperiode, kan mobilisatie van de betrokken stoffen vanuit de vetdepots, gepaard met een verplaatsing naar het ook betrekkelijk lipofiele zenuwstelsel, aanleiding geven tot vergiftigingsverschijnselen. Door invoeren van voor metabole omzetting en daarmee hydrofihsering geschikte groepen in het molecuul zijn DDT-derivaten verkregen, die met behoud van de insecticide werking veel minder milieu-belastend zijn. Op analoge wijze zijn ook weekmakers ontwikkeld, chemisch voldoende stabiel om als zodanig te functioneren, maar niettemin toegankelijk voor biodegradatie. De bufferfunctie van plasma-albumine Het albumine speelt een belangrijke rol bij het leveren van de coüoid-osmotische druk van het plasma. Daarnaast levert het ook een bijdrage aan de bescherming tegen met name betrekkelijk lipofiele xenobiotica. Deze hebben, zoals aangegeven, het vermogen in de Hchaamscellen binnen te dringen en daar schade aan te richten. De betrokken stoffen hebben ook een sterke bindingsneiging (fysisorptie) voor alhumine. De aan albumine gebonden stof kan de vaatwand niet passeren, is dus in het circulatiesysteem gevangen. Het albumine vormt a.h.w. een tijdelijke opslagplaats voor dergelijke stoffen. Het organisme krijgt daardoor, zonder dat intracellulah schade aangericht wordt, de tijd om zorg te dragen voor omzetting en eliminering. Dit buffersysteem is reeds aanwezig bij in water levende dieren. De plasmaalbumine concentratie neemt echter sterk toe bij overgang naar land. Opmerkelijk is dat bij deze overgang, parallel aan de hier besproken capaciteit tot wegvangen van lipofiele xenobiotica, ook de systemen, betrokken bij de biochemische omzetting en daarmee het „nierrijp" maken, sterk tot ontwikkeling komen (zie tabel 1). Op het albumine bevinden zich slechts enkele typen van bindingsplaatsen voor xenobiotica, o.a. één voor binding van zwak zure stoffen en één voor binding van zwak basische stoffen. Verschillende stoffen hebben dus gemeenschappelijke bindingsplaatsen. Dh kan aanleiding geven tot onderlinge verdringing. Daarbij treedt redistributie op. De door verdringing van albumine vrijkomende stof kan de circulatie verlaten. Er treedt een sterke daling van de totale plasmaconcentratie op gepaard met een verhoging van de concentratie van de stof in niet-gebonden vorm in het interstitiële, de cellen omgevende, vocht. Een dergelijke verdringing leidt tot een versterking van het toxische effect. Daar ook bepaalde lichaamseigen, potentieel toxische, afvalprodukten o.a. bilhubine, in sterke mate aan albumine gebonden worden, doen zich ook ten aanzien daarvan dergelijke verdringingsprocessen voor. Zo kunnen bepaalde geneesmiddelen het bilirubine van zijn bindingsplaatsen op albumine verdringen. In geval van icterus neonatorum kan dit aanleiding geven tot kernicterus ~ binnendringen van bilirubine in de hersencellen - met alle gevolgen van dien. Biologische detoxificatie De in het voorgaande aangeduide metabole omzetting van Hchaamsvreemde stoffen maakt deze in de regel meer hydrofiel en daardoor gesclhkt voor renale uitschei-

90 ding. Ook het vermogen van de betrokken stoffen om in de cellen door te dringen wordt erdoor verminderd. Ze zijn in hun distributie meer beperkt tot het extracellulaire vloeistofcompartiment. Vrijwel altijd gaat het „nierrijp" maken dus gepaard met een vermindering van de kans op celbeschadiging en vermindering van de toxiciteit. De biochemische omzetting van xenobiotica bevordert dus niet alleen de eliminatie maar vermindert in de regel ook de toxiciteit. De belangrijkste typen van omzetting worden hier kort samengevat. De biochemische omzettingen van xenobiotica in het organisme kunnen in twee categorieën verdeeld worden, namelijk de afbraakreacties en de koppelingsreacties. Afbraakreacties Hierbij worden de moleculen van de hchaamsvreemde stof biochemisch aangetast waarbij verscliihende reacties in het geding kunnen zijn. Tabel I De ontwikkeling in het verloop van de evolutie van plasma-eiwitten (albumine), met het vermogen tot binden van geneesmiddelen, en enzymsystemen betrokken bij de eliminatie van geneesmiddelen Species

Plasma-eiwit %

Oxydatieve N-demedi)>lering * (aminopyrine)

mens hond schildpad krokodil

6,5 6,1-6,7 4,8 3,69

19 ± 2 15 ± 2 26 ± 8 4 + 0,6

kikker vleet (vis) haring zeeduivel

1,5-4,3 2,4-3,1 0,72-2,9 1,4-2,2

1,6 1,1 0,71 0,86

+ 0,45 ±0,30 +0,28 ± 0,23

Gliicuronidering** (p-nitrofenol)

21 ± 3 46 + 13 85+22 8,9 ± 2,3 1,26 1,72 1,9 2,68

±0,47 ±0,25 +0,33 ± 0,65

Species

muis rat duif hagedis kikker forel goudwinde karper

* pmol formaldehyde gevormd per gram vers leverweefsel/uur. ** /imol p-nitrofenol geglucuronideerd per gram vers leverweefsel/uur. Bij de overgang van water- naar landdier vindt een sterke vergroting van de capaciteit tot het binden van Hchaamsvreemde stoffen door plasma-eiwit en het afbreken van hchaamsvreemde stoffen door leverenzymen plaats. a) Hydrolytische spHtsing. Hierbij valt het betrokken molecuul onder het opnemen van een molecuul H2O in twee delen uiteen. Voorbeelden zijn de verzeping van esters door esterasen en de spHtsing van zuuramiden door amidasen. b) Oxydaties. Alcoholen, aldehyden, zuren en niet-gesubstitueerde niet-vertakte koolwaterstofketens worden in het lichaam geoxydeerd. Het betreft vaak|3-oxydatie. Ook oxydatieve desaminering en invoering van fenoHsche OH-groepen in aromatische verbindingen dienen hier genoemd te worden. c) Reducties. Deze komen relatief weinig voor. Aldehyden worden wel gereduceerd tot overeenkomstige alcoholen indien oxydatie bemoeilijkt is. Verder dient genoemd te worden de reductie van nitrogroepen en azogroepen tot aminogroepen.

91

PHARMACA •sterk hyc/roff'e/

mtat/^ //pof/e/

hyc/rof/e/

.strerk /ipof/e/ metaboof ^tab/G/

1

\

buffersysteem plasma-albumine

^ t a p é l i n g In vetweefsel

px^aatie-r-eductie-hydrolyse i r i V p e r i n g r e a c t i e v e poepen :

^ b (:.ciin:-, h i o . K n . i v o r i i

Ó)/ky/erenc/e stoffen

coVotlente b i n d i n g ; th w e e f s e l s

e/e/rtrof/e/e <3f/
mat/^ /7yc/rof/'e/ ( s e p p f i I n g s r e a c t : I ës^^^^

lijiiiljBiöinac^^^^ V^sterA hyc/rof/e/ ^terk \L_ 1 extracellulaire biiifiire laÈtieyè o x c r i ï t k.'

mobilisatie

réinalë ultraactieye: filtratie èx;cretié:

terugresorptie f

terugresorptie

gehydrolys. conjugaten

intracellulaire processen

hycfrof/e/

hyc/rof^/e/

faeces

Fig. 1. Sclieinatisclie weergave van de belangrijlcste processen betrolclcen bij biodetoxificatie van licliaamsvreemde stoffen. Koppelingsreacties Xenobiotica en metabole omzettingsprodukten daarvan met voor koppeling geschikte groepen, zoals -OH en -COOH, worden onder afsphtsing van HjO gekoppeld met door het organisme geleverde hydrofiele moleculen zoals: a) Glycine. Dit is in het geding bij de vorming van hippuurzuur uit benzoëzuur en van salicyluurzuur uit saÜcylzuur; b) Glucuronzuur. Dit is in het geding bij de vorming van glucuroniden door koppeling met alcoholische of met fenoHsche OH-groepen; c) Sulfaat. Dit is betrokken bij de vorming van sulfaatesters vooral uit verbindingen met fenoHsche OH-groepen. De afbraakreacties en de koppelingsreacties sluiten functioneel bij elkaar aan. De laatste zijn van bijzondere betekenis voor de uitscheiding van farmaca. De bij de koppelingsreacties gevormde conjugaten zijn in de regel bijzonder goed in water oplosbare relatief sterk zure verbindingen. Dit heeft tot gevolg dat ze zich in hun verdere distributie vrijwel beperken tot het extracellulaire vocht en dat ze bijzonder geschikt zijn voor uitscheiding met de urine. Gezien het relatief sterk zure karakter zijn het vaak goede substraten voor de

92 transportsystemen betrokken bij de actieve uitscheiding van zuren naar de urine. Van belang is ook, dat voor deze zuren van passieve terugresorptie van de niertubuU uit via het als Upofiele barrière fungerende epitheel geen sprake is. Sterk geïoniseerde verbindingen, zoals quaternaire ammoniumbasen worden goeddeels onveranderd met de urine uitgescheiden. Deze stoffen dringen dank zij hun hoge oplosbaarheid in water niet in de cellen door en blijven zodoende buiten bereik van de intracellulair gelokaliseerde metabole omzettingsprocessen. Ze zijn direct geschikt voor renale uitscheiding. Voor zover xenobiotica groepen bevatten die direct gescliikt zijn voor koppelingsreacties, zoals fenolische OH-groepen, kunnen Iheruit zonder voorafgaande biochemische omzettingen sulfaten, glucuroniden, enz. gevormd worden. Zoals eerder uiteengezet schieten de hier besproken mechanismen tekort bij sterk in vet oplosbare stoffen die weerstand bieden aan een metabole omzetting zoals het geval is met DDT. Figuur 1 vat de belangrijkste aspecten van de biologische afweer tegen xenobiotica samen. De snelheid van biochemische omzetting, biodegradatie, is zoals begrijpelijk voor verschillende stoffen verscliillend. Een maat daarvoor is de halfwaardetijd, de tijd nodig om door metabole omzetting de helft van de aanwezige stof te elimineren. Voor de mate van cumulatie van hchaamsvreemde stoffen in het organisme zijn de dosis, het dosisinterval en de halfwaardetijd bepalend. Met het stijgen van de concentratie neemt de per tijdseenheid omgezette hoeveelheid stof toe zodat uiteindehjk een evenwicht, de „steady-state", bereikt wordt, waarbij de hoeveelheid per tijdseenheid opgenomen stof gelijk is aan de hoeveelheid per tijdseenheid geëlimineerde stof. De neiging tot cumulatie in het organisme neemt toe met de bestendigheid tegen biodegradatie die tot uitdrukking komt in de duur van de halfwaardetijd van de betrokken stof. Bij beschadiging van de bij de biodegradatie, biologische detoxificatie, betrokken systemen treedt een verlenging van de halfwaardetijd en daarmee een verhoging van het risisco op. Dit geldt ook in het vlak van de milieuhygiëne, met name de chemische verontreiniging van de biosfeer. Van speciaal belang zijn daarbij die concentraties van de verontreinigende stof, „pollutanf", waarbij het biologische systeem dat zorgdraagt voor de zelfreiniging beschadigd wordt. Daardoor neemt het biodegraderend vermogen af en de halfwaardetijd van de verontreinigende stof toe. Dat heeft zoals geiUustreerd in figuur 2 ernstige consequenties. Biologische systemen hebben in het algemeen geen problemen met oxydatieve afbraak van onvertakte koolstofketens, men denke o.a. aan de omzetting van vetzuren. Sterk vertakte koolstoflcetens bieden aan dergelijke omzettingen weerstand. Dit komt o.a. tot uiting in de sterke verontreiniging van oppervlaktewater door de als wasmiddel gebruikte detergentia, verkregen uit de bij de petrochemische industrie als bijprodukt vrijkomende vertakte — als motorbrandstof slecht bruikbare — koolwaterstoffen. Gezien de weerstand tegen biodegradatie worden ze aangeduid als „hard detergents". Analoge verbindingen, maar nu verkregén uit onvertakte koolwaterstoffen, die wel goed toegankelijk zijn voor biodegradatie, vandaar „soft detergents", leveren bij adequaat gebruik geen milieuproblemen op. Biotoxificatie De oxydatieve omzettingen die in het geding zijn bij de in het voorgaande besproken op biodetoxificatie en eUminatie van xenobiotica gerichte processen verlopen — evenals overigens het geval is met dergelijke chemische omzettingen in het algemeen — vaak via intermediaire, chemisch reactieve, tussenprodukten. Deze nu

93

concentratie verontreinigende stof rotting 1,6

progressieve vervuiling

persisterende vervuiling

1,2

j j g M k ï ï t ï ^ vervumngsgraad 0,8

0,4

biologisch beheerste vervuiling

tk=l2u

snelle biologische zelfreiniging

6

dagen

stoppen van vuillozing Fig. 2. De invloed van de biologische halfwaardetijd van verontreinigende stoffen, „poUutants", op de vervuilingsgraad. Bij het bereiken van de kritische vervuilingsgraad wordt het biologische klaringssysteem vergiftigd en uitgeschakeld. hebben de neiging om chemisch, via covalente binding, te reageren met voor levensfuncties wezenlijke biopolymeren zoals het chromosomale DNA, drager van de erfelijke eigenschappen, en enzymen en andere functioneel belangrijke eiwitten, wezenlijk voor de celfunctie. De binding met reactieve intermediaire produkten, gevormd uit xenobiotica, geeft aanleiding tot chemische beschadiging, chemische laesie, van de betrokken biopolymeren. Deze laesies kunnen, afliankelijk van de betrokken moleculen, versciiiilende consequenties hebben zoals celbescliadiging met degeneratie en necrose, teratogenese (gestoorde ontwikkeling van de vrucht), carcinogenese, de daarmee verwante mutagenese, etc. Het is in dit verband nuttig een ogenblik stÜ te staan bij de werking van carcinogene en mutagene stoffen, meestal ook xenobiotisch van aard. De moleculaire grondslag voor de werking ervan is meestal een chemisch covalente binding van de betrokken stoffen aan het chromosomale DNA. Met uitzondering van enkele chemisch hoog reactieve carcinogene stoffen, zoals de biologisch alkylerend werkende stikstofmosterdderivaten, bekend als cytostatica, blijken de meeste carcinogene en ook mutagene stoffen niettemin chemisch bijzonder weinig reactief te zijn. Het meren-

94 deel van de carcinogenen en mutagenen blijken niet als zodanig verantwoordelijk voor de werking. Dat zijn de in het organisme door metabole, in het bijzonder oxydatieve, omzetting daaruit gevormde reactieve en daardoor slechts ,,kort levende" intermediaire produkten. Het betreft o.a. epoxyden, gevormd bij oxydatie van in het bijzonder aromatische verbindingen en N-hydroxyderivaten gevormd bij oxydatie van vooral aminogroepen gebonden aan aromatische ringen (arylaminen). De chemische reactiviteit berust in de regel op elektrofiele groepen in de tussenprodukten die reageren met nucleofiele groepen, b.v. aminogroepen in het DNA of SHgroepen in eiwitten. De mate waarin biotoxificatie plaatsvindt, hangt samen met de mogelijklieid tot het door oxydatie in de betrokken xenobiotica invoeren van genoemde elektrofiele groepen. Door geschikte chemische manipulatie, b.v. invoeren van methylgroepen aan weerszijden van een arylaminogroep of het blokkeren van de invoering van een epoxygroep door fluorsubstitutie ter plaatse, is het mogelijk de betrokken carcinogene en mutagene werldng uit te sluiten. De vorming van de reactieve tussenprodukten wordt daardoor voorkomen. Een andere mogelijldieid is het invoeren in het molecuul van een groep, b.v. een alkylsubstituent, die met voorrang oxydatief geattaqueerd wordt met als resultaat de vorming van b.v. een zuur geschikt voor een koppelingsreactie welke leidt tot een toxisch, goed in water oplosbaar voor excretie gescliikt eindprodukt. Het feit dat bij detoxificatie en toxificatie biochemische omzettingen een belangrijke rol spelen, impliceert een verband tussen chemische structuur en toxiciteit. Op basis van inzicht, gewonnen op dit gebied, is het tot op zekere hoogte mogelijk stoffen te maken met een „ingebouwde" beveiliging. Biologische afweer tegen biotoxificatie De vorming van reactieve toxische tussenprodukten zoals in het voorgaande beschreven, is een onontkoombaar risico verbonden aan de pogingen van het organisme om zich met behulp van biochemische omzettingen te ontdoen van Hchaamsvreemde stoffen. Er is, zoals gezegd, sprake van chemische (covalente) binding van de stof in het organisme, ook aangeduid als chemische sequestratie. De eenmaal gebonden stof is ook met behulp van organische oplosmiddelen niet meer uit de weefsels te extraheren. Zoals welhaast voor de hand ligt, is het organisme in dit opzicht niet onbeschermd gebleven. Parallel met de ontwikkeling in de lijn van de evolutie van de bij de detoxificatie en toxificatie betroklcen enzymsystemen hebben zich ook biochemische systemen ontwikkeld die dienst doen als opruimers, wegvangers, van genoemde reactieve intermediaire omzettingsprodukten van xenobiotica. Dit zijn: Het glutathion-tmmferasesysteem, dat de interactie tussen glutathion en de genoemde reactieve intermediairen bevordert. Het glutathion levert daarbij in de vorm van de nucleofiele SH-groep een aangrijpingspunt voor de elektrofiele groepen in de genoemde reactieve produkten, Daarbij ontstaat een thioether die na verdere omzetting als eindprodukt een in de regel goed oplosbaar mercaptuurzuurderivaat van het xenobioticum oplevert, geschikt voor vlotte uitscheiding met de urine; Het epoxydehydratasesysteem, een enzymsysteem dat snel reactieve epoxyden onschadelijk maakt door omzetting ervan in diolen onder opname van water. De betrokken diolen worden op hun beurt onder afsplitsing van water omgezet in fenolen die dan door koppeling met sulfaat goed oplosbare eindprodukten opleveren, geschikt voor snelle uitscheiding met de urine (fig. 3).

95

pietoxon-

altematieve, niet-toxogene

omzettingen

oxydatieve omzetting biodetoxificatie 'uiteindelijk' toxon elektrofiel biologisch alkylerend

glutathion-transferase

epoxydehydratase I

kritische biopolymeren DNA, eiwitten, enz. chemische laesies

I

fenolen I sulfaat en glucuronzuur conjugaten

carcinogenese mercaptuurzuurmutagenese derivaten aUergische sensibilisering teratogenese fenohest 'mercapto'test celbeschadiging celnecrose Fig. 3. Schematische weergave van de belangrijkste processen betrokken bij de blo toxificatie en de afweer daartegen. Expositietests Een verhoging van de uitscheiding van de hiervoor genoemde eindprodukten, o.a. van de mercaptuurzuurderivaten, wijst op blootstellen van de betrokkene aan xenobiotica die, via in principe riskante reactieve tussenprodukten, worden gemetaboliseerd. In feite wijst een verhoging van de uitscheiding van mercaptuurzuurderivaten erop dat de verdedigingssystemen tegen chemische intrusie actief zijn, dus dat de betrokkene is blootgesteld aan voor hem potentieel gevaarlijke chemicaliën. Op gi-ond hiervan is de „thioether"-test ontwikkeld die een bepaling behelst van mercaptuurzuur en enkele verwante koppelingsprodukten, o.a. die van cysteihe, in de urine. Een positieve test wijst op belasting van de betrokkene met chemicaliën. De test geeft geen informatie betreffende de specifieke aard van het betrokken xenobioticum of de betrokken xenobioüca, heeft daarentegen het voordeel gevoelig te zijn voor een breed spectrum van potentieel gevaarlijke stoffen. De test levert een signaal dat moet leiden tot een nader onderzoek van de werksituatie van de betrokkene. Indien in een bepaalde produktieafdeling bij meer werkers de thioethertest positiefis, is dat een aanwijzing voor het treffen van maatregelen. Mutageniteit- en carcinogeniteittests De mutagene zowel als de carcinogene werking van xenobiotica zijn wat betreft de eraan ten grondslag hggende mechanismen op moleculair niveau vaak nauw verwant,

96 dusdanig dat er een lioge mate van correlatie (± 90%) bestaat tussen beide werkingen. Dit betekent dat bepalen van de mutagene werking informatie geeft betreffende de potentiële carcinogene werking. Daartoe zijn bacteriële mutageniteitstests ontwikkeld. Het feit dat biotoxificatie vaak een belangrijke rol speelt bij de betrokken effecten heeft geleid tot het bestuderen van de mutagene werking aan de bacteriën in aanwezigheid van microsomale preparaten van leverweefsel waarin de bij de biotoxificatie in zoogdieren betrokken enzymsystemen aanwezig zijn. Verscliillen in de mutagene werking ten aanzien van de bacteriecultures bij aan- en afwezigheid van de betrokken uit de lever afkomstige enzymsystemen geeft een aanwijzing betreffende het al dan niet in het geding zijn van biotoxificatie. Het toepassen van dit type van testmethoden — direct in aansluiting aan de synthese van nieuwe chemische stoffen — maakt het mogelijk reeds in een zeer vroeg stadium riskante, potentieel gevaarlijke, stoffen te elimineren en relatief veilige stoffen (chemische structuren) te selecteren. Het daaruit voortvloeiende inzicht in de relatie tussen chemische structuur en weiidng, vooral toxische werking dus, maakt het herkennen van bepaalde toxicologische risicodragende chemische structuurelementen, toxicogene groepen, mogelijk. Daarmee wordt dan de grondslag gelegd voor het op rationele basis verminderen van de risico's verbonden aan het gebruik van en het contact met chemische stoffen. De moderne samenleving met zijn urbanisatie en geweldige materiële behoeften, zowel waar het betreft voedingsmiddelen als anderszins, is onmogelijk zonder chemie. De in de afgelopen decennia gewonnen inzichten vormen een goed uitgangspunt voor de noodzakelijke „domesticatie" van de chemie.

Literatuur Introduction to General Toxicology. E.J. Ariëns, A.M. Simonis en J. Offernieier. Academie Press, New York 1976. General Principles of Nutritional Toxicology. In: Nutritional Toxicology, Vol. I , p. 17. E.J. Ariëns en A.M. Simonis. Academic Press, New York 1982 (J.N. Hatlicock ed.).

BEGRIPSVORMING: EEN COGNITIEVE ZIENSWIJZE door L.F.W. de Klerk 1. Woord en begrip Als men in Van Dale zoekt naar de betekenis van het woord begrip dan vindt men daar de volgende omschrijving: „eenheid van denken; denkbeeld, van andere voorstellingen met genoegzame duidelijklieid onderscheiden ( . . . ) ; algemene voorstelling". Als voorbeelden worden onder andere genoemd de begrippen hond en zoogdier. Er dient een onderscheid gemaakt te worden tussen begrippen en woorden. Woorden zijn gewoonlijk ambigu, in die zin, dat zij in verschillende contexten naar verschillende begrippen kunnen verwijzen. Zo kan het woord hond verwijzen naar honden in het algemeen, maar ook naar een bepaalde hond, of zelfs naar een speelgoedhond of de bekende cartoonhond snoopy. Al deze begrippen zijn verschillend en moeten „met genoegzame duidelijklieid onderscheiden" aanwezig zijn in het geheugen van de mens om al te grote (begrips)-verwarring te voorkomen. Woorden zijn niet identiek met begrippen. Wel kan er tussen een woord en een begrip een bepaalde relatie bestaan en met name een „be-teken-is"-relatie. Het woord is dan een teken voor een begrip. Door het woord kan op deze wijze een „denkbeeld" of mentale voorstelling worden opgeroepen. Een mentale voorstelling ontstaat op grond van informatie die men krijgt. Zo wordt een kind veelvuldig geconfronteerd met allerlei honden. Het ziet honden spelen, eten en slapen. Het hoort honden blaffen, Ihjgen en drinken. Het voelt een hond likken of bijten. Het verneemt allerlei beweringen over honden, zoals balffende honden bijten niet, honden vechten met katten, honden zijn trouw, honden zijn zoogdieren, enzovoorts. Op grond van deze zintuiglijke en verbale informatie ontstaat geleidelijkaan het begrip hond, inclusief zijn definiërende kenmerken (zoals heeft vier poten, een vacht, een staart, kan blaffen, en dergelijke). 2. Klasse-begrippen Veel begrippen zijn gedefinieerd als een verzameHng of klasse van objecten, personen, gebeurtenissen of situaties die één of meer dan één gemeenschappelijk kenmerk hebben. Zo is bijvoorbeeld het kunnen opnemen van zuurstof uit de lucht via longen een kenmerk van zoogdieren. Het kunnen opnemen van zuurstof uit water via kieuwen is een definiërend kenmerk van vissen. Op grond hiervan behoort een hond tot de klasse der zoogdieren en een haring tot de klasse der vissen. Sommige klassebegrippen worden niet zozeer gedefiniëerd in termen van het wel of niet aanwezig zijn van definiërende kenmerken — in de trant van: als het longen heeft dan is het een zoogdier — maar in termen van een regel met betrekking tot

Natuurkundige Voordracliten N.R. 61 Lezing gehouden voor de Koninklijke Maatschappij voor Natuurkunde Diligentia te 's-Gravenhage op 7 maart 1983

98 kenmerken. Formeel kan dit als volgt worden weergegeven (zie Bourne et al., 1979): B = R(k,,k2...)

waarbij B het begrip aanduidt, R de regel en k j , k j , . . ., de kenmerken. De regels zijn vaak logische regels. Een voorbeeld van zo'n logische regel is de en/en-regel of conjunctie: een exemplaar behoort tot een bepaalde klasse als deze én het kenmerk k i bezit én het kenmerk k j . flet begrip vader kan worden gedefiniëerd als een persoon die én kinderen heeft én manlijk is. Een ander voorbeeld is de of/of-regel of disjunctie, fhervan is sprake als een exemplaar óf kenmerk k j bezit, óf kenmerk ka. Het begrip Nederlander kan worden gedefiniëerd als een persoon die óf van Nederlandse afkomst is óf genaturahseerd is. Het leren van dergelijke klasse-begrippen is een belangrijk onderwerp geweest van de leerpsychologie. Dit leerproces werd meestal bestudeerd aan de hand van kunstmatig materiaal, zoals afgebeeld in figuur 1. De lerende werd geconfronteerd met exemplaren die van elkaar verschillen met betrekking tot dimensies als: het aantal contouren, de vorm van de figuur en de kleur. De specifieke waarden op deze dimensies zijn de kenmerken. Een bepaald exemplaar wordt gekenmerkt door het feit dat het slechts één contour heeft, waarbinnen zich een wit kruis bevindt. Eén, kruis en wit zijn dan de specifieke waarden of definiërende kenmerken van dit exemplaar. Het te leren begrip werd gewoonlijk aangeduid met een nonsenswoord, zoals het

O

#

#

+

+

Figuur 1. Materiaal voor het leren van kunstmatige

begrippen

99 woord VEC. Een VEC is bijvoorbeeld: alle exemplaren die óf wit zijn, óf een lauis bevatten. In de klassieke experimenten met betrekking tot het leren van dergelijke kunstmatige klasse-begrippen werd de regel niet medegedeeld aan de lerende. Flij werd geconfronteerd met verschillende exemplaren waarvan hij moest zeggen of deze wel of niet voorbeelden zijn van het begrip VEC. Na ieder antwoord vernam hij of dit goed of fout was. Zo leerde hij het begrip geleidelijk ontdekken, fherbij werd aangenomen dat de lerende rationeel te werk gaat. Verondersteld werd, dat hij steeds een bepaald idee heeft omtrent de relevante kenmerken en omtrent de regel die Iherop betrekking heeft en dat hij na ieder fout antwoord van idee verandert, net zo lang tot hij de juiste regel gevonden heeft. Of en in hoeverre iemand een bepaald begrip beheerst blijkt dus uit het feh of hij in staat is van diverse exemplaren aan te geven welke wel en welke niet tot de gevraagde klasse behoren. Een complicatie die zich hierbij kan voordoen is dat de kenmerken niet altijd voor 100% betrouwbaar zijn. Begrippen zijn niet altijd van het type: ,,altijd als . . ., dan is het een voorbeeld van . . ." (Bruner et al., 1956). Kenmerken hebben vaak een probabilistisch karakter. Hiervan is sprake als een bepaald kenmerk slechts in een aantal van de gevallen als een voorbeeld van het te leren begrip beschouwd kan worden. De betrouwbaarheid van het kenmerk kan dus minder groot zijn. De taak van de lerende wordt dan vergelijkbaar met die van een arts die bij het betasten van een gezwel moet vaststellen of dh goedaardig dan wel kwaadaardig is. Deze beshssing neemt hij op grond van verschillende kenmerken waaraan hij verschillende gewichten moet toekennen, omdat niet elk kenmerk even betrouwbaar is. Uit onderzoek is gebleken dat men in zulke onzekere situaties de neiging heeft de waarde van betrekkelijk betrouwbare kenmerken te onderschatten en die van de betrekkelijk onbetrouwbare kenmerken te overschatten. Bovendien is gebleken dat de classificatie in dergelijke gevallen in hoge mate afhankelijk is van de consequenties die daaraan verbonden zijn. Zo is het ten onrechte denken dat een gezwel goedaardig is vele malen ernstiger dan het ten onrechte denken dat een gezwel kwaadaardig is. Deze consequenties zijn van invloed op de beslissing ten aanzien van de vraag tot welke categorie een gegeven „exemplaar" behoort (Bruner et al., 1956). 3. Natuurlijke begrippen In het dagelijks leven hebben we vaak te maken met begrippen die geen duidelijke grenzen hebben. Het gaat hier om „fuzzy concepts" zoals bijvoorbeeld „nauwe straatjes", „kleine auto's" en ,,onvolwassenen". Hetis duidelijk dat Broadway, RoUs Royce en grootvader niet tot deze categorieën behoren. Maar het is ook niet mogelijk precies te formuleren waar de grenzen liggen. Het aangeven van grenzen, zoals smaller dan 3 meter, lichter dan 750 kilogram of jonger dan 21 jaar, is volstrekt arbitrah. Met de hier gegeven begrippen worden niet zozeer discrete categorieën of klassen aangeduid, maar semantische gebieden, waarin verschillende exemplaren gedacht kunnen worden. Hierbij geldt dat het ene exemplaar er beter in past dan het andere. Vaak is het zelfs mogelijk om een „ideaal" exemplaar aan te wijzen. Dit wordt een prototype genoemd en kan worden opgevat als de kern van een semantisch gebied (zie Rosch, 1978). Dit kan worden geïllustreerd aan de hand van het volgende voorbeeld (Wickelgren, 1979). Het woord rood duidt een bepaald Ideurbegrip aan. Nu bestaan er vele roodnuances die in het dagelijks leven toch rood genoemd worden. Ook hier geldt

100 A S S O C I A T I E S T E R K T E VAN B E G R I P ROOD

A S S O C I A T I E S T E R K T E VAN B E G R I P ORANJE ^ /

A PROTOTYPE ORANJE

A

PROTOTYPE ROOD

Figuur 2. Menselijke kleurbegrippen als funetie van de golflengte van het licht dat het niet goed mogelijk is aan te geven waar precies de grens ligt tussen bijvoorbeeld rood en oranje. Wel is het mogelijk uit het kleurenspectrum die kleur aan te wijzen die het meest beantwoordt aan wat wij rood noemen. Deze kleur is de ideale kleur rood en kan worden beschouwd als een prototype van het begrip rood. Het prototype kan in dit geval worden uitgedrukt in termen van de golflengte van het licht dat ermee correspondeert. Naarmate de golflengte meer van de „ideale" waarde afwijkt zal de associatie met het begrip rood geringer zijn. Tegelijkertijd kan de associatie met een ander kleurbegrip — bijvoorbeeld oranje — sterker worden. Dit is weergegeven in figuur 2. Uit deze figuur blijkt dat de menselijke kleurbegrippen geen duidelijke categorieën zijn. Er zijn geen kritieke waarden voor de golflengte van het licht, waarboven wij van rood en waaronder wij van oranje spreken. Er zijn wel bepaalde waarden voor de golflengte aan te wijzen die als prototypen kunnen worden beschouwd. Bovendien blijkt uit figuur 2 dat er een functie is die voor elke afwijkende golflengte aangeeft in hoeverre de daarmee corresponderende kleur tot het betreffende kleurbegrip gerekend kan worden. In dit voorbeeld ging het in feite om één dimensie: de golflengte. Wij zullen nu een voorbeeld bespreken waarbij twee dimensies van belang blijken te zijn. In figuur 3 is een aantal voorwerpen afgebeeld die van elkaar verschillen met betrekking tot zowel de hoogte als de doorsnede. Gebleken is (zie ook De Swart, 1982) dat de verhouding tussen beide grootheden bepalend is of het voorwerp een vaas, een kop of een schaal wordt genoemd.

Figinir 3.

Voorbeelden van twee dimensionele begrippen

101 Noemen we de verhouding tussen hoogte en doorsnede r, dan is op grond van resultaten van experimenten gebleken dat: 1 < r < 1.2 r > 2.5 r < 0.5

kop vaas schaal

ln het nu volgende voorbeeld gaat het om drie dimensies. Indien wij geconfronteerd worden met een serie foto's van gezichten die bepaalde emoties tot uitdrukking brengen, dan blijkt het in bepaalde gevallen mogelijk te zijn op betrekkelijk ondubbelzinnige wijze aan te geven om welke emotie het gaat. Dit geldt in het bijzonder voor bepaalde basis-categorieën van emoties, te weten: boosheid, vrolijkheid, vrees, verdriet, verrassing en afkeer. Blijkbaar bestaan er gelaatsuitdrukkingen die karakteristiek zijn voor deze emoties. Het overgrote deel van de beoordelaars herkent deze als uitdrukking van de betreffende emoties. Dh is in veel mindere mate het geval bij de „gemengde gevoelens" zoals spijt, bezorgdheid en trots. Het waarnemen van de basis-emoties, op grond van gelaatsexpressies, is voornamelijk gebaseerd op drie kenmerken: de mond, de ogen en de wenkbrauwen (Ekman en Friesen, 1967). Zo zijn bij droefheid de ogen klein, de mondhoeken en wenkbrauwen omlaag. Bij verrassing zijn de ogen wijd open, de wenkbrauwen opgetrokken en is de mond open en ontspannen. Gebleken is dat wijziging van één of meer van deze kenmerken onmiddellijk effect heeft op de herkenbaarheid van de emotie. Dit is niet het geval als men irrelevante kenmerken variëert, zoals de grootte van het gezicht, de vorm van de neus of de kleur van het haar. Variaties van deze kenmerken laten de kwahteit van de uitdrukking intact. Natuurlijke begrippen kunnen zowel betrekking hebben op perceptuele als op semantische categorieën. In beide gevallen gaat het vaak om gebieden met onduidelijke grenzen die een bepaalde kern (kunnen) hebben. Vooral bij abstracte, natuurlijke begrippen is het vaak niet goed mogelijk de gemeenschappelijke kenmerken op te sommen. Wat zijn de definities van begrippen als hoop, liefde, vertrouwen, sociale controle, sport en spel? Van dit laatste begrip vroeg Wittgenstein zich af wat de definiërende kenmerken zijn. Hij kwam daarbij tot de conclusie dat het vrijwel onmogelijk is één gemeenschappelijk kenmerk te noemen van alle spelen, zoals voetbal, tennis, schaken, monopohe en dergelijke. Voor dit type begrippen geldt volgens Wittgenstein het principe van de familie¬ gelijkenis. Naarmate een exemplaar minder gelijkenis vertoont met het prototype zal het minder snel of gemakkelijk als een exemplaar van het betreffende begrip worden aangemerkt. Bovendien geldt dat er een gedeeltelijke overlapping kan bestaan tussen exemplaren en dat deze overlapping telkens gebaseerd kan zijn op andere kenmerken. Zo zullen voetbal en tennis andere kenmerken met elkaar gemeen hebben dan schaken en monopolie. Ook het aantal gemeenschappelijke kenmerken kan van geval tot geval anders zijn. Dh alles houdt in dat er bij abstracte, natuurlijke begrippen ook met betrekking tot de kenmerken geen algemene regel geformuleerd kan worden die van toepassing is op alle spelen (zie ook De Swart 1982). Dat verschillende exemplaren uit een semantisch gebied verschillende graden van verwantschap bezitten met betrekking tot de kern blijkt onder andere uit tabel 1,

102 personen werd gevraagd de aangeboden exemplaren uit een bepaalde categorie te ordenen volgens de mate waarin deze representatief geacht werden voor de betreffende categorie. Zo is bijvoorbeeld gebleken dat stoel een beter voorbeeld is van de abstracte categorie meubhair dan tafel; en dat tafel weer een veel beter voorbeeld is dan bed. Bij fruit denkt men eerder aan sinaasappel of appel dan aan druif of grapefruit. fruit

meubilair exemplaar stoel sofa bank tafel fauteuil toilettafel schommelstoel schrijftafel kleerkast bed Tabel 1.

rangorde 1.5 1.5 3.5 3.5 5 6.5 6.5 8 9 10

exemplaar sinaasappel appel banaan perzik peer abrikoos pruim druif grapefruit bes

rangorde 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

4. Hiërarchische begrippen Tussen verschiUende natuurlijke begrippen kan een hiërarchische relatie bestaan. Zo behoort het begrip stoel tot het hoger geordende begrip meubUair. Het begrip stoel is echter weer bovengeordend met betrekking tot begrippen als keukenstoel, armstoel, bureaustoel en dergelijke. In dit geval is een indeling gemaakt in drie niveaus. Deze worden wel aangeduid met de termen basiscategorieën, bovengeorclende categorieën en ondergeordende of sub-categorieën. Een belangrijke functie van het gebruik van categorieën is dat niet elk object, iedere gebeurtenis, iedere persoon afzonderlijk omsclireven behoeft te worden. Maar deze categorieën moeten functioneel zijn. Iemand die geen mes bij zich heeft om een appel te schiUen vraagt niet om eetgerei, maar om een mes. De bovengeordende categorie eetgerei is in dit geval te veelomvattend en daardoor ook te vaag om voldoende nauwkeurig tot uhdrukking te brengen wat men nodig heeft. Om dezelfde reden zal een moeder, als ze haar kind ziet oversteken, niet roepen: kijk uit, daar komt een vervoermiddel aan!, maar wel: kijk uit, daar komt een auto aan. In die situatie zou het ook volstrekt overbodig zijn om sub-categorieën te gebruiken, laat staan om een exemplaar nauwkeurig te omschrijven. Van een sub-categorie zou sprake geweest zijn als de moeder gezegd zou hebben: kijk uit voor die blauwe mercedes, 200 D! De categorieën mes en auto zijn te beschouwen als basis-categorieën. Basis-categorieën zijn in vele gevaUen een goed compromis tussen specifiteit (dat een kenmerk is van sub-categorieën) en algemeenheid of abstractie (dat een kenmerk is van bovengeordende categorieën). Zij zijn in vele gevallen voldoende informatief om bedoelingen duidelijk te maken, of om objecten, personen, gebeurtenissen en dergelijke adequaat te benoemen. die is samengesteld naar aanleiding van het werk van Rosch (1975). Aan de proef-

103 Opmerkelijk is dat in de dagelijkse omgangstaal vaak basiscategorieën worden gebruikt om objecten aan te duiden, terwijl de vakman of de expert meer de neiging heeft om sub-categorieën te gebruiken. Zo zegt men tegen een vriend die binnenkomt: Pak een stoel! Als men aan een antiquair vraagt of liij een stoel heeft, dan zal luj eerst willen weten wat voor soort stoel u zoekt. Uiteraard een antieke stoel. Maar wat voor één? Een Biedermeier, een Windsor of een Chippendale? In een experiment (Rosch, et al., 1976) werden proefpersonen geconfronteerd met de namen van begrippen die op de drie genoemde niveaus van abstractie liggen, zoals meubilair, stoel en keukenstoel. Gevraagd werd van elk begrip zoveel mogelijk kenmerken te noemen. Gebleken is dat van de bovengeordende, meer omvattende begrippen betrekkelijk weinig gemeenschappelijke kenmerken genoemd werden. Voor de basis-categorieën was dit aantal beduidend groter. Echter, tussen de basiscategorieën en de sub-categorieën werden geen substantiële verschillen gevonden. Met andere woorden: basiscategorieën verschaffen meer informatie dan de bovengeordende categorieën, maar de concrete sub-categorieën voegen niet veel informatie toe aan de informatie die de basis-categorie verschaft. Basiscategorieën hebben een dusdanig onderscheidend vermogen en zijn zo informatief, dat zij in vele gevallen adequaat zijn om objecten aan te duiden of te identificeren. 5. Cognitieve structuur Natuurlijke begrippen kunnen meer of minder abstract zijn. Zij kunnen meer of minder scherpe grenzen hebben en wel of geen prototype bezitten. Dit alles is ongetwijfeld van belang voor het leerproces. Het ene begrip zal daardoor sneller en gemakkelijker geleerd worden dan het andere. In het algemeen geldt voor het leren van natuurlijke begrippen dat deze in verband gebracht zullen worden met reeds eerder verworven kennis op het betreffende gebied. Nieuwe begrippen zullen geassimileerd worden in het kennisbestand van de lerende. Dit kennisbestand kan worden beschouwd als een cognitieve structuur. De vraag is wat de kenmerken zijn van een cognitieve structuur. In een experiment (Bousfield, 1953) kregen de proefpersonen een lijst met 60 woorden aangeboden. Deze woorden kunnen op grond van hun betekenis worden ingedeeld in vier verschillende bovengeordende categorieën: dieren, beroepen, eigennamen en voedselprodukten. Per categorie waren er 15 woorden. De volgorde waarin de woorden werden aangeboden was geheel willekeurig. Nadat de lijst een paar keer was doorgenomen kregen de proefpersonen ruimschoots de gelegenheid zoveel mogelijk woorden uit deze lijst te reproduceren. Gebleken is dat twee achtereenvolgende gereproduceerde woorden dikwijls tot eenzelfde categorie behoren. Dit kwam veel vaker voor dan op grond van toeval verwacht mag worden. Blijkbaar ontdekken de proefpersonen de semantische structuur en gebruiken zij die bij het opsporen van gegevens uit hun geheugen. Een ander kenmerk van de cognitieve structuur is dat deze hiërarchisch van aard is. Aan de top van de luërarchie bevinden zich de abstracte, meer omvattende begrippen en aan de bodem de concrete, meer specifieke begrippen. Deze structuur heeft het karakter van een netwerk. De knooppunten in dit netwerk zijn de begrippen en de verbindingen daartussen, de relaties die er tussen de begrippen bestaan. Een (sterk vereenvoudigd) voorbeeld van zo'n netwerk is afgebeeld in figuur 4. Volgens één van de netwerktheorieën (Collins en Quillian, 1969) wordt een begrip tezamen met zijn kenmerken of eigenschappen in het geheugen opgeslagen. Zo wordt het begrip kanarie geassocieerd met „is geel" en „kan zingen". Uh de figuur

104

-HEEFT NIVEAU

3

KAN

HEEFT NIVEAU

2

IS 1

VEREN

VLIEGEN

GEEL

KANARIE

KAN

Figiair 4.

ETEN

VOGEL

KAN

NIVEAU

HUID

DIER

Voorbeeld van een

ZINGEN

netwerkstmctuur

blijkt tevens dat de begrippen in een bepaalde hiërarchische verhouding ten opzichte van elkaar staan. Zo is het begrip kanarie een sub-categorie van het begrip vogel, dat weer een sub-categorie is van het bovengeordende begrip dier. Behalve onder- en boven-schikking kan er ook sprake zijn van neven-schikking. Het begrip mus bijvoorbeeld (dat niet in de figuur is opgenomen) is nevengeschikt ten opzichte van het begrip kanarie en zal, zo luidt de theorie, tezamen met zijn definiërende kenmerken en eigenschappen op hetzelfde niveau in de liiërarchie worden opgeslagen. Volgens de theorie worden begrippen en hun kenmerken of eigenschappen uit het geheugen teruggehaald volgens een bepaald zoekproces en wel als volgt: Indien een leerling wordt gevraagd: „Is een kanarie geel?", dan zal hij vrijwel onmiddellijk antwoorden met: Ja. Immers, begrippen worden met hun kenmerken en eigenschappen in het geheugen opgeslagen. Indien hem gevraagd wordt: „Heeft een kanarie een huid?", dan zal hij eveneens antwoorden met: Ja. Maar het antwoord zal in dit geval minder vlot gegeven worden. Eerst „zoekt" de leerling bij kanarie, dan bij vogel en tenslotte bij dier, waar liij „vindt" dat dieren inderdaad een huid hebben. Dus in beide gevallen wordt — als de leerling het begrip kent — naar de bekende weg gevraagd, maar de lengte van de weg is in het ene geval korter dan in het andere.

105 Dit is uiteraard theorie. De aannemelijkJieid van deze tiieorie is aangetoond door middel van reactietijdstudies. Proefondervindelijk is aangetoond dat de reactietijd afhankelijk is van het aantal niveaus tussen het begrip en het betreffende kenmerk. De reactietijd op de bewering „een kanarie is geel" (hetzelfde niveau), is korter dan die op de bewering ,,een kanarie heeft veren" (één niveauverschil). De tijd om de juistheid van deze bewering bij zichzelf na te gaan is weer korter dan voor de bewering „een kanarie heeft een huid" (twee niveau-verschillen). In dit voorbeeld is tevens tot uitdrukking gebracht dat semantische informatie in het geheugen wordt opgeslagen in de vorm van propositionele relaties die de begrippen hebben met andere begrippen. Hier hebben wij ons beperkt tot twee soorten proportionele relaties, namelijk de „ k een "-relatie en de „heeft een "-relatie. De „is een"-relaties situeren het begrip in een bepaald begrippenkader. Deze relaties verbinden een begrip met een hoger-geordend begrip uit de netwerkstructuur („een vogel is een dier!"). De „heeft een"-relaties verbinden het begrip met zijn definiërende kenmerken of eigenschappen (,,een vogel heeft vleugels!"). Beide relaties vormen - tezamen met andere typen van relaties - het semantisch netwerk dat in het geheugen aanwezig is en waarin nieuwe begrippen geassimileerd worden. Door informatie op deze wijze te verwerken en te organiseren beschikt de mens over een enorme geheugencapaciteit, een capaciteit die vele malen groter is dan wanneer alle gegevens afzonderlijk opgeslagen zouden moeten worden. Bovendien beschikt hij zo ook over de mogel^heid om opgeslagen informatie op een snehe en doelmatige wijze terug te halen uit het geheugen. Het assimileren van nieuwe begrippen in bestaande kaders is - behalve van de aard en moeilijkheidsgraad van de te leren begrippen - afliankelijk van: 1. de reeds beschikbare kennis en de mate waarin deze gestructureerd en georganiseerd is in het geheugen; 2. de motivatie en belangstelling van de leerling voor het betreffende onderwerp; 3. de (cognitieve) vaardigheden waarover de leerling beschikt om informatie om te zetten in semantische netwerken of cognitieve structuren. Het is dan ook niet verwonderlijk dat er opmerkelijke individuele verschillen bestaan met betrekking tot het gemak waarmee een gegeven begrip gevormd wordt. De één zal over een uitgebreider en fijnmaziger netwerk bescliikken dan de ander. Dergelijke netwerken zijn bovendien vaak op een persoonlijke wijze opgebouwd. Ook de opname- en verwerkingscapaciteit variëert van persoon tot persoon, waardoor de één sneller van begrip is dan de ander. Voorts bestaan er verschillen in de voorkeur die leerlingen hebben om informatie om te zetten in cognitieve structuren. De één zal een voorkeur hebben voor verbale informatie, terwijl een ander een voorkeur lieetf voor concrete, visuele informatie. 6. De ontwikkeling van de begripsvorming De vaardigheden die nodig zijn om cognitieve structuren te vormen, ontwikkelen zich geleidelijk in de loop der jaren. Dh kan worden geïllustreerd aan de hand van de ontwikkeling van het getalbegrip. Hoe ontstaat dit begrip? Volgens Bertrand Russeh zijn de bekende hoofdtelwoorden (één, twee, drie enzovoorts) in feite classificatiebegrippen. Deze verschillen van elkaar qua omvang of hoeveelheid. Het getal één duidt de klasse aan van ahe verzamelingen die slechts één element bevatten (zoals de zon, de maan, de aarde). De klasse van verzamelingen die twee elementen bevatten (de zogenaamde paren) wordt aangeduid met het woord twee, enzovoorts.

106 Naarmate een Ideuter ouder wordt kent liij meer getallen. Omstreeks het begin van de lagere schoolleeftijd vormt het kind de getallenrij (c.q. de rangtelwoorden). Echter, dit zijn nog geen werkelijke getallen, maar veeleer waarneembare figuren. Het kind kan op die leeftijd een onderscheid maken tussen een groep van vier kralen en een groep van drie, waarschijnlijk omdat het twee verschillende configuraties ziet, zoals de ogen van de dobbelsteen ook verschillende configuraties vormen. Het kind kan ook verschillende concrete handelingen verrichten met de kralen. Het kan er bijvoorbeeld één wegnemen of er één toevoegen, waardoor een andere configuratie ontstaat. Maar het kind kan nog geen logische handelingen verrichten met de getallen en dat komt onder andere omdat het nog niet in staat is in te zien dat de hoeveelheid gelijk kan blijven ook al verandert de vorm van de verzameling. Dit vermogen wordt aangeduid met de term conservatie. In dit geval gaat het om de conservatie van hoeveellieid. Dat dit vermogen bij jonge kinderen nog onvoldoende ontwikkeld is, is uitgebreid aangetoond aan de hand van allerlei proefjes. Eén zo'n proefje heeft betrekking op vloeistofhoeveellieden. Men laat een kind twee identieke glazen bekers zien. De ene is gevuld met een blauwe vloeistof en de andere met een rode vloeistof. Men vraagt het kind de rode vloeistof over te gieten in een glas (B) dat exact dezelfde vorm en afmetingen heeft (zie figuur 5a) en de blauwe vloeistof in een glazen beker (C), die veel lager en breder is (zie figuur 5b). Het kind wordt vervolgens gevraagd: is de hoeveelheid water gelijk? Zit er in B evenveel water als in C? Neen, zegt de kleuter, in het hoge glas (B) zit meer! Met andere woorden: het kind

Figuur 5. Materiaal dat gebruikt is voor

conseivatieproeven

107 ziet nog niet in dat de hoeveelheid tijdens het overgieten niet verandert. Er is nog geen sprake van conservatie, van behoud van hoeveelheid. Dh is evenwel een belangrijke voorwaarde voor het getalbegrip. Het getalbegrip is als zodanig weer een belangrijk aspect van het oppervlaktebegrip. Ook hierbij is sprake van conservatie. Euclides heeft eens een stelling geponeerd die in dit verband van belang is: „als men van twee gelijke verzamelingen twee gelijke delen afneemt dan blijven er twee gelijke verzamelingen over". In hoeverre jonge kinderen dit inzicht hebben verworven, kan als volgt worden aangetoond. Men laat een kind twee gelijke stukken groen geverfd karton zien en zegt dat dit twee weilanden zijn waarop koeien grazen. Op de vraag of de koeien evenveel te eten hebben antwoordt het king met „ja, omdat beide stukken karton precies hetzelfde zijn". Daarna zegt men dat op de ene wei een huis gebouwd wordt. Zowel jongere als oudere kinderen zeggen dan dat in dat geval de koeien minder te eten krijgen. Vervolgens wordt gezegd dat ook op de andere wei eenzelfde huis gebouwd wordt, maar nu precies in de hoek van de wei. Hebben de koeien nog evenveel te eten? De jongere kinderen aarzelen bij deze vraag. Sommige kinderen zeggen ja, andere neen. Deze gegevens hebben wij ontleend aan het werk van Jean Piaget (1973). Volgens deze auteur bevindt het jonge kind zich nog in het stadium van de concrete operaties. Het kan wel handehngen verrichten aan de hand van concreet materiaal, maar het is nog niet toe aan het verrichten van logische operaties. In dat geval helpt uitleggen en verklaren dan ook weinig. Wel moet het kind volop de gelegenheid krijgen om te handelen. Zo zal het door rijping én oefening op den duur in staat zijn logische operaties te verrichten. Logische operaties zijn ook handelingen. Het zijn handehngen die zich innerlijk voltrekken. Piaget merkt in dit verband op: „Het moet gelukken operaties te combineren. Dat geldt zowel voor numerieke als voor ruimtelijke operaties. Maar eerste voorwaarde daartoe is: de dingen hanteren. Het kind moet handelen en experimenteren. Niet met tekeningen, maar met concreet materiaal, met echte voorwerpen. Dan verinnerlijken zich deze handelingen". De conservatieproeven hebben aangetoond dat jonge kinderen nog onvoldoende in staat zijn zich los te maken van de actuele concrete waarneming. Bij de conservatie van hoeveelheid blijft het waarschijnlijk gericht op één in het oogspringend aspect van de waarneming, namelijk de hoogte van het vloeistofniveau. Het komt er niet toe ook op de doorsnede van het glas te letten. Het ziet ook nog niet in dat beide aspecten elkaar kunnen compenseren; dat vermindering van de hoogte gecompenseerd kan worden door vergroting van de doorsnede. Piaget spreekt in dh verband van compensatie-operaties die het kind nog niet kan uitvoeren. In feite maakt het nog jonge kind dus typische denkfouten, omdat het nog niet in staat is zich van de concrete waarneming los te maken en allerlei operaties op mentaal niveau uit te voeren. Dit vermogen ontwikkelt zich naarmate het kind ouder wordt. Dit neemt uheraard niet weg dat volwassenen toch denkfouten kunnen maken. Het volgende voorbeeld moge dit illustreren. Stel dat een boer een rechthoekig stuk wei heeft afgezonderd door middel van vier palen en een stuk touw dat hij om de vier palen heeft gespannen. De palen bevinden zich dus op de hoekpunten van de rechthoek. Om één of andere reden besluit de boer de wei te veranderen. Ihj neemt twee palen die zich op één zijde van de rechthoek bevinden en verplaatst deze zodanig dat er een paralleUogram ontstaat. De vraag is nu of de hoeveelheid gras gelijk is gebleven. Als uw antwoord ja luidt dan heeft u een fout gemaakt. Misschien heeft u zich laten misleiden, in die zin, dat

108 u dacht dat het weer een voorbeeld van conservatie zou zijn. Misschien hebt u een „denkfout" gemaakt. Dat u een denkfout gemaakt hebt is overigens onwaarschijnlijk. U was immers gewaarschuwd.

Literatuur Bousfield, W.A., The occurence of clustering in the recall of randomly arranged associates. Journal of general psycholog)>, 1953,49, 229—240. Bourne, L.E., Dominowski, R.L., en Loftus, E.F., Cognitive processes. Englewood Chffs, New Yersey: Prentice Hah, 1979. Bruner, J.S., Goodnow, J.J. en Austin, G.A., A study of thinking, New York: Wiley, 1956. Collins, A.M., en Quillian, M.R., Retrieval time from semantic memory. Journal of verbal learning and verbal behavior, 1969, 8, 240-247. Ekman, P., en Friesen, W.V., Head and body cues in the judgment of emotion: a reformulation. Perceptual and motor skills, 1967, 24, 711 -724. Piaget, J., De ontwikkeling van het getalbegrip bij het kind. In: J. Piaget, J. Resag, A. Fricke, P.M. van Hide en K. Oldenbach (Eds.), Rekenonderwijs en getalbegrip. Pedireeks: Bosch en Keuning, 1973. Rosch, E.H., Cognitive representations of semantic categories. Journal of experimental psycliolog)>: general, 1975,104,192-233. Rosch, E.H., Principles of categorization. In: E. Rosch en B.B. Lloyd (Eds.), Cogintion and categorization. Hillsdale, New Yersey: Eribaum, 1978. Rosch, E.H., Mervis, C.B., Gray, W.D., Johnson, D.M., en Boyes-Bream, P., Basic objects in natural categories. Cognitive Psychology, 1976, 8, 382-439. Swart, J.H. de, Kennisrepresentatie. In: J.F. Orlebeke, P.J.D. Drenth, R.H.C. Janssen en C. Sanders (Eds.), Compendium van de psychologic, Muiderberg; D. Coutinho, 1982. Wickelgren, W.A., Cognitive Psycholog}>. Englewood Chffs, New Yersey: Prentice Hah, 1979.

COMPUTERS IW AVIOHICA-SYSTEMEW

F.J.

.".tibink*

De moderne avioniaa vormt een integraal deel van het vliegtuig. Z e levert onder meer de functies t.b.v. de besturing, navigatie, dommuniaatie, systeembewaking en presentatie van vluoht- en waarschuwingsinformatie. Nieuwe ontwikkelingen in de miaro-electronica, computertechnologie en beeldschermtechnologie hebben een nieuw avionicaaoncept voor de komende generatie Verkeersvliegtuigen mogelijk gemaakt, waardoor een reductie van het brandstofverbruik en van de werkbelasting van de stuurhutbemanning gerealiseerd kon worden. 1.

IHLEIDIWG

1.1 Het b e g i n Na de e e r s t e w e r e l d o o r l o g werden o v e r g e b l e v e n m i l i t a i r e v l i e g t u i g e n g e b r u i k t v o o r h e t t r a n s p o r t v a n p o s t , p a s s a g i e r s en v r a c h t , S p o e d i g d a a r n a (1920) v e r s c h e n e n de e e r s t e a l s z o d a n i g o n t w o r p e n v e r k e e r s v l i e g t u i g e n . Beroemde o n t w e r p e r s v a n deze e e r s t e v e r k e e r s v l i e g t u i g e n waren F r i t s K o o l h o v e n en A n t h o n y F o k k e r . E é n v a n de e e r s t e F o k k e r v e r k e e r s v l i e g t u i g e n u i t d i e h e g i n p e r i o d e was de i n 192i; g e ï n t r o d u c e e r d e F o k k e r F V I I Het kon 8 p a s s a g i e r s op een k r u i s h o o g t e v a n c a . 1000 m e t e r , met een maximale k r u i s s n e l h e i d v a n 150 k m / u u r , o v e r een a f s t a n d v a n c a . 900 km v e r v o e r e n ( I ) . Het v l i e g t u i g was v a n de z g n . "gemengde b o u w i j z e " , de v l e u g e l opgebouwd u i t h o u t e n l i g g e r s en r i b b e n b e d e k t met t r i p l e x en de romp opgebouwd u i t een v a k w e r k c o n s t r u c t i e v a n g e l a s t e , s t a l e n b u i s , b e d e k t met l i n n e n d o e k . Een t w a a l f - c i l i n d e r z u i g e r m o t o r d r e e f een h o u t e n s c h r o e f met v a s t e spoed aan. Het v l i e g t u i g was z o d a n i g o n t w o r p e n d a t h e t o v e r h e t g e h e l e h o o g t e - , s n e l h e i d s - en b e l a d i n g s g e h i e d een v o l d o e n d e " n a t u u r l i j k e " s t a b i l i t e i t h a d . Ook qua s t u u r h u t u i t r u s t i n g was de F V I I nog z e e r e e n v o u d i g ( F i g . 2 ) . L u c h t s n e l h e i d , b a r o m e t r i s c h e h o o g t e , m o t o r t o e r e n t a l , kompaskoers en t e m p e r a t u r e n en d r u k k e n van o l i e en w a t e r werden d o o r d i r e c t a a n w i j z e n d e i n s t r u m e n t e n g e p r e s e n t e e r d . Gevlogen w e r d u i t s l u i t e n d onder c o n d i t i e s van een r e l a t i e f goed z i c h t , w a a r i n de v l i e g e r de s t a n d v a n h e t v l i e g t u i g k o n b e p a l e n v i a de "ware" h o r i z o n en de v l i e g e r door een v o o r t d u r e n d " u i t k i j k e n " k o n z o r g e n v o o r een v o l d o e n d e s e p a r a t i e v a n t e r r e i n , o b s t a k e l s en a n d e r e v l i e g t u i g e n . Voor de n a v i g a t i e w e r d g e b r u i k gemaakt van l u c h t s n e l h e i d , k o m p a s k o e r s , k l o k en k a a r t l e z e n . Vaak werden goed h e r k e n b a r e p u n t e n i n h e t t e r r e i n a l s k u s t l i j n e n , r i v i e r e n en spoorwegen g e b r u i k t b i j de p o s i t i e b e p a l i n g en h e t v o l g e n v a n r o u t e s . 1.2 De o n t w i k k e l i n g v a n v l i e g t u i g en i n s t r u m e n t a t i e S i n d s 1921* i s e r v e e l g e w i j z i g d i n de l u c h t v a a r t ( 2 ) . Om de v l i e g e r v a n w e e r s i n f o r m a t i e en l a n d i n g s i n f o r m a t i e v o o r z i e n , werden de v l i e g t u i g e n v a n radiocommunicatie-apparatuur v o o r z i e n . S p o e d i g v e r s c h e n e n e r ook r a d i o p e i l i n s t a l l a t i e s waarmee de k o e r s naar h e t (zendende) v l i e g t u i g g e p e i l d k o n w o r d e n . H i e r d o o r k o n de v l i e g e r i n s l e c h t - z i c h t c o n d i t i e s v o o r z i e n worden v a n i n f o r m a t i e o v e r z i j n p o s i t i e en de t e s t u r e n k o e r s . Om de v l i e g e r i n s l e c h t - z i c h t c o n d i t i e s i n s t a a t t e s t e l l e n de s t a n d en de k o e r s van h e t v l i e g t u i g t e b e p a l e n , werden g y r o s c o p i s c h e i n s t r u m e n t e n * De a u t e u r i s werkzaam b i j h e t N a t i o n a a l L u c h t - en R u i m t e v a a r t l a b o r a t o r i u m ( n l r ) en b u i t e n g e w o o n h o o g l e r a a r i n de V l i e g t u i g i n s t r u m e n t a t i e b i j de A f d e l i n g d e r L u c h t v a a r t - en R u i m t e v a a r t t e c h n i e k aan de T e c h n i s c h e H o g e s c h o o l D e l f t .

110

Fig.

1

Fokker F V I I

Fig.

2

Fokker F V I I s t u u r h u t

Ill

g e ï n t r o d u c e e r d ; e e r s t de b o c h t a a n w i j z e r en l a t e r en d,e k o e r s t o l .

de k u n s t m a t i g e h o r i z o n

Aan h e t b e g i n v a n de j a r e n d e r t i g v o l t r o k z i c h ook een g r o t e v e r a n d e r i n g i n de b o u w i j z e v a n v e r k e e r s v l i e g t u i g e n . T o t d i e p e r i o d e werden op e n k e l e u i t z o n d e r i n g e n na ( o . m . de J u n k e r s v l i e g t u i g e n ) v r i j w e l a l l e v l i e g t u i g e n g e c o n s t r u e e r d v o l g e n s de genoemde "gemengde b o u w i j z e " . I n 1933 kwam de g e h e e l m e t a l e n c o n s t r u c t i e , w a a r b i j de v l e u g e l h u i d een dragende f u n c t i e k r e e g , i n de c i v i e l e l u c h t v a a r t i n g e b r u i k . De e e r s t e t o e p a s s i n g e n h i e r v a n waren de B o e i n g 2h^ ( 1 9 3 3 ) , de D o u g l a s DC-2 {^93h) en de D o u g l a s DC-3 ( 1 9 3 6 ) . Tevens v e r l o o r h i e r b i j E u r o p a ( v o o r a l F o k k e r ) de l e i d e n d e r o l i n de bouw v a n c i v i e l e v l i e g t u i g e n . V a n a f 1933 nam de USA deze r o l o v e r . Om hogere k r u i s s n e l h e d e n m o g e l i j k t e maken werden deze m e t a l e n v l i e g t u i g e n v e r d e r g e s t r o o m l i j n d . Het o n d e r s t e l w e r d i n t r e k h a a r gemaakt. B i j de h o g e r e k r u i s s n e l h e d e n moesten ook h o g e r e v l e u g e l b e l a s t i n g e n worden t o e g e p a s t . Om e c h t e r de s t a r t - en l a n d i n g s s n e l h e d e n en de daarmee g e r e l a t e e r d e h e n o d i g d e s t a r t b a a n l e n g t e n t e b e p e r k e n , w e r d e n de v l i e g t u i g e n s i n d s d i e n v o o r z i e n v a n s t e e d s g e a v a n c e e r d e r e v l e u g e l k l e p p e n . De m o t o r e n w e r d e n v o o r z i e n v a n m e t a l e n l u c h t s c h r o e v e n met b e s t u u r h a r e s p o e d , w a a r d o o r de m o t o r z o w e l b i j de s t a r t a l s i n de k r u i s v l u c h t een o p t i m a l e p r e s t a t i e kon l e v e r e n . De b e s t u x r r b a r e s c h r o e f e v o l u e e r d e i n de r e g u l a t e u r - s c h r o e f ( c o n s t a n t - s p e e d p r o p e l l e r ) d i e i n een l a t e r stadiiom t e v e n s v o o r z i e n w e r d van een vaanstandsregeling. Op h e t g e b i e d v a n de b o o r d s y s t e m e n v e r s c h e n e n ook de e l e c t r i s c h e , h y d r a u l i s c h e en p n e u m a t i s c h e systemen v o o r v e r l i c h t i n g , v o e d i n g v a n de i n s t r u m e n t a t i e en r a d i o - a p p a r a t u u r , o n t i j z i n g , v e r w a r m i n g , s t u u r m a c h i n e s , k l e p p e n en onderstel. I n h e t b e g i n v a n de j a r e n d e r t i g v e r s c h e n e n ook r a d i o p e i l i n s t a l l a t i e s aan b o o r d v a n de v l i e g t u i g e n . Eenvoudige s t u u r a u t o m a t e n werden g e ï n t r o d u c e e r d waarmee k o e r s , h o o g t e en v l i e g t u i g s t a n d a u t o m a t i s c h gehandhaafd konden worden. De tweede w e r e l d o o r l o g g a f een g e w e l d i g e i m p u l s i n de o n t w i k k e l i n g v a n h e t v l i e g t u i g , de r a d a r , de r a d a r t r a n s p o n d e r en r a d i o c o m m u n i c a t i e - en radionavigatiesystemen. De v e r w a c h t e toename v a n h e t b u r g e r l u c h t v e r k e e r na de tweede w e r e l d o o r l o g maakte een v r o e g t i j d i g e s t a n i a a r d i s a t i e v a n onder meer r a d i o n a v i g a t i e h u l p m i d d e l e n , c o m m u n i c a t i e h u l p m i d d e l e n en l a n d i n g s h u l p m i d d e l e n , g e b r u i k t e f r e q u e n t i e s en l u c h t v e r k e e r s l e i d i n g n o o d z a k e l i j k . V i a de i n 19^1* o p g e r i c h t e I n t e r n a t i o n a l C i v i l A v i a t i o n O r g a n i z a t i o n (iCAO) z i j n deze s t a n d a a r d s (en v e l e a n d e r e ) i n t e r n a t i o n a a l g e d e f i n i e e r d . L u c h t w e g e n , r o u t e p u n t e n en w a c h t g e b i e d e n werden m . b . v . r a d i o b a k e n s (3)vastgele Met b e h u l p v a n r a d a r k o n de l u c h t v e r k e e r s l e i d e r de p o s i t i e v a n h e t v l i e g t u i g waarnemen. Communicatie t u s s e n l u c h t v e r k e e r s l e i d e r en v l i e g e r v i n d t p l a a t s v i a VHF en HF r a d i o t e l e f o n i e - v e r b i n d i n g e n . T i j d e n s de tweede w e r e l d o o r l o g werden l a n g e - a f s t a n d s b o m m e n w e r p e r s o n t worpen en g e c o n s t r u e e r d , waarmee t e v e n s de b a s i s v o o r t r a n s a t l a n t i s c h e en i n t e r c o n t i n e n t a l e v e r k e e r s v l i e g t u i g e n g e l e g d w e r d . D i t z e l f d e g e l d t v o o r h e t g r o t e a a n t a l t i j d e n s de o o r l o g g e c o n s t r u e e r d e s t a r t b a n e n met r e l a t i e f g r o t e l e n g t e . De na de o o r l o g g e c o n s t r u e e r d e v e r k e e r s v l i e g t u i g e n gingen op g r o t e r e h o o g t e n k r u i s e n ( 6 - 7 k m ) . Om de bemanning en p a s s a g i e r s op deze g r o t e h o o g t e o n g e h i n d e r d t e kunnen l a t e n ademen, werden deze v l i e g t u i g e n v o o r z i e n v a n een d r u k c a b i n e waarmee een d r u k overeenkomende met c a . 2000 m e t e r h o o g t e g e h a n d h a a f d k o n w o r d e n . Om de v l i e g e r i n s t a a t t e s t e l l e n deze s t e e d s g r o t e r wordende v e r k e e r s v l i e g t u i g e n met h u n toenemende m a s s a t r a a g h e i d v o l d o e n d e accuraat t e bes t u r e n , werden zogenaamde stuurcommando-systemen g e ï n t r o d u c e e r d .

112 Om h e t o n g e v a l l e n o n d e r z o e k t e v e r e e n v o u d i g e n werden de g r o t e r e v e r k e e r s v l i e g t u i g e n v o o r z i e n v a n " c r a s h p r o o f " r e g i s t r a t i e - s y s t e m e n vfaarop de meest e s s e n t i ë l e i n f o r m a t i e h e t r e f f e n d e de v l u c h t ( h o o g t e , k o e r s , s n e l h e i d , v e r t i c a l e v e r s n e l l i n g ) g e r e g i s t r e e r d werden. T i j d e n s de j a r e n v i j f t i g w e r d e n e r v e r k e e r s v l i e g t u i g e n o n t w o r p e n v o o r z i e n van ( r e e d s i n de tweede w e r e l d o o r l o g o n t w o r p e n en m i l i t a i r t o e g e p a s t e ) straalmotoren. Voor g e h r u i k op de l a n g e a f s t a n d w e r d e n de k o r t v o o r I960 op de m a r k t g e komen B o e i n g 707 en D o u g l a s DC-8 de meest s u c c e s v o l l e . H i e r d o o r w e r d e n weer g r o t e r e k r u i s h o o g t e n ( t o t meer dan 10 km) en hogere k r u i s s n e l h e d e n ( t o t n a b i j de g e l u i d s s n e l h e i d ) m o g e l i j k . Voor h e t v l i e g e n met s n e l h e d e n w e l k e d i e v a n h e t g e l u i d b e n a d e r e n en w a a r b i j dan de c o m p r e s s i b i l i t e i t van de l u c h t een g r o t e r e r o l g a a t s p e l e n k r e e g de v l i e g e r b e h o e f t e aan een i n s t r u m e n t d a t de r e l a t i e t u s s e n v l i e g s n e l h e i d en g e l u i d s s n e l h e i d a a n g e e f t (Mach m e t e r ) . V e r d e r nam b i j h e t v l i e g e n op g r o t e h o o g t e de s t a b i l i t e i t om de t o p a s v a n h e t v l i e g t u i g a f . H i e r d o o r o n t s t o n d b e h o e f t e aan een k i m s t m a t i g e s t a b i l i t e i t s v e r h o g i n g ( y a w - d a m p e r ) . Om de w e r k b e l a s t i n g v a n de bemanning v a n deze s n e l l e r e , g r o t e r e en v a n s t e e d s meer b o o r d s y s t e m e n v o o r z i e n e v e r k e e r s v l i e g t u i g e n t e r e d u c e r e n , w e r d e n a u t o m a t i s c h e w a a r s c h u w i n g s s y s t e m e n en g e ï n t e g r e e r d e n a v i g a t i e systemen g e ï n t r o d u c e e r d . Om de w e r k b e l a s t i n g v a n de l u c h t v e r k e e r s l e i d e r s met b e t r e k k i n g t o t de i d e n t i f i c a t i e v a n de v l i e g t u i g e n op h e t r a d a r s c h e r m en h e t v a s t s t e l l e n van de h o o g t e v a n de v l i e g t u i g e n t e r e d u c e r e n , werden de v l i e g t u i g e n v o o r z i e n v a n een t r a n s p o n d e r d i e na d e t e c t i e v a n een d o o r de r a d a r op de g r o n d u i t g e z o n d e n o n d e r v r a g i n g s p u l s een g e c o d e e r d ( h o o g t e o f i d e n t i f i c a t i e ) b e r i c h t a f g e e f t , d a t op h e t r a d a r s c h e r m n a a s t de positiemarkering gepresenteerd wordt. 1.3. De i n t r o d u c t i e v a n de computer Reeds t i j d e n s de tweede w e r e l d o o r l o g werden e l e c t r o m e c h a n i s c h e comp u t e r s i n v l i e g t u i g e n g e b r u i k t v o o r de b e r e k e n i n g v a n de n a v i g a t i e gegevens u i t de l u c h t s n e l h e i d , m a g n e t i s c h e k o e r s en manueel i n g e s t e l d e w i n d v e c t o r . Deze z g n . a i r - p o s i t i o n computers maakten g e b r u i k v a n f u n c t i e s c h i j v e n , mechanische o p t e l l e r s , v e r m e n i g v u l d i g e r s en i n t e g r a t o r e n . D i t t y p e computer v e r e i s t e een n a u w k e u r i g m e c h a n i s c h o n d e r h o u d , was r e l a t i e f t r a a g en zwaar en h a d een r e l a t i e f g r o o t e n e r g i e v e r b r u i k . Na de tweede w e r e l d o o r l o g werden a n a l o g e e l e c t r o n i s c h e c o m p u t e r s i n g e z e t v o o r de b e p a l i n g v a n s t u u r s i g n a l e n u i t de s i g n a l e n v a n g y r o s c o p i s c h e , a i r d a t a en r a d i o n a v i g a t i e - s y s t e m e n . E l e c t r o m e c h a n i s c h e computers b l e v e n i n d i e t i j d i n g e b r u i k v o o r b e r e k e n i n g e n w e l k e n i e t zo s n e l doch w e l n a u w k e u r i g d i e n d e n t e z i j n ( a i r d a t a b e r e k e n i n g e n en n a v i g a t i e b e r e k e n i n g e n ) . I n 1969 werden v o o r h e t e e r s t i n c i v i e l e v e r k e e r s v l i e g t u i g e n d i g i t a l e c o m p u t e r s i n g e z e t v o o r a i r d a t a - , n a v i g a t i e - en m o t o r r e g e l i n g s b e r e k e n i n g e n . De o n t w i k k e l i n g e n op h e t g e b i e d v a n de m i c r o - e l e c t r o n i c a , c o m p u t e r t e c h n i e k en b e e l d s c h e r m t e c h n i e k hebben de m o g e l i j k h e d e n g e c r e ë e r d om de a v i o n i c a - s y s t e m e n , z o a l s deze i n de h u i d i g e g e n e r a t i e v e r k e e r s v l i e g t u i g e n aanwezig z i j n , a a n z i e n l i j k t e v e r b e t e r e n v . w . b . b e t r o u w b a a r h e i d , g e w i c h t , volume en e n e r g i e v e r b r u i k . De o n t w i k k e l i n g e n op h e t g e b i e d v a n de b r a n d s t o f p r i j s hebben v e r d e r een s t e r k e s t i m u l a n s gegeven i n de r i c h t i n g van nieuwe systemen v o o r de n a v i g a t i e en m o t o r r e g e l i n g . Deze s i t u a t i e i s v o o r de l u c h t v a a r t m a a t s c h a p p i j e n a a n l e i d i n g geweest t o t een t o t a l e h e r b e z i n n i n g op de s t a n d a a r d i s a t i e en s p e c i f i c a t i e s v o o r de a v i o n i s c h e systemen v o o r de nieuwe g e n e r a t i e v e r k e e r s v l i e g t u i g e n . D i t r a p p o r t g e e f t e n i g i n z i c h t i n de t a k e n v a n de s t u u r h u t b e m a n n i n g , de a v i o n i c a - s y s t e m e n w e l k e i n de h u i d i g e g e n e r a t i e v e r k e e r s v l i e g t u i g e n

worden g e b r u i k t en de nieuwe a v i o n i c a - s y s t e m e n , i n o n t w i k k e l i n g v o o r de v l i e g t u i g e n w e l k e i n de j a r e n t a c h t i g i n g e b r u i k z u l l e n worden genomen. 2.

TAKES VAM DE STUURHUTBEMAUHING

2.1. Vluchtplanning Voor i e d e r e v l u c h t d i e n e n v e l e werkzaamheden u i t g e v o e r d t e worden v f e l k b e t r e k k i n g hebben op de v o o r b e r e i d i n g en p l a n n i n g van de v l u c h t . De bemanning v e r g a a r t i n f o r m a t i e o v e r t e v e r w a c h t e n w e e r s c o n d i t i e s , f r o n t p a s s a g e s , e v e n t u e l e o n w e e r s b u i e n m.et s t e r k e t u r b u l e n t i e , " b l i k s e m i n s l a g g e v a a r en e v e n t u e e l g e v a a r v o o r i j s a f z e t t i n g . V e r d e r w o r d t n a g e gaan o f e r b e t r e f f e n d e de t e v o l g e n r o u t e andere b i j z o n d e r h e d e n z i j n . Aan de hand van de gewenste r o u t e kan de t o t a a l t e V l i e g e n a f s t a n d b e p a a l d w o r d e n , de t e g e b r u i k e n r a d i o b a k e n s , de m e l d i n g s p u n t e n en f r e q u e n t i e s t . b . v . de l u c h t v e r k e e r s l e i d i n g , e v e n t u e l e u i t w i j k l u c h t havens e n z . Aan de hand van h e t g e w i c h t v a n de t e v e r v o e r e n p a s s a g i e r s en v r a c h t en de b e n o d i g d e b r a n d s t o f b e p a a l t de v l i e g e r h e t s t a r t g e w i c h t v a n h e t v l i e g t u i g . V i a t a b e l l e n en g r a f i e k e n i n h e t V l i e g h a n d b o e k kan de v l i e g e r v e r v o l g e n s b e p a l e n w e l k e k i e p s t a n d en m o t o r i n s t e l l i n g n o d i g z i j n om h e t v l i e g t u i g met h e t gegeven s t a r t g e w i c h t v e i l i g t e l a t e n o p s t i j g e n en met een v o l d o e n d e g r o t e s t i j g hoek t e l a t e n k l i m m e n na de s t a r t , z e l f s i n d i e n e r t i j d e n s deze p r o c e d u r e een m o t o r zou u i t v a l l e n . I n de s t a r t b e r e k e n i n g e n dienen aspecten als - l e n g t e van de baan - h e l l i n g van de baan - t o e s t a n d van de baan - luchttemperatuur - drukhoogte meegenomen t e w o r d e n . Hiermee b e p a a l t de v l i e g e r de s n e l h e d e n waarop g e r o t e e r d ( n e u s w i e l van de baan g e t i l d ) w o r d t en w a a r b i j h e t v l i e g t u i g moet s t i j g e n . B i j d i v e r s e l u c h t v a a r t m a a t s c h a p p i j e n b e h o e f t de v l i e g e r a l deze a c t i e s n i e t l a n g e r z e l f u i t v o e r e n , maar w o r d t d i t met b e h u l p v a n een { g r o n d ) c o m p u t e r s y s t e e m v o o r hem gedaan. De r e s u l t a t e n v a n deze v l u c h t p l a n n i n g worden v o o r zover v a n t o e p a s s i n g d . m . v . een zogenaamd v l i e g p l a n aan de l u c h t v e r k e e r s l e i d i n g verstrekt. 2.2. Vluchtuitvoering De v l u c h t u i t v o e r i n g omvat een a a n t a l t a k e n w e l k e de s t u u r h u t b e m a n n i n g t i j d e n s h e t t a x i ë n , de s t a r t , s t i j g v l u c h t , k r u i s v l u c h t , d a a l v l u c h t , n a d e r i n g en l a n d i n g u i t d i e n t t e voerenCt). Deze t a k e n o m v a t t e n o n d e r meer b e s t u r i n g , n a v i g a t i e , systeembewaking en b e d i e n i n g , commun i c a t i e met de l u c h t v e r k e e r s l e i d i n g , u i t k i j k en a d m i n i s t r a t i e ( F i g . 3 ) . Deze t a k e n z u l l e n a c h t e r e e n v o l g e n s n a d e r beschouwd w o r d e n . , Besturing De b e s t u r i n g v a n h e t v l i e g t u i g omvat h e t a f l e z e n en v e r w e r k e n van i n f o r m a t i e van d i v e r s e i n s t r u m e n t e n ( a i r d a t a , s t a n d , k o e r s , n a v i g a t i e i n s t r u m e n t e n ) en aan de hand h i e r v a n h e t op de j u i s t e w i j z e b e d i e n e n van r o e r e n en m o t o r . Om de v r e r k l a s t v a n de v l i e g e r i n d i t o p z i c h t t e v e r m i n d e r e n , z i j n stuurcommandosystemen en s t u u r a u t o m a t e n b e s c h i k b a a r d i e a l s f u n c t i e van een door de v l i e g e r g e s e l e c t e e r d e "mode" de j u i s t e s t u u r s i g n a l e n i n " r o l l " en " p i t c h " aan de v l i e g e r p r e s e n t e r e n ( s t u u r commandosysteem) o f d i r e c t de r o e r e n b e d i e n e n ( s t u u r a u t o m a a t ) .

114 E n k e l e v o o r b e e l d e n v a n deze "modes" z i j n : - H e a d i n g h o l d ; h i e r b i j w o r d t a u t o m a t i s c h de g e s e l e c t e e r d e k o e r s gehandhaafd - A t t i t u d e h o l d ; h i e r b i j w o r d t de s t a n d v a n h e t v l i e g t u i g a u t o m a t i s c h vastgehouden - A l t i t u d e h o l d ; h i e r b i j w o r d t de ( d r u k ) h o o g t e waarop h e t v l i e g t u i g v l i e g t gehandhaafd - Approach; h i e r b i j v o l g t het v l i e g t u i g automatisch het ILS n a d e r i n g s pad. Voor de m o t o r r e g e l i n g z i j n eveneens a u t o m a t e n o n t w i k k e l d ( a u t o t h r o t t l e ) d i e e r v o o r z o r g e n d a t een b e p a a l d e l u c h t s n e l h e i d o f M a c h - g e t a l g e h a n d haafd wordt. , Havigatie De n a v i g a t i e omvat h e t b e p a l e n v a n de p o s i t i e en de t e v l i e g e n k o e r s en a f s t a n d t o t h e t v o l g e n d e r o u t e p u n t . H i e r v o o r w o r d t de i n f o r m a t i e van d i v e r s e s e n s o r e n ( a i r d a t a , kompas, t i j d , r a d i o n a v i g a t i e h u l p m i d d e l e n en z g n . " s e l f c o n t a i n e d " n a v i g a t i e m i d d e l e n ) v e r w e r k t i n r e l a t i e t o t h e t v l i e g p l a n . Ter v e r m i n d e r i n g v a n de w e r k b e l a s t i n g v o o r deze t a a k b e s c h i k t de v l i e g e r o v e r zogenaamde g e ï n t e g r e e r d e n a v i g a t i e s y s t e m e n w e l k e deze b e r e k e n i n g e n u i t v o e r e n en de r e s u l t a t e n op g r a f i s c h e n a l f a n u m e r i e k e w i j z e aan de v l i e g e r p r e s e n t e r e n . V e e l a l k u n n e n deze g e ï n t e g r e e r d e n a v i g a t i e s y s t e m e n d i r e c t g e k o p p e l d w o r d e n aan de s t u u r a u t o m a a t , z o d a t h e t v l i e g t u i g de n a v i g a t i e commando's a u t o m a t i s c h k a n o p v o l g e n . , Systeembewaking en b e d i e n i n g Deze t a a k omvat h e t v o o r t d u r e n d bewaken v a n de goede w e r k i n g v a n a l l e b o o r d s y s t e m e n aan de hand v a n de a a n w i j z i n g e n v a n een g r o o t a a n t a l i n s t r u m e n t e n en op adequate w i j z e r e a g e r e n op s t o r i n g e n . Om de h i e r m e d e verbonden w e r k b e l a s t i n g e n i g s z i n s t e beperken z i j n d i v e r s e i n s t r u menten v o o r z i e n v a n s c h a l e n waarop n a a s t de n u m e r i e k e waarde ook gekleurde s e c t o r e n aangebracht z i j n d i e aangeven o f de i n d i c a t i e z i c h i n h e t n o r m a l e w e r k g e b i e d ( g r o e n ) , i n h e t o v e r g a n g s g e b i e d , waar w e l waakzaamheid doch geen d i r e c t i n g r i j p e n n o d i g i s ( g e e l o f o r a n j e ) , o f i n h e t abnormale w e r k g e b i e d ( r o o d ) b e v i n d t , waar w e l d e g e l i j k d i r e c t gevaar i s . Een v e r d e r e v e r m i n d e r i n g v a n de w e r k b e l a s t i n g w e r d v e r k r e g e n d o o r e l k systeem t e v o o r z i e n v a n een e l e c t r i s c h o f e l e c t r o n i s c h c i r c u i t d a t i n g e v a l v a n een s t o r i n g een w a a r s c h u w i n g s l a m p j e met een s p e c i f i e k e m e l d i n g a l dan n i e t k n i p p e r e n d l a a t b r a n d e n . De b e l a n g r i j k s t e w a a r s c h u w i n g s l a m p j e s werden g e c o m b i n e e r d en g e g r o e p e e r d i n h e t z g n . " a n n u n c i a t o r p a n e l " . Een c e n t r a l e z i c h d i r e c t i n h e t z i c h t v e l d v a n de v l i e g e r b e v i n d e n d e "raaster w a r n i n g " en " m a s t e r c a u t i o n " lamp g e e f t een w a a r s c h u w i n g a l s e r een f o u t o p t r e e d t . H i e r n a a s t z i j n ook a k o e s t i s c h e w a a r s c h u w i n g s s y s t e m e n ( z o e m e r s , b e l l e n , t o e t e r s , c l a c k e r s , r a t e l s , h o o r n s i g n a l e n en g e s p r o k e n m e l d i n g e n ) en " v o e l b a r e " w a a r s c h u w i n g s s y s t e m e n ( s t i c k s h a k e r en s t i c k p u s h e r ) g e ï n t r o d u c e e r d . I n toenemende mate w o r d t i n de moderne v l i e g t u i g e n b i j s t o r i n g e n a u t o m a t i s c h i n g e g r e p e n . De v l i e g e r k r i j g t dan een s t o r i n g s m e l d i n g en een i n d i c a t i e v a n de r e e d s g e ë f f e c t u e e r d e a k t i e . D i t i s m o g e l i j k geworden d o o r d a t i n de moderne v l i e g t u i g e n de meeste systemen meervoudig z i j n u i t g e v o e r d . . Communicatie V a n a f h e t moment k o r t v o o r d a t de m o t o r e n g e s t a r t worden t o t h e t moment d a t n a de v l u c h t de m o t o r e n weer u i t g e s c h a k e l d worden i s de v l i e g e r r e g e l m a t i g i n r a d i o c o n t a c t met de l u c h t v e r k e e r s l e i d i n g . H i e r t o e d i e n t de v l i e g e r de r a d i o - a p p a r a t u u r op de j u i s t e f r e q u e n t i e s t e s e l e c t e r e n

115

ANTENNAS

COMMUNICATION SYSTEMS

AUDIO SYSTEM, PASSENGER [ANN/ENTERTAINM, MIKE

IDENTIFICATION SYSTEM

CONTROL BOXES

NAVIGATION SYSTEMS

WEATHER RADAR

FLIGHT-DATA RECORDER

AUTOMATIC •RUDDER [FLIGHT-CONTROU AILERONS l-ELEVATOR SYSTEM

AUTOMATIC MONITORING AND WARNING SYSTEM

BASIC SENSORS

Fig.

1*

F u n c t i o n e e l b l o k s c h e m a v a n de a v i o n i c a en

COCKPIT INSTRUMENTS

instrumentatie

116 en de gewenste i n f o r m a t i e t e v e r s t r e k k e n en t e v e r k r i j g e n . Deze i n f o r m a t i e omvat t o e s t e m m i n g om de m o t o r e n t e mogen s t a r t e n , t e mogen t a x i ë n , s t a r t e n , e n z . n a a s t i n f o r m a t i e w e l i e op v e r p l i c h t e m e l d i n g s p u n t e n , wanneer de k r u i s h o o g t e i s b e r e i k t e n z . v e r s t r e k t d i e n t t e w o r d e n . „ Uitkijk De u i t k i j k f u n c t i e omvat h e t v e r m i j d e n v a n b o t s i n g e n met h e t t e r r e i n , o b s t a k e l s , v l i e g t u i g e n en v a n g e b i e d e n met g e v a a r v o o r i j s v o r m i n g , zware t u r b u l e n t i e en b l i k s e m i n s l a g . De v l i e g e r k r i j g t h i e r t o e m e t e o i n f o r m a t i e v o o r de v l u c h t en t i j d e n s de v l u c h t ( v i a de r a d i o c o m m u n i c a t i e ) en h e e f t de b e s c h i k k i n g o v e r een w e e r r a d a r s y s t e e m . Om b o t s i n g e n met h e t t e r r e i n t e v e r m i j d e n moet de v l i e g e r de j u i s t e r o u t e en h o o g t e h a n d h a v e n . V e r d e r z i j n de meeste v e r k e e r s v l i e g t u i g e n t e g e n w o o r d i g u i t g e r u s t met een z g n . Ground P r o x i m i t y W a r n i n g System (GPV/s) d a t de v l i e g e r een g e s p r o k e n m e l d i n g g e e f t b i j gevaar v o o r een b o t s i n g met h e t t e r r e i n . e Administratie Ten behoeve v a n m o t o r o n d e r h o u d en t e r r e g i s t r a t i e van de t o e s t a n d van h e t v l i e g t u i g i s h e t n o d i g d a t een a a n z i e n l i j k e h o e v e e l h e i d i n f o r m a t i e o v e r de v l u c h t en de b o o r d s y s t e m e n v a s t g e l e g d w o r d t . Om de v l i e g e r h i j deze t a a k t e a s s i s t e r e n z i j n z g n . A i r b o r n e I n t e g r a t e d D a t a Systems (AIDS) g e ï n t r o d u c e e r d d i e een a a n z i e n l i j k d e e l v a n de gewenste gegevens op magneetband r e g i s t r e r e n . Ten behoeve van de d i r e c t e p r e s e n t a t i e v a n deze gegevens aan de bemanning i s e r i n de moderne v e r k e e r s v l i e g t u i g e n ook een k l e i n e r e g e l d r u k k e r aanwezig w a a r op een g e s e l e c t e e r d a a n t a l p a r a m e t e r s i n " e n g i n e e r i n g u n i t s " op aanvraag kan worden a f g e d r u k t . 2 . 3 . B e s c h i k b a r e gegevens De gegevens w e l k e de s t u u r h u t b e m a n n i n g b i j de t a a k u i t v o e r i n g g e b r u i k t komen van h e t V l i e g h a n d b o e k , k a a r t e n . A e r o n a u t i c a l I n f o r m a t i o n P u b l i c a t i o n s ( A I P ) , N o t i c e s t o A i r m e n (NOTAMs), de d i v e r s e i n s t r u m e n t e n aan b o o r d v a n h e t v l i e g t u i g e n , v i a de r a d i o c o m m u n i c a t i e , van de luchtverkeersleiding. -

Het V l i e g h a n d b o e k ( A i r p l a n e F l i g h t Manual) b e v a t een g r o t e h o e v e e l h e i d i n f o r m a t i e o m t r e n t de p r e s t a t i e s van h e t v l i e g t u i g en z i j n systemen en de l i m i t e r i n g e n van h e t g e b r u i k . H i e r n a a s t b e v a t h e t V l i e g h a n d b o e k de z g n . c h e c k l i s t s , d i e b i j h e t v l i e g e n , de b e d i e n i n g van de systemen en b i j s t o r i n g e n g e v o l g d d i e n e n t e w o r d e n .

- De A e r o n a u t i c a l I n f o r m a t i o n P u b l i c a t i o n ( A I P ) w o r d t u i t g e g e v e n d o o r de l u c h t v a a r t d i e n s t e n van de d i v e r s e l a n d e n . Het b e v a t i n f o r m a t i e w e l k e op l a n g e t e r m i j n van b e l a n g i s v o o r l u c h t v a r e n d e n . Het A I P b e v a t gegevens o v e r de v l i e g v e l d e n , r a d i o n a v i g a t i e - en l a n d i n g s h u l p m i d d e l e n , k a a r t e n van h e t l u c h t r u i m met de d i v e r s e b a k e n s , o b s t a k e l s , l u c h t w e g e n , verboden gebieden e t c . - De N o t i c e s t o A i r m e n (NOTAMs) b e v a t t e n i n f o r m a t i e w e l k e op k o r t e t e r m i j n b e l a n g r i j k i s ( b . v . t i j d e l i j k e b u i t e n w e r k i n g z i j n van radionavigatiehulpmiddelen of landingshulpmiddelen). - De v l i e g i n s t r u m e n t e n , n a v i g a t i e - i n s t r u m e n t e n , m o t o r i n s t r u m e n t e n en a n d e r e s y s t e e m i n s t r u m e n t e n geven b e n o d i g d e k w a l i t a t i e v e "en k w a n t i t a t i e v e i n f o r m a t i e n o d i g v o o r de v l u c h t u i t v o e r i n g . W a a r s c h u w i n g s systemen z o r g e n er v o o r d a t de a a n d a c h t van de bemanning op e v e n t u e l e storingen o f gevaarlijke s i t u a t i e s gevestigd wordt.

117 2.k. W e r k b e l a s t i n g en ergonomie Gedxirende de v l u c h t d i e n t de bemanning v e e l v e r s c h i l l e n d e s o o r t e n i n f o r m a t i e t e v e r w e r k e n en om t e z e t t e n i n de j u i s t e b e s l i s s i n g e n en h a n d e l i n g e n . I n een a a n t a l s i t u a t i e s d i e n e n deze b e s l i s s i n g e n b i n n e n een z e e r k o r t e t i j d s p e r i o d e genomen t e w o r d e n . F o u t i e v e b e s l i s s i n g e n en h a n d e l i n g e n k u n n e n ongewenste en z e l f s r a m p z a l i g e c o n s e q u e n t i e s hebben. Om deze r e d e n e n w o r d t e r b i j de i n r i c h t i n g v a n de s t u u r h u t , de p l a a t s i n g en v o r m g e v i n g v a n i n s t r u m e n t e n en b e d i e n i n g s o r g a n e n v e e l a a n d a c h t b e s t e e d aan de mens-machine a s p e c t e n . V l i e g i n s t r u m e n t e n , m o t o r i n s t r u m e n t e n , s y s t e e m i n s t r u m e n t e n en a n n u n c i a t o r p a n e l s worden op een g e s t a n d a a r d i s e e r d e w i j z e g e g r o e p e e r d . D i t g e l d t ook v o o r b e d i e n i n g s o r g a n e n : z i j vrorden waar m o g e l i j k v o o r z i e n van een v e r s c h i l l e n d e v o r m z o d a t de bemanning op de t a s t de b e l a n g r i j k s t e b e d i e n i n g s ¬ organen k a n o n d e r s c h e i d e n ( b . v . o n d e r s t e l en k l e p p e n ) . Ondanks a l deze m a a t r e g e l e n en de w e r k l a s t v e r m i n d e r e n d e systemen (stuurautomaat, g e ï n t e g r e e r d e n a v i g a t i e , waarschuwingssystemen e t c . ) b l i j v e n e r ' s i t u a t i e s w a a r i n de w e r k b e l a s t i n g van de s t u u r h u t b e m a n n i n g z e e r hoog w o r d t . Deze hebben onder meer b e t r e k k i n g op s t a r t , l a n d i n g en storingen. B i j de s t a r t en de l a n d i n g i s a l l e a a n d a c h t n o d i g v o o r de b e s t u r i n g van h e t v l i e g t u i g . I n deze f a s e d i e n t de bemanning met zo w e i n i g mogel i j k andere werkzaamheden o f s i g n a l e n g e h i n d e r d t e worden ( z o a l s b i j v o o r b e e l d r a d i o c o m m u n i c a t i e , o f op d a t moment o n b e l a n g r i j k e s t o r i n g s meldingen). B i j o p t r e d e n d e s t o r i n g e n d i e n t de bemanning v e e l a l d i r e c t ( n a a s t a l l e andere a c t i v i t e i t e n ) de j u i s t e a c t i e s t e nemen om de e f f e c t e n v a n de s t o r i n g t e m i n i m a l i s e r e n . B i j h e t u i t v a l l e n v a n een m o t o r b i j v o o r b e e l d z u l l e n eveneens de aan deze m o t o r g e k o p p e l d e e l e c t r i s c h e , h y d r a u l i s c h e en p n e u m a t i s c h e systemen u i t v a l l e n . De bemanning d i e n t t e c o r r i g e r e n v o o r h e t w e g v a l l e n v a n een d e e l v a n de s t u w k r a c h t , e v e n t u e l e m o t o r b r a n d t e b l u s s e n en de g e k o p p e l d e e l e c t r i s c h e , h y d r a u l i s c h e en p n e u m a t i s c h e systemen waar m o g e l i j k v i a andere m o t o r e n t e v o e d e n . H i e r n a z a l de v l i e g e r moeten b e p a l e n op w e l k e maximale k r u i s h o o g t e d o o r g e v l o g e n k a n w o r d e n , h o e v e r nog g e v l o g e n k a n worden met de r e s t e r e n d e b r a n d s t o f , waar h e t d i c h t s b i j z i j n d e v l i e g v e l d met een v o l doende l a n g e l a n d i n g s b a a n l i g t e n z . Andere s i t u a t i e s w a a r i n v r i j w e l o g e n b l i k k e l i j k een g r o t e h o e v e e l h e i d i n f o r m a t i e v e r w e r k t d i e n t t e worden z i j n b . v . v e r z o e k e n van de l u c h t verkeersleiding als: - Z o u d t U een a n d e r e v l i e g h o o g t e ( f l i g h t l e v e l ) kunnen a c c e p t e r e n ? - Kunt U f l i g h t l e v e l b i j positie b e r e i k t hebben? - Ga nu d i r e c t n a a r p o s i t i e . Wat i s Uw v e r w a c h t e a a n k o m s t t i j d ? Ook s i t u a t i e s w e l k e de economie v a n h e t v l i e g e n b e t r e f f e n kunnen v r i j v e e l u i t z o e k w e r k v a n de v l i e g e r v r a g e n . D i t z i j n onder meer v r a g e n a l s : - wat I S de optimum v l i e g h o o g t e en de b e s t e v l i e g s n e l h e i d om i n de h u i d i g e o m s t a n d i g h e d e n v o o r wat b e t r e f t w i n d , t e m p e r a t u u r , g e w i c h t e t c . een minimum b r a n d s t o f v e r b r u i k t e v e r k r i j g e n ? - Wat i s h e t b e s t e p u n t om aan h e t e i n d e v a n de k r u i s v l u c h t de d a l i n g m t e z e t t e n (Top o f D e s c e n t ) om b i j de l a n d i n g s b a a n t e komen met een minimum b r a n d s t o f v e r b r u i k ? - Wat i s de b e s t e s n e l h e i d om zo l a n g m o g e l i j k t e kunnen b l i j v e n v l i e g e n ( b . v . t i j d e n s een h o l d i n g ) ?

118 I n p r i n c i p e i s a l l e b e n o d i g d e i n f o r m a t i e i n h e t V l i e g h a n d b o e k en v i a de d e s b e t r e f f e n d e i n s t r u m e n t e n b e s c h i k b a a r . De b e p a l i n g v a n h e t a n t w o o r d zou e c h t e r d o o r de i n z e t v a n een z g n . F l i g h t Management Computer S y s t e m , w a a r i n de n a v i g a t i e , b r a n d s t o f , v l i e g t u i g - en m o t o r p r e s t a t i e gegevens g e c o m b i n e e r d v e r w e r k t kunnen w o r d e n , a a n z i e n l i j k s n e l l e r en n a u w k e u r i g e r g e r e a l i s e e r d kunnen w o r d e n . Evenzo zouden de d i v e r s e i n s t r u c t i e s en c h e c k l i s t s u i t h e t V l i e g handboek i n g e v a l v a n een s t o r i n g d i r e c t op een b e e l d s c h e r m g e p r e s e n t e e r d kimnen w o r d e n . 3. 3.1.

AVIONICA-SYSTEMEN I N DE HUIDIGE GENERATIE VERKEERSVLIEGTUIGEN S t a n d a a r d i s a t i e en a r c h i t e c t u u r

Na de tweede w e r e l d o o r l o g werden de l u c h t v a a r t m a a t s c h a p p i j e n g e c o n f r o n t e e r d met een toenemend a a n t a l v l i e g t u i g t y p e n , i e d e r met hun e i g e n a v i o n i c a - s y s t e m e n . Om de h i e r d o o r toenemende k o s t e n v o o r r e s e r v e o n d e r d e l e n en o p l e i d i n g v a n h e t o n d e r h o u d s p e r s o n e e l t e b e p e r k e n i s b e s l o t e n t o t een s t a n d a a r d i s a t i e v a n de a v i o n i c a en i n s t r u m e n t a t i e o v e r t e gaan. I n 19^*9 w e r d v i a de A e r o n a u t i c a l R a d i o I n c o r p o r a t e d ( A R I N C ) , een o r g a n i s a t i e w a a r i n de d i v e r s e l u c h t v a a r t m a a t s c h a p p i j e n a a n d e e l h o u d e r zijn, b e s l o t e n om een A i r l i n e E l e c t r o n i c E n g i n e e r i n g Committee (AEEC) op t e r i c h t e n om t e zamen met de a v i o n i c a - i n d u s t r i e s p e c i f i c a t i e s t e o n t w e r p e n w e l k e de v o r m , a a n s l u i t i n g e n en f u n c t i e ( F o r m , F i t and F u n c t i o n ) v a n de a v i o n i c a - e e n h e d e n v a s t l e g g e n . H i e r d o o r w e r d h e t m o g e l i j k om a v i o n i c a - e e n h e d e n v a n v e r s c h i l l e n d f a b r i k a a t u i t t e w i s s e l e n . Qua a r c h i t e c t u u r i s gekozen v o o r de s i t u a t i e w a a r i n a l l e e n de a a n w i j s i n s t r v m i e n t e n en b e d i e n i n g s o r g a n e n i n de s t u u r h u t z i j n g e p l a a t s t . Deze s t u u r h u t a p p a r a t u u r i s v i a e l e c t r i s c h e b e k a b e l i n g g e k o p p e l d met de a v i o n i c a - d e l e n w e l k e a l s p l u g - i n modules ( L i n e R e p l a c e a b l e U n i t s ) i n h e t a v i o n i c a - r e k a c h t e r o f onder de s t u u r h u t z i j n g e p l a a t s t . Waar n o d i g z i j n deze p l u g - i n modules v e r b o n d e n aan t r a n s d u c e n t e n i n de m o t o r e n en andere systemen en met a n t e n n e s op de h u i d v a n h e t v l i e g t u i g . I n f i g u u r h i s een g l o b a a l blokschema gegeven v a n de a v i o n i c a - ^ u i t r u s t i n g v a n de h u i d i g e v e r k e e r s v l i e g t u i g e n . Aan de l i n k e r z i j d e z i j n de " s e n s o r e n " g e z e t , aan de r e c h t e r z i j d e de v e r w e r k i n g s - , r e g i s t r a t i e en p r e s e n t a t i e s y s t e m e n . Waar n o d i g z i j n de s e n s o r e n g e k o p p e l d aan deze v e r w e r k i n g s - , r e g i s t r a t i e - en p r e s e n t a t i e s y s t e m e n . De r a d i o - a p p a r a t u u r w o r d t a f g e s t e m d m . b . v . i n d i v i d u e l e a f s t e m e e n h e d e n v i a een p a r a l l e l l e d i g i t a l e v e r b i n d i n g (22 draden p e r a f s t e r a e e n h e i d ) . Het m e r e n d e e l v a n de " s e n s o r e n " g e e f t de i n f o r m a t i e t . b . v . de i n s t r u menten i n de s t u u r h u t a f a l s s y n c h r o s t u u r s i g n a l e n (5 d r a d e n p e r p a r a m e t e r ) o f d r a a i s p o e l i n s t r u m e n t s t u r i n g (2 d r a d e n p e r p a r a m e t e r ) . De electromechanische stuurhutinstrumenten bevatten synchro's, synchros e r v o s y s t e m e n en d r a a i s p o e l i n s t r u m e n t e n . Aan h e t e i n d e v a n de j a r e n z e s t i g w e r d h e t m o g e l i j k om m . b . v . v o l d o e n d e k l e i n e en l i c h t e d i g i t a l e c o m p u t e r s f u n c t i e s w e l k e een hoge r e k e n nauwkeurigheid v e r e i s t e n , zoals airdata-berekeningen, n a v i g a t i e b e r e k e n i n g e n en m o t o r r e g e l i n g s b e r e k e n i n g e n u i t t e v o e r e n . Om c o m p a t i b e l t e b l i j v e n met r e e d s b e s t a a n d e " a n a l o g e " s p e c i f i c a t i e s d i e n d e n sommige v a n deze d i g i t a l e systemen t o c h hun u i t g a n g s s i g n a l e n i n de vorm v a n s y n c h r o s i g n a l e n t e b l i j v e n l e v e r e n ( b . v . D i g i t a l e A i r - D a t a Computer-DADC). Andere nieuwe s e n s o r e n k r e g e n een mengvorm v a n a n a l o g e u i t g a n g e n t . b . v . b e s t a a n d e systemen d i e h i e r a a n g e k o p p e l d moesten worden, en d i g i t a l e u i t g a n g e n n a a r van a n d e r e a v i o n i c a - s y s t e m e n o n a f h a n k e l i j k e b e e l d s c h e r m e n en b e d i e n i n g s e e n h e d e n ( b . v . I n e r t i a l N a v i g a t i o n System - I N S ) .

119 De a v i o n i c a - s y s t e m e n w e l k e i n de h u i d i g e g e n e r a t i e v e r k e e r s v l i e g t u i g e n vrorden a a n g e t r o f f e n z i j n o n t w o r p e n v o l g e n s de e e r s t e g e n e r a t i e ( g r o t e n d e e l s a n a l o g e ) AHIMC 50O s p e c i f i c a t i e s d i e t u s s e n 1950 en 1970 geschreven z i j n ( 5 ) . 3.2. O n t w e r p e r i t e r i a voor avionica-systemen De o n t v r e r p c r i t e r i a v o o r a v i o n i c a - s y s t e m e n en de h i e r i n t o e g e p a s t e c o m p u t e r s v e r s c h i l l e n a a n z i e n l i j k v a n de c r i t e r i a t . b . v . systemen vrelke i n een a i r c o n d i t i o n e d r u i m t e aan de g r o n d moeten w e r k e n . De a p p a r a t u u r d i e n t n a m e l i j k o n t w o r p e n t e z i j n v o o r de o m g e v i n g s c o n d i t i e s w e l k e i n h e t v l i e g t u i g k u n n e n voorkomen m . b . t . t e m p e r a t u u r , d r u k , v o c h t i g h e i d , t r i l l i n g e n en s c h o k k e n , e l e c t r o m a g n e t i s c h e i n t e r f e r e n t i e en v o e d i n g s spanningsvariaties. - De a p p a r a t u u r d i e n t goed t e b l i j v e n w e r k e n , z o w e l na een p o o l n a c h t i n A l a s k a a l s na een middag op een v l i e g v e l d i n de t r o p e n z o n van A f r i k a . - Z e l f s i n de d r u k c a b i n e van een modern s t r a a l v e r k e e r s v l i e g t u i g v a r i e e r t de d r u k t u s s e n de IO5O en 700 m i l l i b a r . - De r e l a t i e v e v o c h t i g h e i d kan v a r i e r e n van b i j n a 100 t b i j de s t a r t na een n a c h t op een v l i e g v e l d i n N e d e r l a n d t o t c a . O ^ na een l a n g e k r u i s v l u c h t op g r o t e h o o g t e . - M o t o r e n en t u r b u l e n t i e kunnen a a n z i e n l i j k e t r i l l i n g e n v e r o o r z a k e n . - T i j d e n s s t a r t - en l a n d i n g kunnen a a n z i e n l i j k e s c h o k k e n o p t r e d e n . - I n het v l i e g t u i g bevinden z i c h k r a c h t i g e zenders ( t . b . v . r a d a r , r a d i o n a v i g a t i e , r a d i o c o m m u n i c a t i e en i d e n t i f i c a t i e , r a d i o h o o g t e m e t e r ) , m o t o r e n en a n d e r e s t r o o m v e r b r u i k e r s w e l k e s i g n i f i c a n t e e l e c t r o m a g n e t i s c h e v e l d e n kunnen opwekken. - De e l e c t r i s c h e e n e r g i e vrelke b e s c h i k b a a r i s aan b o o r d van v l i e g t u i g e n i s o n d e r h e v i g aan a a n z i e n l i j k e v a r i a t i e s i n a m p l i t u d e en f r e q u e n t i e . De o m g e v i n g s c o n d i t i e s waaraan a v i o n i c a - s y s t e m e n d i e n e n t e v o l d o e n z i j n gegeven i n Document D 0 - 1 6 O A v a n de R a d i o T e c h n i c a l Commission f o r Aeronautics ( R T C A ) . ( 6 ) . Naast deze e i s e n v . w . b . de o m g e v i n g s c o n d i t i e s vrorden aan de a v i o n i c a systemen en de d a a r i n t o e g e p a s t e c o m p u t e r s ook s t r i n g e n t e e i s e n g e s t e l d aan h e t g e w i c h t , volume en h e t e n e r g i e v e r b r u i k . Het g e w i c h t en h e t volume v a n de a v i o n i c a gaan immers t e n k o s t e van de m o g e l i j k h e d e n v o o r b e t a l e n d e l a d i n g , t e r w i j l v o o r de b e n o d i g d e e l e c t r i s c h e e n e r g i e a l s ook v o o r h e t v e r w i j d e r e n v a n de opgevfekte w a r m t e , b r a n d s t o f en a p p a r a t u u r n o d i g i s d i e eveneens t e n k o s t e van de b e t a l e n d e l a d i n g g a a t . T e n s l o t t e d i e n t de a p p a r a t u u r v o l d o e n d e b e t r o u w b a a r t e z i j n om de o p e r a t i o n e l e b e s c h i k b a a r h e i d van h e t v l i e g t u i g n i e t t e v e e l t e b e p e r k e n . Voor d i g i t a l e c o m p u t e r s g a a t op d i t p u n t de b e t r o u w b a a r h e i d van de p r o g r a m m a t u u r een g r o t e r o l s p e l e n . 3 . 3 . A v i o n i c a en i n s t r u m e n t a t i e v a n de KLM B o e i n g 6-7)47 I n f i g u u r 5 vrordt é é n v a n de meest g e b r u i k t e hedendaagse v e r k e e r s v l i e g t u i g e n g e g e v e n , de B o e i n g B - 7 l t 7 . Met d i t door v i e r z g n . h i g h - b y p a s s r a t i o t u r b o f a n m o t o r e n , e l k met een s t u w k r a c h t v a n 2 0 0 . 0 0 0 N e w t o n , v o o r t g e s t u w d e v l i e g t u i g kunnen meer dan 350 p a s s a g i e r s , op een k r u i s h o o g t e v a n meer dan 10 km en met een s n e l h e i d v a n meer dan 900 k m / u u r , o v e r een a f s t a n d v a n meer dan 10.000 km v e r v o e r d w o r d e n . I n d i e n men de s t u u r h u t v a n d i t v l i e g t u i g ( F i g . ë ) v e r g e l i j k t met de c a . 50 j a a r e e r d e r o n t w o r p e n F o k k e r F V I I i s de enorme toename v a n i n s t r u menten en b e d i e n i n g s o r g a n e n , d i e de v l i e g e r vandaag de dag g e b r u i k t w e l duidelijk. D i r e c t v o o r de v l i e g e r s b e v i n d e n z i c h de v l i e g i n s t r u m e n t e n . Deze o m v a t t e n o n d e r meer de A t t i t u d e D i r e c t o r I n d i c a t o r ( A D i ) w e l k e s t a n d i n f o r m a t i e . I n s t r u m e n t L a n d i n g System ( i L S ) i n f o r m a t i e en s i g n a l e n v a n

120

Fig. 6

s t u u r h u t van een KLM

B-7kl

121 h e t stuurcommandosysteem ( F l i g h t D i r e c t o r ) g e ï n t e g r e e r d p r e s e n t e e r t . Onder de ADI b e v i n d t z i c h de H o r i z o n t a l S i t u a t i o n I n d i c a t o r ( H S l ) d i e k o m p a s i n f o r m a t i e en r a d i o n a v i g a t i e - i n f o r m a t i e g e ï n t e g r e e r d aan de v l i e g e r p r e s e n t e e r t . L i n k s en r e c h t s v a n de ADI b e v i n d e n z i c h de gecombineerde l u c h t s n e l h e i d / M a c h i n d i c a t o r en de b a r o m e t r i s c h e h o o g t e m e t e r . V e r d e r b e v i n d e n z i c h i n de p a n e l e n d i r e c t v o o r de v l i e g e r s a a n w i j s i n s t r u m e n t e n v o o r s t i j g s n e l h e i d , r a d i o h o o g t e , en gegevens v a n h e t t r a a g h e i d s n a v i g a t i e s y s t e e m ( i N S ) . D i r e c t boven deze v l i e g i n s t r u menten b e v i n d e n z i c h l a m p j e s w e l k e de momentane mode v a n h e t s t u u r commandosysteem o f de s t u u r a u t o m a a t aangeven. De s e l e c t i e v a n deze modes en de a f s t e m m i n g en i n s t e l l i n g v a n de g e k o p p e l d e s e n s o r e n g e s c h i e d t v i a de b e d i e n i n g s o r g a n e n i n de " g l a r e s h i e l d c o n t r o l l e r " t u s s e n de v o o r r u i t en de i n s t r u m e n t e n p a n e l e n i n . I n h e t c e n t r a l e i n s t r u m e n t e n p a n e e l b e v i n d e n z i c h de m o t o r i n s t r u m e n t e n , ( h i e r u i t g e v o e r d a l s zgn. " v e r t i c a l - t a p e i n s t r u m e n t s " ) , m o t o r t o e r e n t a l l e n ( m en H 2 ) , Exhaust Gas T e m p e r a t u r e (EGT) en F u e l Flow ( F F ) . D i r e c t onder deze i n s t r u m e n t e n b e v i n d t z i c h h e t a n n u n c i a t o r p a n e l waarop de s t o r i n g s m e l d i n g e n g e p r e s e n t e e r d kunnen w o r d e n . Het h o r i z o n t a l e g e d e e l t e t u s s e n de b e i d e v l i e g e r s ( z g n . " p e d e s t a l " ) b e v a t de m o t o r r e g e l i n g s o r g a n e n en de b e d i e n i n g s o r g a n e n v a n de communic a t i e - , n a v i g a t i e - en i d e n t i f i c a t i e - a p p a r a t u u r , k l e p p e n en t r i m . I n h e t b o v e n de v l i e g e r s g e p l a a t s t e p a n e e l en h e t i n f i g u u r 6 n i e t g e t o o n d e z i j p a n e e l b e v i n d e n z i c h de b e d i e n i n g s o r g a n e n en a a n w i j s i n s t r u menten v o o r de d i v e r s e e l e c t r i s c h e , h y d r a u l i s c h e , p n e u m a t i s c h e en brandstofsystemen. De g e t o o n d e i n s t r u m e n t e n en b e d i e n i n g s o r g a n e n z i j n h e t " i n t e r f a c e " t u s s e n de v l i e g e r en de e v e n z o v e l e systemen en s e n s o r e n van de Boeing B-fhT. I n f i g u u r 7 i s een b l o k s c h e m a gegeven v a n h e t B-7i47 a v i o n i c a - s y s t e e m . L i n k s boven z i j n h i e r v a n de c o m m i m i c a t i e z e n d - o n t v a n g e r s (VHF COM, HF g o m ) , hun b e d i e n i n g s o r g a n e n en S e l e c t i v e C a l l i n g (SELCAL) systeem g e g e v e n . D i r e c t d a a r onder b e v i n d t z i c h de r a d i o n a v i g a t i e - a p p a r a t u u r ( A u t o m a t i c D i r e c t i o n F i n d e r - ADF, VHF HAV - VOE/ILS LOC, I L S GS, M a r k e r , D i s t a n c e M e a s u r i n g Equipment - DME) en de b i j b e h o r e n d e a f s t e r n eenheden. H i e r o n d e r b e v i n d t z i c h h e t I n e r t i a l N a v i g a t i o n System ( i N S ) met de Command a n d D i s p l a y U n i t (CDU). H i e r n a v o l g e n de t r a n s p o n d e r (ATC RBS), A i r d a t a Computer (ADC), H e a d i n g and A t t i t u d e System ( H A S ) , R a d i o - a l t i m e t e r ( R A L T ) , w e e r r a d a r , m o t o r s e n s o r systemen en de s e n s o r e n v a n de d i v e r s e b o o r d s y s t e m e n . Rechts i n h e t b l o k s c h e m a b e v i n d e n z i c h de v e r w e r k i n g s - , r e g i s t r a t i e - en presentatiesystemen. De a u d i o - s e l e c t o r u n i t maakt s e l e c t i e van g e l u i d s i g n a l e n v a n de d i v e r s e c o m m u n i c a t i e - en r a d i o n a v i g a t i e - a p p a r a t u u r m o g e l i j k . De c o c k p i t v o i c e r e c o r d e r r e g i s t r e e r t de g e l u i d e n i n de s t u u r h u t . De F l i g h t - D a t a R e c o r d e r r e g i s t r e e r t op een " c r a s h p r o o f " r e c o r d e r en op een direct toegankelijke recorder v l i e g i n f o r m a t i e (hoogte, snelheid, koers) en s y s t e e m i n f o r m a t i e . Autothrottle en A u t o m a t i c F l i g h t C o n t r o l System (AFCS) z o r g e n v o o r de automatische b e s t u r i n g ( i n c l u s i e f automatische l a n d i n g e n ) . A D I , HSI, e n g i n e i n s t r u m e n t s , c o n f i g u r a t i o n i n s t r u m e n t s en a i r d a t a i n s t r u m e n t s l e v e r e n de p r e s e n t a t i e van de genoemde systemen i n de s t u u r h u t . De w a r n i n g e l e c t r o n i c s v e s t i g e n v i a de " c a u t i o n and w a r n i n g i n d i c a t i o n s " i n h e t i n s t r u m e n t e n p a n e e l de aandacht op s t o r i n g e n en g e v a a r l i j k e situaties.

122

ENGINE I SYSTEMS INSTRUMENTS! r'=ONFlGURATIOt. — INSTRUMENTS

ENGINE AND SYSTEMS rOHFIGURATIOK iWARNKIG LECTROfJICS

CAUTIDII MID WARNING INDICATIONS

GROUtID PROX, WARNING SYSTEM 595

AIRFRAME SYSTEMS ELECTRONICS

Fig.

T

B-T^iT A v i o n i c a - b l o k s c h e m a

TRANSMITTER

RECEIVER TRANSMITTER

TRANSMITTER

LABEL

Fig.

8

SSM

DATA

SDI 8 9

1

10 11

ARINC 1*29 B r o a d c a s t - b u s

29 30

concept

31

32

123

Het Ground P r o x i m i t y W a r n i n g System (GPWS) l e v e r t , g e b a s e e r d op r a d i o h o o g t e , a i r d a t a , I L S g l i d e s l o p e i n f o r m a t i e en v l i e g t u i g c o n f i g u r a t i e , " g e s p r o k e n " w a a r s c h u w i n g e n h i j een naderende b o t s i n g met h e t t e r r e i n . De B o e i n g B-^k^ was een v a n de e e r s t e v e r k e e r s v l i e g t u i g e n w a a r i n d i g i t a l e c o m p u t e r s werden t o e g e p a s t . Zo z i j n e r d i g i t a l e "embedded" computers a a n w e z i g i n de - A i r D a t a Computer (ADC) - I n e r t i a l N a v i g a t i o n System ( i N S ) - T o t a l A i r Temperature (TAT)/Engine Pressure R a t i o ( E P R ) computer. De ADC l e v e r t de d i g i t a a l b e r e k e n d e doch a n a l o o g ( s y n c h r o ) u i t g e v o e r d e d r u k h o o g t e , l u c h t s n e l h e i d , g e t a l van Mach, s t i j g s n e l h e i d en e n k e l e s i g n a l e n v o o r de s t u u r a u t o m a a t . De INS l e v e r t p o s i t i e , g r o n d s n e l h e i d , a f s t a n d en k o e r s n a a r maximaal negen v e r s c h i l l e n d e r o u t e p u n t e n , g r o n d k o e r s e t c . Deze gegevens worden m . b . v . de CDU ( n u m e r i e k ) en m . b . v . een s p e c i a l e INS i n d i c a t o r a n a l o o g gepresenteerd. De TAT/EPR computer b e r e k e n t c o n t i n u de maximaal t o e l a a t b a r e m o t o r i n s t e l l i n g a l s f u n c t i e v a n de l u c h t d r u k en t e m p e r a t u u r . S t u u r a u t o m a a t , a u t o m a t i s c h e m o t o r r e g e l i n g en stuurcommandosysteem maken b i j de B-7't7 nog g e b r u i k v a n a n a l o g e c o m p u t e r s y s t e m e n . Door een d r i e v o u d i g redundante u i t v o e r i n g i s d i t analoge automatische b e s t u r i n g s systeem i n s t a a t a u t o m a t i s c h e l a n d i n g e n i n z e e r s l e c h t - z i c h t c o n d i t i e s ( v e r t i c a a l z i c h t m i n d e r dan 30 m e t e r , h o r i z o n t a a l z i c h t m i n d e r dan I4OO m e t e r ) u i t t e v o e r e n . i*.

AVIONICA-SYSTEMEN I N DE KOMENDE GENERATIE VERKEERSVLIEGTUIGEN

k.]. Nieuwe s t a n d a a r d s v o o r d i g i t a l e a v i o n i c a Aan h e t b e g i n v a n de j a r e n z e v e n t i g i s de p r i j s van de v l i e g t u i g b r a n d s t o f z e e r s t e r k g e s t e g e n . Toen dan ook aan h e t e i n d van de j a r e n z e v e n t i g de o n t w e r p e i s e n v a n de l u c h t v a a r t m a a t s c h a p p i j e n v o o r de nieuwe s e r i e v e r k e e r s v l i e g t u i g e n v o o r k o r t e en m i d d e l l a n g e a f s t a n d v a s t g e l e g d werden kwam v e r m i n d e r i n g van h e t b r a n d s t o f g e b r u i k a l s een van de b e l a n g r i j k s t e p u n t e n n a a r v o r e n . V e r d e r was i n de j a r e n z e v e n t i g de o n t w i k k e l i n g op h e t g e b i e d v a n de m i c r o - e l e c t r o n i c a , c o m p u t e r t e c h n i e k en b e e l d s c h e r m t e c h n i e k met g r o t e sprongen v o o r u i t g e g a a n . Aan h e t e i n d van de j a r e n z e v e n t i g d i e n d e de AEEC t e b e s l u i t e n o f e r v o o r de nieuwe g e n e r a t i e v e r k e e r s v l i e g t u i g e n v o o r t g e g a a n d i e n d e t e worden op de oude g e n e r a t i e a v i o n i c a - s p e c i f i c a t i e s o f d a t e r nu een g e h e e l nieuwe g e n e r a t i e a v i o n i c a g e s p e c i f i c e e r d zou d i e n e n t e w o r d e n . Een b e l a n g r i j k a s p e c t i n deze b e s l i s s i n g was i n h o e v e r r e h e t g e w i c h t van h e t g e h e l e a v i o n i c a - p a k k e t g e r e d u c e e r d zou kunnen w o r d e n . Een g r o o t g e d e e l t e v a n d i t g e w i c h t w o r d t gevormd door de b e k a b e l i n g t u s s e n opnemers i n de s y s t e m e n , a v i o n i c a - r e k en s t u u r h u t . E l k e opnemer h e e f t p e r s i g n a a l m i n i m a a l twee d r a d e n n o d i g . Tussen de a v i o n i c a - e e n h e d e n i n h e t a v i o n i c a - r e k en s t u u r h u t i n s t r u m e n t en v/orden g r o t e n d e e l s s y n c h r o s i g n a l e n (5 draden p e r p a r a m e t e r ) o v e r g e d r a g e n . Per a f s t e m e e n h e i d z i j n c a . 22 d r a d e n n o d i g . S y s t e e m s t u d i e s gaven aan d a t b i j een B o e i n g 8-71+7 een g e w i c h t s b e s p a r i n g van r u i m 1300 k g m o g e l i j k zou z i j n i n d i e n s e r i ë l e d i g i t a l e d a t a b u s s e n g e b r u i k t zouden worden i . p . v . de a n a l o g e en d i g i t a l e p a r a l l e l e

124

verbindingen(7). Een v e r d e r e v e r m i n d e r i n g van de b r a n d s t o f k o s t e n zou m o g e l i j k worden i n d i e n de v l i e g e r i n s t a a t zou z i j n z o w e l de h o r i z o n t a l e n a v i g a t i e a l s h e t v e r t i c a l e p r o f i e l met de j u i s t e m o t o r r e g e l i n g o p t i m a a l t e v l i e g e n . Hoewel d i t t h e o r e t i s c h r e e d s m o g e l i j k i s i n de h u i d i g e g e n e r a t i e v e r k e e r s v l i e g t u i g e n dient hiervoor zoveel i n f o r m a t i e u i t het Vlieghandboek en v a n de d i v e r s e i n s t r u m e n t e n v e r w e r k t t e worden d a t d i t i n de p r a k t i j k v r i j w e l o n m o g e l i j k i s . Met b e h u l p van een c o m p u t e r s y s t e e m w a a r i n a l deze gegevens i n g e l e z e n en v e r w e r k t kunnen worden w o r d t d i t wel m o g e l i j k . De w e r k b e l a s t i n g v a n de v l i e g e r met b e t r e k k i n g t o t de b e s t u r i n g , n a v i g a t i e en de m o n i t o r i n g v a n de systemen kan d o o r de i n z e t van c o m p u t e r s y s t e m e n en geavanceerde p r e s e n t a t i e m i d d e l e n (computergestuurde beeldschermen), a a n z i e n l i j k gereduceerd worden. V e r d e r vierd v o o r s p e l d d a t de nieuwe g e n e r a t i e a v i o n i c a ( i n v e r g e l i j k i n g met de oude a n a l o g e g e n e r a t i e ) - qua i n v e s t e r i n g c a . 50 ^ goedkoper zou z i j n , - qua volume c a . 33 ^ g e r e d u c e e r d zou z i j n , - qua b e t r o u w b a a r h e i d een f a c t o r d r i e a v i e r b e t e r zou z i j n . Deze o v e r v f e g i n g e n hebben e r t o e g e l e i d d a t de AEEC aan h e t e i n d e van de j a r e n z e v e n t i g een nieuwe s e r i e AHINC s p e c i f i c a t i e s h e e f t g e s c h r e v e n v o o r de a v i o n i c a - s y s t e m e n i n de komende g e n e r a t i e v e r k e e r s v l i e g t u i g e n . Het oude c o n c e p t van f u n c t i o n e l e eenheden, vrelke a l s L i n e R e p l a c e a b l e U n i t (LRU) a l s p l u g - i n module i n en u i t h e t a v i o n i c a - r e k geschoven diende t e kunnen v r o r d e n , b l e e f g e h a n d h a a f d . De gekozen d i g i t a l e s e r i ë l e d a t a b u s s t r u c t u u r i s g e b a s e e r d op h e t z g n . "broadcast p r i n c i p e " ( 8 ) . D i t betekent dat i e d e r e afsteraeenheid, sensore e n h e i d o f v e r v r e r k i n g s e e n h e i d w e l k e d a t a a f g e e f t d i t op een i n d i v i d u e l e databus asynchroon d o e t . I n f i g u u r 8 i s d i t p r i n c i p e n a d e r aangegeven. Aan e l k e bus kunnen een g r o o t a a n t a l o n t v a n g e r s g e k o p p e l d vrorden w e l k e a l l e i n f o r m a t i e v a n de bus t o e g e l e v e r d k r i j g e n en z e l f de v o o r hen bestemde i n f o r m a t i e d i e n e n t e s e l e c t e r e n . A l l e gegevens worden o v e r g e z o n d e n a l s 32 b i t s eenheden. De e e r s t e a c h t b i t s (LABEL) i d e n t i f i c e r e n de p a r a m e t e r . De t r a n s m i s s i e i s a s y n c h r o o n ( " s e l f c l o c k i n g " ) , een é é n i s een p o s i t i e v e p u l s en een n u l een n e g a t i e v e p u l s . Ha 32 p u l s e n v o l g t een "gap" van m i n i m a a l v i e r k l o k p e r i o d e n . V a s t e b u s s n e l h e d e n z i j n 10, 100 en 1000 k H z . U i t g a a n d e van deze a r c h i t e c t u u r en b u s c o n c e p t e n z i j n v e r v o l g e n s n i e u w e ARIBC 700 s p e c i f i c a t i e s g e s c h r e v e n v o o r s e n s o r e n , r a d i o c o m m u n i c a t i e , r e g i s t r a t i e , e n z . ( 9 ) . De s e r i ë l e d a t a b u s w o r d t h i e r b i j ook v o o r de a f s t e m m i n g van r a d i o c o m m u n i c a t i e - en n a v i g a t i e - a p p a r a t u u r gebruikt. H i e r n a a s t z i j n ARINC 700 s p e c i f i c a t i e s g e s c h r e v e n v o o r nieuwe systemen w e l k e de b r a n d s t o f b e s p a r i n g en v e r m i n d e r i n g van de w e r k b e l a s t i n g m o g e l i j k moeten maken. Deze o m v a t t e n : -

AEINC ARINC ARINC ARINC ARINC

701 702 703 725 726

F l i g h t C o n t r o l Computer System (FCCS) F l i g h t Management Computer System (FMCS) T h r u s t C o n t r o l Computer System (TCCS) E l e c t r o n i c F l i g h t I n s t r u m e n t System (EFLS) F l i g h t W a r n i n g Computer System ( F l f C S ) .

125

Deze l a a t s t e v i j f worden.

systemen

z u l l e n i n d i t h o o f d s t u k nader

omschreven

h.2. Automatische b e s t u r i n g De t a k e n v a n h e t F l i g h t C o n t r o l Computer System (FCCS) en T h r u s t • C o n t r o l Computer System (TCCS) z i j n i n p r i n c i p e g e l i j k aan d i e v a n de c o n v e n t i o n e l e stuurautomaat/stuurcommandosysteem en de a u t o m a t i s c h e motorregeling. Met b e h u l p van de g l a r e s h i e l d c o n t r o l l e r kan de v l i e g e r een o f meer modes v a n FCCS en TCCS k i e z e n . Deze modes z i j n b i j v o o r b e e l d : - A t t i t u d e H o l d ( h e t handhaven v a n de s t a n d v a n h e t v l i e g t u i g ) - A l t i t u d e S e l e c t / H o l d ( h e t gaan n a a r een g e s e l e c t e e r d e h o o g t e en hierop b l i j v e n vliegen) - H e a d i n g S e l e c t / H o l d ( h e t gaan n a a r een g e s e l e c t e e r d e k o e r s en deze handhaven) - A i r s p e e d / M a c h H o l d ( h e t handhaven v a n de op d a t moment g e l d e n d e l u c h t s n e l h e i d o f Mach) - Land ( h e t v o l g e n v a n een I L S o f MLS baan g e v o l g d d o o r een automatische landing) - P a t h F o l l o w i n g ( h e t v o l g e n v a n een d r i e - d i m e n s i o n a a l v l i e g p a d w a a r v o o r de s t u u r i n f o r m a t i e v a n de FMCS k o m t . Het i s d u i d e l i j k d a t met name v o o r de a u t o m a t i s c h e l a n d i n g e n h e t FCCS en de TCCS een hoge mate v a n b e t r o u w b a a r h e i d moeten hebben. Op g r o t e r e h o o g t e k a n de v l i e g e r b i j een s t o r i n g (na d e t e c t i e v a n de s t o r i n g ) de b e s t u r i n g z e l f overnemen. Laag b i j de g r o n d kan d i t n i e t en mogen e r geen p l o t s e l i n g e fouten kunnen o p t r e d e n w e l k e h e t v l i e g t u i g zouden l a t e n v e r o n g e l u k k e n z o a l s b . v . "autopilot hard overs". Daarom w o r d t e r v o o r h e t FCCS gekozen v o o r een r e d u n d a n t e c o n f i g u r a t i e w a a r i n f o u t e n i n é é n v a n de r e d u n d a n t e s e n s o r e n en computers g e d e t e c t e e r d kunnen w o r d e n , waarna de b e t r e f f e n d e s e n s o r o f computer u i t g e s c h a k e l d k a n w o r d e n . I n de f i g u r e n 9 en 10 z i j n m o g e l i j k e FCCS en TCCS c o n f i g u r a t i e s gegeven*. I e d e r e F l i g h t C o n t r o l Computer (FCC) i s g e k o p p e l d met een - I n e r t i a l R e f e r e n c e System ( I R S ) w e l k e s t a n d en k o e r s i n f o r m a t i e levert - A i r D a t a System (ADS) w e l k e b a r o m e t r i s c h e h o o g t e , I n d i c a t e d A i r s p e e d , g e t a l v a n Mach, s t i j g s n e l h e i d , l u c h t t e m p e r a t u u r , e t c . l e v e r t - Low-Range R a d i o - A l t i m e t e r ( L R R A ) w e l k e de h o o g t e boven h e t t e r r e i n l e v e r t . Deze i n f o r m a t i e i s n o d i g t i j d e n s de l a n d i n g - I n s t r u m e n t L a n d i n g System ( i L S ) o n t v a n g e r w e l k e de d e v i a t i e v a n h e t door de I L S l a n g s r a d i o g r a f i s c h e weg g e g e n e r e e r d e a a n v l i e g p a d a a n geeft - F l i g h t Management Computer w e l k e de o p t i m a l e s t u u r s i g n a l e n v o o r de s t i j g v l u c h t , k r u i s v l u c h t en d a a l v l u c h t l e v e r t . De I R S , LRRA, ADS en I L S eenheden worden a l l e r o n d een o f meer m i c r o c o m p u t e r s opgebouwd. * Hoewel ARINC i n de s p e c i f i c a t i e s 701 en 703 de FCC en TCC s p e c i f i c e e r t , i s e r nog een d i s c u s s i e gaande w e l k e i m . p l e m e n t a t i e h e t meest geschikt i s .

126

Fig.

9

Flight

Control

Computer

System

FCC 1

GLARE SHIELD

FMC

701

CONTROLLER

702

FCC 2

THROTTLE

701

ACTUATOR THRUST CONTROL COMPUTER

FCC 3

THRUST RATING PANEL

701

• TO AIDS, FWC, EFIS

707

704 Fig.

10

Thrust

Control

Computer

ADDCS ENGINES 729

System

ADDCS AIRFRAME 729

127

De FCC l e v e r t de s t u u r s i g n a l e n v o o r de r o l r o e r - , r i c h t i n g s r o e r - en h o o g t e r o e r s e r v o s y s t e m e n . Tevens l e v e r t de FCC s t u u r s i g n a l e n v o o r de T h r u s t C o n t r o l Computer ( T C C ) w e l k e op z i j n b e u r t de v e r m o g e n s r e g e l i n g v a n de m o t o r e n v e r z o r g t . De TCC h e e f t n a a s t deze a u t o t h r o t t l e f u n c t i e ook e n k e l e b e v e i l i g i n g s - en h u l p f u n c t i e s . Zo b e r e k e n t en p r e s e n t e e r t de TCC h e t maximum t o e r e n t a l o f Engine P r e s s u r e H a t i o (EPR) t i j d e n s s t a r t o f a f g e b r o k e n n a d e r i n g , s t i j g v l u c h t en k r u i s v l u c h t . H i e r n a a s t w o r d t de m o g e l i j k e v e r m o g e n s r e d u c t i e b e p a a l d w e l k e t i j d e n s de s t a r t g e b r u i k t k a n w o r d e n om een r e d u c t i e van de m o t o r s l i j t a g e t e v e r k r i j g e n . T e n s l o t t e b e v e i l i g t de TCC h e t v l i e g t u i g t e g e n t e hoge i n v a l s h o e k e n , t e g e n een t e hoge s n e l h e i d en t e g e n de e f f e c t e n v a n w i n d s c h e r i n g . De TCC k r i j g t h i e r t o e i n f o r m a t i e v a n de ADS, I R S , LRRA, m o t o r en v l i e g t u i g c o n f i g u r a t i e ( F i g . 10). T i j d e n s een a u t o m a t i s c h e l a n d i n g werken a l l e F l i g h t C o n t r o l Computers en de TCC samen. (De F M C S - s i g n a l e n worden dan n i e t g e b r u i k t . ) Het i s d u i d e l i j k d a t de d r i e FCC-eenheden dan n i e t o n d e r h e v i g mogen z i j n aan z g n . "Common mode" f o u t o o r z a k e n . Hiermee d i e n t ook b i j h e t o p s t e l l e n van de FCC-programmatuur r e k e n i n g gehouden t e w o r d e n . T i j d e n s de s t i j g v l u c h t , k r u i s v l u c h t en d a a l v l u c h t w o r d t e r s l e c h t s é é n FCC met é é n s e t s e n s o r e n , de TCC en de FMC g e b r u i k t . I n d a t g e v a l k a n de v l i e g e r de b e s t u r i n g n a m e l i j k v e i l i g overnemen i n g e v a l v a n een storing. De FCC l e v e r t n a a s t de a u t o m a t i s c h e b e s t u r i n g s s i g n a l e n ook stuurcommando( F l i g h t D i r e c t o r ) s i g n a l e n , w e l k e g e p r e s e n t e e r d kunnen worden op de E l e c t r o n i c F l i g h t I n s t r u m e n t s . Hiermee k a n de goede w e r k i n g v a n de FCC c o n f i g u r a t i e g e m o n i t o r d worden en i n d i e n n o d i g ook "met de h a n d " gevlogen worden. h.3. F l i g h t Management Computer System Om de v l i e g e r i n s t a a t t e s t e l l e n met minimum b r a n d s t o f o f met minimum k o s t e n een v l u c h t u i t t e v o e r e n , i s h e t n o d i g om de b e s t e m o t o r i n s t e l l i n g gedurende de s t i j g - en k r u i s v l u c h t t e v i n d e n , b e h o r e n d e b i j de actuele te v l i e g e n afstand, vliegtuiggewicht, b u i t e n l u c h t t e m p e r a t u ü r en l u c h t d r u k . Tevens d i e n e n t i j d e n s de k r u i s v l u c h t de b i j b e h o r e n d e o p t i m a l e h o o g t e en s n e l h e i d b e p a a l d t e w o r d e n , g e v o l g d door h e t b e s t e p u n t om de d a l i n g i n t e z e t t e n (Top o f D e s c e n t ) . H i e r t o e d i e n e n gegevens o m t r e n t n a v i g a t i e , m o t o r p r e s t a t i e , v l i e g t u i g p r e s t a t i e en a i r d a t a g e c o m b i n e e r d t e worden.' Voor de komende g e n e r a t i e v e r k e e r s v l i e g t u i g e n i s b e s l o t e n deze b e r e k e n i n g e n n i e t l a n g e r d o o r de v l i e g e r t e l a t e n u i t v o e r e n doch d o o r een F l i g h t Management Computer System ( F M C S ) . De FMCS b e r e k e n t a l s f u n c t i e v a n de d o o r de v l i e g e r v i a een Command and D i s p l a y U n i t (CDU) i n g e v o e r d e gegevens o m t r e n t de t e v o l g e n r o u t e en h e t z g n . d r o o g g e w i c h t v a n h e t v l i e g t u i g en de o p t i m a l i s a t i e v o o r k e u r , de s t u u r i n f o r m a t i e v o o r de r o e r e n en de m o t o r ( v i a FCC en TCC). V e r d e r w o r d t e r i n f o r m a t i e o v e r de o p t i m a l e s n e l h e i d en m o t o r t o e r e n t a l o f E n g i n e P r e s s u r e R a t i o ( U I / E P R ) op de CDU en op de b e t r e f f e n d e i n s t r u m e n t e n a l s een s t u u r b a a r m e r k t e k e n ( z g n . bug) g e p r e s e n t e e r d . I n f i g u u r 11 i s h e t b l o k s c h e m a v a n h e t g e h e l e F l i g h t Management Computer System g e g e v e n . De FMCS k r i j g t i n f o r m a t i e o v e r :

G L A R E SHIELD CONTROLLER

EFIS I

I C D U I I CDU I J

I

r|i v H r COU

I

I

i[i M

FLIGHT MANAGEMENT COMPUTER 702

^

1 PWI

I

FWC

« I J] TCC

I

J

I

ILS2

V0R2

DME2

IRS2

710

711

709

704

( ^ T ^

BUG SETTING

Fig.

11

F l i g h t Management Computer System

f L

DISPLAY SELECT

I IRSl I

Fig.

12

LRRAll

PRIUARY FLIGHT DISPLAY I

L ^

FCC1

Electronic Flight

-J

I

I FCC

INDICATOR BUS

INDICATOR BUS

^EPR^

EFIS 2 I

PRIMARY La FLIGHT n DISPLAY 2 Lli

FCC2i

LRRAli

I n s t r u m e n t System

IRS2 I

129

- v l i e g p l a n en o p t i m a l i s a t i e c r i t e r i a v i a de CDU - g e s e l e c t e e r d e mode v i a de g l a r e s h i e l d c o n t r o l l e r - b r a n d s t o f h o e v e e l h e i d en v l i e g t u i g c o n f i g u r a t i e v i a de z g n . F u e l / A i r f r a m e A n a l o g and D i s c r e t e D a t a C o n v e r t e r System (ADDCS) - motorgegevens v i a de Engine ADDCS - t i j d v i a h e t E l e c t r o n i c Chronometer System (ECS) t . b . v . kVi n a v i g a t i e - l u c h t s n e l h e i d , Mach, h o o g t e en s t i j g s n e l h e i d van h e t A i r D a t a System (ADS) - p o s i t i e , l u c h t k o e r s , g r o n d k o e r s en g r o n d s n e l h e i d v a n h e t I n e r t i a l R e f e r e n c e System ( i R S ) - a f s t a n d t o t D i s t a n c e M e a s u r i n g Equipment ( D M E ) g r o n d s t a t i o n s v i a de DME i n t e r r o g a t o r s - r i c h t i n g n a a r VHF O m n i d i r e c t i o n a l Radio Range (VOR) bakens v i a de VOR o n t v a n g e r s - I L S g l i d e s l o p e en l o c a l i z e r d e v i a t i e s v i a de I L S o n t v a n g e r . De F l i g h t Management Computer i s v o o r b e r e i d om i n de t o e k o m s t v i a een d i g i t a l e d a t a l i n k met de l u c h t v e r k e e r s l e i d i n g i n f o r m a t i e u i t t e v f i s s e l e n (VHF COM en ACARS). A l s f u n c t i e v a n de gewenste o p t i m a l i s a t i e a l s : - minimum b r a n d s t o f g e b r u i k v o o r h e t g e h e l e t r a j e c t - minimum k o s t e n v o o r h e t g e h e l e t r a j e c t ( b r a n d s t o f p l u s a n d e r e k o s t e n ) - minimum t i j d v o o r h e t h e l e t r a j e c t - maximum s t i j g s n e l h e i d o f s t i j g h o e k - maximum v l i e g t i j d ( e n d u r a n c e ) worden dan de s t u u r s i g n a l e n v o o r r o e r e n en m o t o r b e r e k e n d en g e p r e s e n teerd. V e r d e r b e r e k e n t de FMC d i v e r s e a n d e r e v o o r de v l i e g e r i n t e r e s s a n t e gegevens a l s : - t i j d en a f s t a n d t o t h e t v l i e g t u i g op een b e p a a l d p u n t o f b e p a a l d e h o o g t e i s aangekomen - a f t e l e g g e n a f s t a n d met de nog b e s c h i k b a r e b r a n d s t o f - nog b e s c h i k b a r e b r a n d s t o f b i j aankomst op de bestemming - maximum h o o g t e en s n e l h e i d w e l k e b i j h e t u i t v a l l e n van é é n m o t o r nog g e h a n d h a a f d kan worden - maximum v l i e g t i j d - s t a r t - en l a n d i n g s g e g e v e n s . De FMC l e v e r t op deze w i j z e de v l i e g e r o g e n b l i k k e l i j k a l l e i n f o r m a t i e w e l k e n o d i g i s om een a d e q u a t e r e a c t i e t e kunnen l e v e r e n op v e r z o e k e n van de l u c h t v e r k e e r s l e i d i n g , o p v e r a n d e r i n g e n van h e t v l i e g p l a n en b i j belangrijke storingen. V e r d e r v e r m i n d e r t h e t FMCS de w e r k b e l a s t i n g van de v l i e g e r met b e t r e k k i n g t o t de n a v i g a t i e , p e r f o r m a n c e management en b r a n d s t o f management. Een t y p i s c h e FMC i s opgebouwd u i t 2 m i c r o c o m p u t e r s ( l 6 b i t s w o o r d l e n g t e ) i e d e r met een p r o g r a m m a g e h e u g e n g r o o t t e (FROM) van 32 K woorden van 16 b i t s , een werkgeheugen (HAM) van 6-8 K woorden van l 6 b i t s en een a c h t e r g r o n d g e h e u g e n ( m a g n e t i c b u b b l e o f d i s c ) van 256 K woorden van 16 b i t s . k.k. Electronische vlieginstrumenten De h u i d i g e g e n e r a t i e e l e c t r o m e c h a n i s c h e v l i e g i n s t r u m e n t e n l e v e r e n g e ï n t e g r e e r d e presentatie van:

een

130

- kunstmatige horizon - stuurcommandosignalen - I L S l o c a l i z e r en g l i d e s l o p e d e v i a t i e - snelheidsdeviatie - passage van de i n g e s t e l d e b e s l i s s i n g s h o o g t e op de z g n . A t t i t u d e D i r e c t o r I n d i c a t o r ( A D i ) en v a n - kompaskoers - laterate deviatie - VOR b e a r i n g - ADF b e a r i n g - ILS g l i d e slope d e v i a t i e - DME a f s t a n d e n op de z g n . H o r i z o n t a l S i t u a t i o n I n d i c a t o r ( H S l ) . T i j d e n s de n a v i g a t i e i s de v l i e g e r e c h t e r ook g e ï n t e r e s s e e r d i n k a a r t informatie, v l i e g p l a n i n f o r m a t i e , w i n d i n f o r m a t i e en w e e r r a d a r i n f o r m a t i e g e c o m b i n e e r d met H S I - i n f o r m a t i e . De o n t w i k k e l i n g e n op h e t g e b i e d van de m i c r o c o r a p u t e r t e c h n o l o g i e en de k l e u r e n k a t h o d e s t r a a l b u i s t e c h n o l o g i e s t e l d e n de o n t w e r p e r s van de nieuvre g e n e r a t i e v l i e g i n s t r u m e n t e n i n s t a a t om v o o r de komende g e n e r a t i e v e r k e e r s v l i e g t u i g e n v a n de e l e c t r o m e c h a n i s c h e v l i e g i n s t r u m e n t e n o v e r t e gaan op c o m p u t e r g e s t u u r d e k l e u r e n k a t h o d e s t r a a l b u i z e n ( C R T ) . De v o o r d e l e n v a n de i n t r o d u c t i e v a n de CRT waren d u i d e l i j k : - een v e r d e r e i n t e g r a t i e m o g e l i j k h e i d - b e t e r e e r g o n o m i s c h e m o g e l i j k h e d e n v o o r wat b e t r e f t de opbouw van h e t beeld - de g e p r e s e n t e e r d e i n f o r m a t i e k a n v o o r de v e r s c h i l l e n d e v l u c h t f a s e s aangepast worden - v e r v a n g i n g v a n de complexe mechanische i n s t r u m e n t e n met hun g e d e t a i l l e e r d e a f r e g e l p r o c e d u r e s door " s o l i d - s t a t e e l e c t r o n i c s " . Het r e s u l t a a t was een s p e c i f i c a t i e v o o r een E l e c t r o n i c F l i g h t I n s t r u m e n t System ( E F I S ) opgebouvfd u i t een z g n . symbol g e n e r a t o r , een P r i m a r y F l i g h t D i s p l a y ( P F D ) , d a t i n de p l a a t s v a n de ADI k o m t , en een N a v i g a t i o n D i s p l a y ( N D ) w e l k e de HSI z a l v e r v a n g e n . I n f i g u u r 12 w o r d t h e t b l o k s c h e m a v a n EFIS g e g e v e n . De s e n s o r e n w e l k e v i a hun t w e e d r a a d s s e r i ë l e d i g i t a l e d a t a b u s s e n de informatie toeleveren z i j n : - A i r D a t a System (ADS) - I n e r t i a l R e f e r e n c e System ( i R S ) - Low Range R a d i o A l t i m e t e r ( L R R A ) - D i s t a n c e M e a s u r i n g Equipment ( D M E ) - VHF O m n i d i r e c t i o n a l Radio Range (VOR) - F l i g h t C o n t r o l Computer (FCC) - I n s t r u m e n t L a n d i n g System ( i L S ) - G l a r e S h i e l d C o n t r o l l e r (GSC) - Automatic D i r e c t i o n Finder ( A D F ) - Weather Radar (WXR) - F l i g h t V ï a r n i n g Computer (FWC) - F l i g h t Management Computer (FMC) - T h r u s t C o n t r o l Computer ( T C C ) . Om r e d e n e n v a n b e t r o u w b a a r h e i d z i j n v e r s c h e i d e n e s e n s o r e n d u b b e l u i t g e v o e r d . De v l i e g e r kan v i a de " s o u r c e s e l e c t " s e l e c t e r e n w e l k e v a n de

131

r e d u n d a n t e d a t a b u s s e n g e b r u i k t z a l vrorden. De " s y m b o l g e n e r a t o r s " z i j n m i c r o c o m p u t e r s y s t e m e n v/elke de b e n o d i g d e d a t a u i t de aangeboden i n f o r m a t i e s e l e c t e r e n en m . b . v . deze d a t a en h e t gevrenste b e e l d op PFD en BD de s t u u r s i g n a l e n v o o r de k l e u r e n b e e l d b u i z e n genereren. Weer om r e d e n e n v a n betrouv^rbaarheid vrorden de v l i e g t u i g e n u i t g e r u s t met tvfee symbol g e n e r a t o r s w e l k e i e d e r de PFD's en ND's v o o r de b e i d e v l i e g e r s kunnen s t u r e n . I n d i e n de PFD t i j d e n s de v l u c h t d e f e c t zou r a k e n kan h e t P F D - b e e l d ook op de ND g e p r e s e n t e e r d w o r d e n . I n f i g u u r 13 i s een m o g e l i j k e p r e s e n t a t i e van een PFD g e g e v e n . C e n t r a a l b e v i n d t z i c h de h o r i z o n - p r e s e n t a t i e met de f l i g h t - d i r e c t o r n a a l d e n . L i n k s i s v e r t i c a a l de s n e l h e i d s i n f o r r a a t i e i n c l u s i e f g e s e l e c t e e r d e s n e l h e i d , a c t u e l e s n e l h e i d , t r e n d van de s n e l h e i d en de minimum s n e l h e i d gegeven. Rechts i s de I L S g l i d e s l o p e i n f o r m a t i e gegeven. Beneden v j o r d t de I L S l o c a l i z e r i n f o r m a t i e g e p r e s e n t e e r d . Aan de b o v e n k a n t v a n h e t d i s p l a y worden i n a l f a n u m e r i e k e vorm de g e s e l e c t e e r d e modes van de F l i g h t C o n t r o l Computer g e p r e s e n t e e r d . Rechts boven w o r d t de r a d i o h o o g t e aangegeven. Na h e t p a s s e r e n van de z g n . D e c i s i o n H e i g h t t i j d e n s de n a d e r i n g v e r a n d e r t de k l e u r van w i t n a a r r o o d . G r o t e n d e e l s i s de PFD p r e s e n t a t i e v o r m nog i d e n t i e k aan d i e van de c o n v e n t i o n e l e e l e c t r o m e c h a n i s c h e A D I . B i j h e t N a v i g a t i o n D i s p l a y i s de i n t e g r a t i e v e e l v e r d e r v o o r t g e s c h r e d e n . F i g u u r ]k g e e f t oen v o o r b e e l d v a n een m o g e l i j k e ND p r e s e n t a t i e . Het v l i e g t u i g s y r a b o o l b e v i n d t z i c h v a s t , midden i n de o n d e r z i j d e van h e t b e e l d s c h e r m . De p r e s e n t a t i e i s i n de vorm v a n een k a a r t w a a r i n de r o u t e p u n t e n ( w a y p o i n t s ) , n a v i g a t i e h u l p m i d d e l e n en w e e r r a d a r i n f o r m a t i e g e p l o t z i j n . De w e e r r a d a i ' l e v e r t op h e t ND een b e e l d v/aarvan de k l e u r een maat i s v o o r de n e e r s l a g i n h e t b e t r e f f e n d e g e b i e d . Over d i t k a a r t b e e l d heen kan de a f w i j k i n g v a n een gewenste baan ( b v . t . a . v . een VOR o f I L S ) g e p r e s e n t e e r d vrorden. L i n k s o n d e r i n h e t b e e l d worden de vrind v e c t o r , l u c h t s n e l h e i d en g r o n d s n e l h e i d gegeven. Het N a v i g a t i o n D i s p l a y g e e f t op deze w i j z e een g e ï n t e g r e e r d e p r e s e n t a t i e v a n a l l e n a v i g a t i e - i n f o r m a t i e vfelke de vlieger nodig h e e f t . h.'5. F l i g h t W a r n i n g Computer System De B o e i n g B-7l*7 h e e f t c a . 15 v e r s c h i l l e n d e g e l u i d s s i g n a l e n en c a . 275 v r a a r s c h u w i n g s l a m p j e s . H i e r v a n b e v i n d e n z i c h e r c a . l+O i n h e t z g n . a n n u n c i a t o r p a n e l . A l deze vraarschuvfingen kunnen o n a f h a n k e l i j k van e l k a a r en o n a f h a n k e l i j k van de v l u c h t f a s e g e a c t i v e e r d vrorden. De v l i e g e r v f i l e c h t e r de vjaarschuwingen w e l d e g e l i j k a f h a n k e l i j k hebben van de v l u c h t f a s e en i n een p r i o r i t e i t s a f h a n k e l i j k e v o l g o r d e en v o o r z i e n v a n i n s t r u c t i e s o v e r de t e v o l g e n p r o c e d u r e ( 1 0 ) . Voor de komende g e n e r a t i e v e r k e e r s v l i e g t u i g e n i s d i t g e r e a l i s e e r d d.m.v. het zgn. F l i g h t W a r n i n g Computer System (FWCS). De FWCS b e p e r k t h e t a a n t a l g e l u i d s s i g n a l e n t o t h e t a b s o l u t e minimum, n . l . een z g n , " a t t e n s o n " g e l u i d d a t de a a n d a c h t van de bemanning moet t r e k k e n n a a r h e t b e r i c h t op h e t c o m p u t e r g e s t u u r d e kleurenbeeldscherm. De s t o r i n g s m e l d i n g e n vjorden a f h a n k e l i j k van de v l u c h t f a s e d o o r g e l a t e n o f ( t i j d e l i j k ) o n d e r d r u k t . De k l e u r van h e t b e r i c h t g e e f t aan hoe k r i t i e k de s t o r i n g i s v o o r de v e i l i g h e i d ( r o o d v e r e i s t een d i r e c t e i n g r e e p , o r a n j e een s p o e d i g e i n g r e e p en andere k l e u r e n v o o r een m e l d i n g

132

Fig.

Fig.

13

1I4

EFIS P r i m a r y F l i g h i

"

EFIS N a v i g a t i o n D i s p l a y

^

133

250 D I S C R E T E

Fig.

16

Voorbeeld

v a n e e n FWC

WARNINGS

presentatie

134

Fig.

17

Voorbeeld van een c h e c k l i s t

•.m.i%

aWCi)) - - . -

presentatie

• •.T^irili;?:-

• •••

'M-

/;.H!;v.-.To)

•••••

(::ii;;iit:u)-

If

Fig.

18

Voorbeeld van een Systems D i s p l a y

iriD

I

presentatie

135

w e l k e geen d i r e c t e a c t i e v e r e i s t o f s l e c h t s i n f o r m a t i e f i s ) . I n f i g u u r 15 w o r d t een m o g e l i j k e c o n f i g u r a t i e van een F l i g h t W a r n i n g Computer S y s t e m ' g e g e v e n . (Over de c o n f i g u r a t i e z o a l s deze i n de d i v e r s e v l i e g t u i g e n z a l worden t o e g e p a s t i s nog geen o v e r e e n s t e m m i n g . ) De b e i d e F l i g h t Warning Computers worden v o o r z i e n van een maximum van 250 d i s c r e t e s t o r i n g s m e l d i n g e n en c a . 13 d i g i t a l e d a t a b u s s e n . V i a de symbol g e n e r a t o r s g e e f t de computer de w a a r s c h u w i n g e n op h e t " P r i m a r y W a r n i n g and C a u t i o n D i s p l a y " w e e r . Voor h e t g e v a l d a t de symbol g e n e r a t o r o f de CRT d i s p l a y zou f a l e n , i s een z g n . E s s e n t i a l Warning and C a u t i o n D i s p l a y a l s b a c k - u p a a n g e b r a c h t . D i t b a c k - u p d i s p l a y bevat c o n v e n t i o n e l e d i s c r e t e waarschuwingslampjes. F i g u u r 16 g e e f t een m o g e l i j k v r a a r s c h u w i n g s b e r i c h t met de b i j b e h o r e n d e a a n w i j z i n g e n op h e t CRT b e e l d s c h e r m . I n r o o d w o r d t aangegeven d a t de l i n k e r m o t o r i n b r a n d s t a a t . I n w i t w o r d t d a a r o n d e r aangegeven wat de gewenste a c t i e i s n l . h e t u i t z e t t e n van de l i n k e r m o t o r . De c a b i n e d r u k i s n i e t i n o r d e ( o r a n j e ) . De v l i e g e r w o r d t vervfezen n a a r de b e t r e f f e n d e s e c t i e van h e t V l i e g h a n d b o e k ( w i t ) . V e r d e r w o r d t i n b l a u w gemeld d a t de A u x i l i a r y Power U n i t (APU) u i t s t a a t . Het W a r n i n g and C a u t i o n D i s p l a y kan ook g e b r u i k t worden v o o r de p r e s e n t a t i e van z g n . c h e c k l i s t i n f o r m a t i e . Hadat de op de c h e c k l i s t g e p r e s e n t e e r d e t a k e n v e r r i c h t z i j n v e r a n d e r t de k l e u r van de i n f o r m a t i e van wit n a a r g r o e n . F i g u u r 17 g e e f t een v o o r b e e l d van een c h e c k l i s t z o a l s deze v o o r h e t l a a t s t e d e e l van een n a d e r i n g g e b r u i k t zou kunnen w o r d e n . V e e l a l w o r d t h e t F l i g h t W a r n i n g Computer System g e b r u i k t i n c o m b i n a t i e met een z g n . Systems D i s p l a y . Op d i t Systems D i s p l a y kan a l s f u n c t i e van de v l u c h t f a s e o f van een o p t r e d e n d e s t o r i n g i n f o r m a t i e o m t r e n t de b o o r d s y s t e m e n worden g e p r e s e n t e e r d . F i g u u r 18 g e e f t een m o g e l i j k e p r e s e n t a t i e van h e t Systems D i s p l a y g e g e v e n . Het b e t r e f t h i e r a l f a n u m e r i e k e i n f o r m a t i e o m t r e n t de T u r b i n e Gas T e m p e r a t u r e ( T G T ) en h e t t o e r e n t a l ( R P M ) van de A u x i l i a r y Power U n i t (APU), d r u k en t e m p e r a t u u r i n de c a b i n e , b r a n d s t o f t e m p e r a t u u r en gecombineerde a l f a n u m e r i e k e en g r a f i s c h e i n f o r m a t i e o m t r e n t de h o e v e e l h e i d , t e m p e r a t u u r en driok van de o l i e i n h e t s m e r i n g s s y s t e e m van de m o t o r e n en van h e t t r i l l i n g s n i v e a u van de m o t o r e n . h.6. S t u u r h u t i n r i c h t i n g van nieuwe v e r k e e r s v l i e g t u i g e n U i t e r l i j k i s e r op h e t e e r s t e g e z i c h t w e i n i g v e r s c h i l t u s s e n de v e r k e e r s v l i e g t u i g e n w e l k e worden o n t w i k k e l d en de g e n e r a t i e v l i e g t u i g e n w e l k e nu door de l u c h t v a a r t m a a t s c h a p p i j e n worden g e b r u i k t . Toch z u l l e n deze v l i e g t u i g e n door nieuwe o n t w i k k e l i n g e n i n de a ë r o d y n a m i s c h e v o r m g e v i n g van de v l e u g e l ( s u p e r k r i t i e k e v l e u g e l ) en nieuwe o n t w i k k e l i n g e n op h e t g e b i e d van de m o t o r e n en h e t g e b r u i k van z g n , c o m p o s i e t e n c a . 20-30 % m i n d e r b r a n d s t o f g e b r u i k e n dan hun v o o r g a n g e r s . Een v o o r b e e l d van een d e r g e l i j k n i e u w v l i e g t u i g i s de A i r b u s A 310 ( F i g . I 9 ) d i e b e g i n I983 d o o r de K o n i n k l i j k e L u c h t v a a r t M a a t s c h a p p i j (KLM) i n g e b r u i k z a l w o r d e n genomen. I n d i e n men e c h t e r i n de s t u u r h u t van een d e r g e l i j k n i e u w v l i e g t u i g k i j k t ( F i g . 20) i s h e t v e r s c h i l met de oude g e n e r a t i e c o c k p i t s d i r e c t d u i d e l i j k . De c o n v e n t i o n e l e v l i e g i n s t r u m e n t e n z i j n v e r v a n g e n d o o r E l e c t r o n i c F l i g h t I n s t r u m e n t s . De m o t o r i n s t r u m e n t e n en h e t a n n u n c i a t o r p a n e l z i j n v e r v a n g e n door de W a r n i n g and C a u t i o n D i s p l a y en Systems D i s p l a y . Een z e e r b e p e r k t a a n t a l e l e c t r o m e c h a n i s c h e o f d i r e c t aangedreven z g n .

136

Fig.

20

Stuurhut

van

de

Airbus

A-310

137

s t a n d - b y i n s t r u m e n t e n i s nog a a n w e z i g ( v o o r h e t g e v a l d a t een a a n t a l CRT d i s p l a y s zou f a l e n ) n a a s t de zes k l e u r e n b e e l d s c h e r m e n . I n de p e d e s t a l b e v i n d e n z i c h n a a s t de g a s h a n d e l s nog de Command D i s p l a y U n i t s (CDU's) v a n h e t F l i g h t Management Computer System en de D i g i t a l F r e q u e n c y / F u n c t i o n System c o n t r o l u n i t s t . b . v . de a f s t e m m i n g van r a d i o c o m m u n i c a t i e en n a v i g a t i e - a p p a r a t u u r . De b e d i e n i n g v a n de b o o r d s y s t e m e n g e s c h i e d t e c h t e r nog op c o n v e n t i o n e l e v r i j ze door m i d d e l van s c h a k e l a a r s i n h e t o v e r h e a d p a n e e l . Deze g r o t e w i j z i g i n g i n h e t a v i o n i c a - p a k k e t van de nieuwe g e n e r a t i e v e r k e e r s v l i e g t u i g e n i s m o g e l i j k gevrorden d o o r de u i t g e b r e i d e t o e p a s s i n g van d i g i t a l e c o m p u t e r s i n v r i j w e l a l l e a v i o n i c a m o d u l e s . 5.

TOEKOMSTIGE OHTWIKKELIHGEB

De t e c h n o l o g i s c h e o n t v f i k k e l i n g van d i g i t a l e a v i o n i c a - s y s t e m e n z a l z i c h ook i n de t o e k o m s t d o o r z e t t e n , met a l s d o e l een v e r d e r e v e r b e t e r i n g van de v e i l i g h e i d en de economie v a n h e t l u c h t v e r k e e r . Zo w o r d t e r momenteel gewerkt aan: - de o n t w i k k e l i n g van een s a t e l l i e t n a v i g a t i e s y s t e e m ( N a v s t a r ) d a t h e t m o g e l i j k z a l maken o v e r a l op a a r d e c o n t i n u de p o s i t i e v a n h e t v l i e g t u i g t o t op c a . 20 meter nauvrkeurig i n d r i e d i m e n s i e s t e b e p a l e n . Hoevrel N a v s t a r i n e e r s t e i n s t a n t i e v o o r m i l i t a i r e t o e p a s s i n g e n vrordt o n t w i k k e l d , z a l h e t zeer w a a r s c h i j n l i j k ook v o o r de c i v i e l e l u c h t v a a r t g e b r u i k t gaan vrorden. H a v s t a r z a l aan h e t b e g i n v a n de j a r e n negentig operationeel z i j n . - De o n t v f i k k e l i n g v a n een Microvrave L a n d i n g System (MLS) waarmee h e t m o g e l i j k vrordt l a n g s v e r s c h i l l e n d e ( z e l f s gekromde) banen de l a n d i n g s b a a n t e n a d e r e n en a u t o m a t i s c h t e l a n d e n . MLS z a l een b e l a n g r i j k e r o l gaan s p e l e n i n de r e d u c t i e v a n de g e l u i d s h i n d e r r o n d l u c h t havens en i n de v e r g r o t i n g van de c a p a c i t e i t van l u c h t h a v e n s . MLS z a l aan h e t e i n d van de j a r e n t a c h t i g op d i v e r s e v l i e g v e l d e n o p e r a t i o n e e l vrorden. - S t u d i e s n a a r de m o g e l i j k h e d e n om i n 1905 een T h r e a t A l e r t and C o l l i s i o n A v o i d a n c e System (TCAS) o p e r a t i o n e e l t e hebben. TCAS z a l h e t m o g e l i j k maken d a t de v l i e g e r een v;aarschuv;ing k r i j g t i n d i e n een ander v l i e g t u i g op d e z e l f d e h o o g t e t e d i c h t b i j d r e i g t t e komen. TCAS z a l b o v e n d i e n een a d v i e s geven o v e r de b e s t e u i t w i j k m a n o e u v r e . - S t u d i e s n a a r de m o g e l i j k h e d e n v a n een k o p p e l i n g t u s s e n de c o m p u t e r s v a n de l u c h t v e r k e e r s l e i d i n g met de F l i g h t Management Computer i n de d i v e r s e v l i e g t u i g e n d . m . v . een d i g i t a l e d a t a l i n k . H i e r d o o r w o r d t h e t m o g e l i j k d a t de l u c h t v e r k e e r s l e i d i n g o v e r a a n z i e n l i j k meer gegevens z a l kunnen b e s c h i k k e n , waardoor een e f f e c t i e v e r e v e r k e e r s r e g e l i n g z o w e l u i t h e t oogpunt v a n b r a n d s t o f b e s p a r i n g a l s van l u c h t h a v e n c a p a c i t e i t mogelijk wordt. Een g e h e e l nieuwe o n t w i k k e l i n g i n de t o e p a s s i n g van d i g i t a l e c o m p u t e r s i n v e r k e e r s v l i e g t u i g e n i s d i e w a a r i n h e t a v i o n i c a - s y s t e e m een i n t e g r a a l d e e l van h e t v l i e g t u i g v o r m t en dus even onmisbaar i s a l s b i j v o o r b e e l d de v l e u g e l . H i e r d o o r vrordt h e t m o g e l i j k om t o t een g e h e e l n i e u w v l i e g t u i g o n t w e r p t e komen, met a l s d o e l v e r d e r e v e r m i n d e r i n g van h e t g e w i c h t en b r a n d s t o f v e r b r u i k ( 1 1 ) . M o g e l i j k h e d e n h i e r t o e z i j n : - v e r m i n d e r i n g v a n de remous- en m a n o e u v r e e r b e l a s t i n g van de v l e u g e l door " s p o i l e r s " en r o l r o e r e n t e s t u r e n met een s p e c i a a l r e g e l s y s t e e m

138

d a t r e a g e e r t op de l u c h t k r a c h t e n en t r a a g h e i d s k r a c h t e n vfelke op de v l e u g e l w e r k e n . Het g e v o l g i s d a t de v l e u g e l l i c h t e r kan worden g e c o n s t r u e e r d en d a t l e i d t weer t o t m i n d e r b r a n d s t o f v e r b r u i k . Een h u i d i g e t o e p a s s i n g v a n deze z g n . A c t i v e C o n t r o l T e c h n o l o g y (ACT) i s g e ï m p l e m e n t e e r d i n h e t Lockheed L - 1 0 1 1 - 5 0 0 v e r k e e r s v l i e g t u i g . - W i j z i g i n g v a n de b a l a n c e r i n g van h e t v l i e g t u i g , z o d a t h e t h o r i z o n t a l e s t a a r t v l a k een o p w a a r t s e , dus meedragende, o f een a a n z i e n l i j k k l e i n e r e n e e r w a a r t s e l u c h t k r a c h t l e v e r t . De v e r m i n d e r i n g van de i n h e r e n t e s t a b i l i t e i t van h e t v l i e g t u i g w o r d t d a a r b i j gecompenseerd door een a v i o n i c a - s y s t e e m . Het g e v o l g i s een k l e i n e r h o r i z o n t a a l s t a a r t v l a k en een k l e i n e r e v l e u g e l , waardoor de l u c h t » ; e e r s t a n d en h i e r m e e h e t energieverbruik, a a n z i e n l i j k verminderen. D i t c o n c e p t s t a a t bekend a l s h e t C o n t r o l - C o n f i g u r e d V e h i c l e (CCV) c o n c e p t en i s o n d e r meer t o e g e p a s t i n h e t G e n e r a l Dynamics F l 6 g e v e c h t s vliegtuig. De k o p p e l i n g t u s s e n de s t u u r a u t o m a a t en de s t u u r m a c h i n e s w e l k e de r o e r e n b e d i e n e n g e s c h i e d t b i j d i t t y p e v l i e g t u i g e n n i e t l a n g e r mechan i s c h doch e l e c t r i s c h ( f l y - b y - w i r e ) . Om de g e v o e l i g h e i d van deze e l e c t r i s c h e k o p p e l i n g v o o r e l e c t r o m a g n e t i s c h e i n t e r f e r e n t i e en b l i k s e m i n s l a g t e v e r m i n d e r e n , w o r d t o n d e r z o e k g e p l e e g d n a a r de m o g e l i j k h e i d om deze k o p p e l i n g m . b . v . l i c h t v i a g l a s d r a d e n u i t t e v o e r e n ( f i b r e o p t i c s / f l y - b y - l i g h t ) . B e h a l v e aan deze k o p p e l i n g d i e n e n ook de a n d e r e subsystemen v a n de b e s t u r i n g aan de a l l e r h o o g s t e e i s e n op h e t g e b i e d van b e d r i j f s z e k e r h e i d t e v o l d o e n . V e e l a l worden daze b e s t u r i n g s s y s t e len d r i e v o u d i g o f v i e r v o u d i g redundant u i t g e v o e r d . 6.

CONCLUSIES

A v i o n i c a - s y s t e m e n z i j n onmisbaar geworden om van h e t v e r k e e r s v l i e g t u i g , i n nauwe samenwerking met de l u c h t v e r k e e r s l e i d i n g , een v e i l i g , e c o n o m i s c h en b e t r o u w b a a r m i d d e l van t r a n s p o r t t e maken. I n de h u i d i g e g e n e r a t i e v e r k e e r s v l i e g t u i g e n w o r d t h e t g r o o t s t e d e e l van de f u n c t i e s t . b . v . de b e s t u r i n g , n a v i g a t i e , systeembewaking en p r e s e n t a t i e van gegevens nog met a n a l o g e c o m p u t e r s , d i s c r e t e l o g i c a en electromechanische instrumenten u i t g e v o e r d . I n de komende g e n e r a t i e ' v e r k e e r s v l i e g t u i g e n z u l l e n deze a n a l o g e c o m p u t e r s y s t e m e n , d i s c r e t e l o g i c a en e l e c t r o m e c h a n i s c h e i n s t r u m e n t e n v e r v a n g e n worden door d i g i t a l e c o m p u t e r - s y s t e m e n en c o m p u t e r - g e s t u u r d e beeldschermen, d i e h e t m o g e l i j k z u l l e n maken om een v e r m i n d e r i n g i n h e t b r a n d s t o f v e r b r u i k en de w e r k b e l a s t i n g van de s t u u r h u t b e m a n n i n g t e v e r k r i j g e n . D i g i t a l e computers v o o r de l u c h t v e r k e e r s l e i d i n g en F l i g h t Management Computers z u l l e n v i a een d i g i t a l e d a t a l i n k g e k o p p e l d gaan worden. Het w o r d t v o o r z i e n d a t i n de n a b i j e t o e k o m s t d i g i t a l e computers en v l i e g t u i g c o n s t r u c t i e n a d e r g e ï n t e g r e e r d z u l l e n worden waardoor een n i e u w v l i e g t u i g o n t w e r p m o g e l i j k w o r d t met een v e r d e r e r e d u c t i e v a n h e t b r a n d s t o f v e r b r u i k . Aan deze a v i o n i c a - s y s t e m e n z u l l e n u i t e r a a r d zeer hoge b e d r i j f s z e k e r h e i d s e i s e n g e s t e l d w o r d e n .

139

7.

L I J S T VAM AFKORTINGEN

ACARS ACT ADDCS ADF ADI ADC ADS AEEC AFCS AIDS AIP APU ARINC CCV CDU CRT DFS DME ECS EGT EFIS EPR FCC FCCS FF FMC FMCS FWC FWCS GPWS GS GSC HAS HSI ILS INS IRS LOC LRRA LRU MLS ND NOTAM PFD RPM RTCA TAT TCAS TCC

ARINC C o m m u n i c a t i o n s , A d d r e s s i n g and R e p o r t i n g System A c t i v e C o n t r o l Technology A n a l o g a n d D i s c r e t e D a t a C o n v e r t e r System A u t o m a t i c D i r e c t i o n F i n d i n g equipment Attitude Director Indicator A i r D a t a Computer A i r D a t a System A i r l i n e E l e c t r o n i c E n g i n e e r i n g Committee A u t o m a t i c F l i g h t C o n t r o l _System A i r c r a f t I n t e g r a t e d D a t a System Aeronautical Information Publication Auxiliary Power U n i t A e r o n a u t i c a l Radio I n c o r p o r a t e d Control Configured Vehicle Command a n d D i s p l a y U n i t Cathode Ray Tube D i g i t a l Frequency/Function Select " D i s t a n c e M e a s u r i n g Equipment E l e c t r o n i c Chronometer System Exhaust Gas T e m p e r a t u r e E l e c t r o n i c F l i g h t I n s t r u m e n t System Engine Pressure R a t i o F l i g h t C o n t r o l Computer F l i g h t C o n t r o l Computer System F u e l Flow F l i g h t Management Computer F l i g h t Management Computer System F l i g h t W a r n i n g Computer F l i g h t V/arning Computer System Ground P r o x i m i t y W a r n i n g System G l i d e Slope Glare S h i e l d C o n t r o l l e r H e a d i n g a n d A t t i t u d e Sensor Horizontal Situation Indicator I n s t r u m e n t L a n d i n g System I n e r t i a l N a v i g a t i o n System I n e r t i a l R e f e r e n c e System Localizer Low Range R a d i o A l t i m e t e r Line Replaceable Unit Microwave L a n d i n g System Navigation Display N o t i c e t o Airmen Primary F l i g h t Display R e v o l u t i o n s Per M i n u t e R a d i o T e c h n i c a l Commission f o r A e r o n a u t i c s T o t a l A i r Temperature T h r e a t A l e r t i n g and C o l l i s i o n A v o i d a n c e System T h r u s t C o n t r o l Computer

140

TCCS TGT VHF VOR WXR 8.

T h r u s t C o n t r o l Computer System T u r b i n e Gas T e m p e r a t u r e Very H i g h Frequency VHF O m n i d i r e c t i o n a l Radio Range Weather Radar REFERENTIES

(1) Fokker, A.H.G. De o n t w i k k e l i n g v a n h e t v l i e g t u i g na den o o r l o g en van het v e r k e e r s v l i e g t u i g i n het b i j z o n d e r . De I n g e n i e u r , 31 o c t o b e r 1925. ( 2 ) V f i t t e n b e r g , H . Het v e r k e e r s v l i e g t u i g i n de komende t w i n t i g j a a r . De I n g e n i e u r , 26 f e b r u a r i I 9 8 I . ( 3 ) ICAO A e r o n a u t i c a l T e l e c o m m u n i c a t i o n s , Annex 10 t o t h e C o n v e n t i o n of International C i v i l Aviation. T h i r d E d i t i o n 19T2. (1+) B e n e d i c t u s , H . O p e r a t i o n a l A s p e c t s o f Modern A v i o n i c s . Symposium on Developments i n A v i o n i c s , D e l f t , 25 A p r i l 1980. ( 5 ) ARINC S e r i e s 500 ARINC C h a r a c t e r i s t i c s . A e r o n a u t i c a l Radio I n c . 1950-1970. ( 6 ) ETCA RTCA D 0 - I 6 O A , E n v i r o n m e n t a l C o n d i t i o n s and T e s t P r o c e d u r e s o f A i r b o r n e E q u i p m e n t . J a n . I98O. ( 7 ) A n o n . B o e i n g S t u d i e s D i g i t a l 7't7 A v i o n i c s . A v i a t i o n Week and Space T e c h n o l o g y . Nov. 12, 19T9. ( 8 ) ARINC ARINC s p e c i f i c a t i o n 1+29-'*, Mk 33 D i g i t a l I n f o r m a t i o n T r a n s f e r System ( D I T S ) . August I98O. ( 9 ) ARINC S e r i e s 700 ARINC s p e c i f i c a t i o n s . A e r o n a u t i c a l Radio I n c . 1 9 7 8 - 1 9 8 1 . (10) V e i t e n g r u b e r , J . E . Design C r i t e r i a f o r A i r c r a f t Warning, Caution and A d v i s o r y A l e r t i n g Systems. J o u r n a l o f A i r c r a f t , S e p t . 1978. ( 1 1 ) P o i s s o n - Q u i n t o n , P. Wanner J . C . Evolution o f a i r c r a f t design t h r o u g h t h e CCV c o n c e p t . A e r o n a u t i q u e e t 1 ' A s t r o n a u t i q u e n o . 7 1 , Nov. 1978.