Als de zon een dipje heeft, slaat de transformator op tilt

Kostbare elektriciteitsnetten, vooral in het hoge noorden, raken niet zelden plotseling defect. Oorzaak: uitbarstingen op de zon die het magnetisch veld van de aarde beïnvloeden....

MAANDAG 13 MAART 1989 staat in Canada nog steeds in de geheugens gegrift. Om kwart voor drie in de ochtend flakkerde even het licht in heel Quebec waarna plotsklaps de hele uitgestrekte provincie zonder stroom zat. Pas negen uur later had elektriciteitsmaatschappij Hydro Quebec het merendeel van zijn afnemers weer aangesloten, een ervaring rijker en een illusie armer. Tot in Californië werden instabiliteiten in het elektriciteitsnet gemeld.

Astronomen hadden hun verklaring direct klaar. De zon, net aan het hoogtepunt van de elfjarige zonnevlekcyclus, was de schuldige. In de week voorafgaand aan de Canadese blackout was aan de oostelijke rand van de zonneschijf een immens zonnevlekkenveld opgedoken. Terwijl dat langzaam in zicht draaide, vlamde het vlekkengebied plotseling heftig op in een reusachtige boogvormige fakkel, een flare.

De gevolgen ervan waren in het weekend aan de nachthemel zichtbaar geweest. Tot ongebruikelijk ver naar het zuiden was het noorderlicht te zien. Boven het Kitt Peak-observatorium in Arizona was de hemel rood als bij een bosbrand, en zelfs uit Londen kwamen meldingen van aurora borealis binnen. Blijkbaar, was het idee, hadden de noordelijke hoogspanningsnetten als een soort antennes de verstoringen in de ruimte opgepikt. Hydro Quebec was getroffen door een magnetische storm.

Maar dat was gepraat achteraf. Niemand had het bedrijf gewaarschuwd voor wat er ging komen. Zonnevlekken en fakkels zijn namelijk wel de meest zichtbare exponenten van de activiteit van de zon, maar zelfs heftige erupties leiden niet per definitie tot forse storingen op aarde. En omgekeerd kunnen ogenschijnlijk kleine uitbarstingen op de zon juist weer onverwacht grote gevolgen hebben.

Sinds het eind van de jaren zeventig nemen astronomen aan dat de zwaarste magnetische stormen zijn te wijten aan zogeheten CME's, coronal mass ejections. Daarbij wordt een deel van de buitenste atmosfeer van de zon, de corona, met immense energie de ruimte ingeblazen. Op de zonnewind, de normale stroom van deeltjes uit de zon, bereikt zo'n wolk in gemiddeld drie dagen de aarde.

Zo'n plasmawolk van geladen deeltjes kan temperaturen bereiken van een miljoen graden en kan miljarden tonnen aan materie bevatten. Maar ze is niet waarneembaar omdat ze zich gewoonlijk pal voor de zonneschijf bevindt. Pas als de kompasnaalden in het hoge noorden beginnen dol de draaien, is duidelijk dat er een magnetische storm opsteekt.

Er zijn waarnemers die menen uit radiosignalen van de zon te kunnen opmaken of er corona-materie wordt losgelaten. Anderen houden de zon daartoe in het infrarood nauwgezet in de gaten. Maar hun voorspellingen zijn in meer dan de helft van de gevallen vals alarm, terwijl ze tweederde van de stormen niet zien aankomen. Eigenlijk is er nauwelijks meer dan de grove statistiek, die uitwijst dat grote storingen het vaakst optreden net na het elfjarige maximum van een zonnevlekcyclus. Na de storing in Quebec zou het dan over vier jaar weer mis kunnen zijn.

Maar tegen die tijd hoeft niemand zich meer overvallen te voelen. Vorige maand maakte een conferentie van astronomen en elektriciteitsexperts op het Jet Propulsion Laboratory van NASA in Pasadena naar eigen zeggen korte metten met onzekerheden in het voorspellen van zwaar ruimteweer. Met behulp van de Japans-Amerikaanse Yohkoh-satelliet, aldus een juichende persverklaring, was het gelukt de oorzaak van magnetische stormen op aarde direct in beeld te brengen.

Op de röntgenopnamen van de kunstmaan was volgens woordvoerder dr Hugh Hudson van de universiteit van Hawaiï te zien hoe de zon zo nu en dan wolken materie uit haar buitenste atmosfeer, de corona, loslaat, die steevast een paar dagen later de aardse magnetosfeer verstoorden. Voor dat gebeurt, zwakte de röntgenstraling van de corona op een typerende manier even af. 'We hebben nu de eenduidige signatuur van een beginnende magnetische storm', aldus Hudson.

Vooral de Amerikaanse elektriciteitssector is met de nieuwe resultaten in zijn nopjes. Uit een recente studie over een kwart eeuw storingen in de hoogspanningsnetten blijkt dat in het noorden van de VS en Canada 50 tot 60 procent vaker nettransformatoren defect zijn dan in het zuiden. De bedrijven wijten dat voornamelijk aan de magnetische stormen die geregeld op hoge breedte opsteken.

Voor een belangrijk deel, meent prof. dr P. van der Laan, hoogleraar elektrotechniek aan de Technische Universiteit Eindhoven, hebben de Noordamerikaanse bedrijven de problemen over zichzelf afgeroepen. Van der Laan is de Nederlandse vertegenwoordiger in Cigre, een wereldwijd verbond van beheerders van grote elektriciteitsnetten. Daar wordt pas sinds de verduistering van Quebec serieus op de effecten van magnetische stormen gestudeerd. De Nederlandse KEMA heeft daar, vanwege de ligging van Nederland op gematigde breedte en de relatief korte verbindingen in het net, geen actieve belangstelling voor.

Van der Laan: 'Of we er destijds zo verbaasd over moesten zijn, is maar de vraag. Feit is dat de Canadezen in het noorden de laatste decennia grote waterkrachtcentrales met enorm lange leidingen hebben gebouwd en dat het bij het eerste het beste zonnevlekkenmaximum is misgegaan.'

Zoiets is bijna vragen om moeilijkheden. Dichtbij de polen staan de magneetvelden bijna loodrecht op het aardoppervlak. Wanneer op de zonnewind een abnormale massa elektrisch geladen deeltjes in de magnetische invloedssfeer arriveert, wordt het magneetveld van de aarde iets ingedrukt, waarna het weer langzaam terugveert. De magneetvelden voeren in een paar minuten tot een kwartier een soort trage golfbeweging uit.

Lange draden in een veranderend magnetisch veld werken vervolgens als een antenne. Door magnetische inductie ontstaat een stroom die bijna een gelijkstroom is doordat het magnetisch veld zo langzaam beweegt. De stroomsterkte hiervan, enkele honderden ampères, is op zichzelf geen probleem. Maar tranformatoren in het net zijn ontworpen voor wisselstromen van precies zestig hertz. Door de gelijkstroom raken die ontregeld, waardoor ze ook de zestig hertz wisselstroom niet meer kunnen verwerken en beschadigd raken als ze niet snel worden afgekoppeld.

Volgens Van der Laan is het mogelijk transformatoren te bouwen die ook zulke gelijkstromen aankunnen, maar is dat niet gebruikelijk. 'Waarschijnlijk is de goedkoopste strategie, het gebruik van stroom uit aangrenzende netten als men problemen verwacht.'

Bij de grote verduistering van 1989 had Hydro Quebec een schadepost van honderden miljoenen dollars, deels ook door schadeclaims van afnemers uit de Verenigde Staten. Er is de sector de laatste jaren veel aan gelegen geweest zulke risico's in het vervolg te vermijden.

De nieuwe resultaten met de Japanse röntgensatelliet zijn daartoe zeker een bijdrage, verwacht dr Richard Thompson van IPS Radio and Space Service in Australië, een internationaal gewaardeerd expert in magnetische stormen. 'Als ze bij röntgenlicht materie uit de corona kunnen zien opstijgen, zoals de claim luidt, is dat grote winst. Zoiets was tot nog toe niet goed mogelijk. Maar ik wil dit eerst geverifieerd zien, voor we hardop juichen.'

Volgens Thompson is het nog onzeker of met de nieuwe gegevens daadwerkelijk betrouwbare voorspellingen kunnen worden gemaakt. Daarvoor is het gedrag van de aardatmosfeer de laatste jaren veel wispelturiger gebleken dan in de gangbare modellen wordt aangenomen. Tot voor kort nam men aan dat de aarde als een soort rots in de zonnewind stond en alles maar over zich heen liet komen.

Dat beeld blijkt achterhaald. Als de zon de magnetosfeer van de aarde verstoort, blijken soms immense hoeveelheden elektrisch geladen zuurstof naar de bovenste atmosfeer te worden gezogen, waardoor nog veel intensere magnetische verstoringen optreden. Het effect versterkt zichzelf, maar vooralsnog is onduidelijk hoe en onder welke omstandigheden precies. Om daarop meer greep te krijgen, bracht het ruimteveer Columbia deze week nog een Amerikaanse Polar-satelliet in de ruimte.

Thompson: 'Zolang dat soort mechanismen niet in de voorspellingen wordt meegenomen, is niet in detail te voorzien welk risico een waargenomen eruptie op de zon inhoudt voor de aarde. Elektriciteitsbedrijven zullen het zich niet kunnen permitteren om elke keer het zekere voor het onzekere te nemen, afkoppelen of stroom van anderen kopen. Dat kost ze zeker meer dan af en toe een flinke blackout. En dat is toch de afweging die ze maken.'

Martijn van Calmthout

Meer over