Thermosfles

De Schot James Dewar heeft geen ice-tea of tomatensoep voor ogen als hij in 1892 een apparaat fabriceert waarmee het mogelijk is vloeistoffen op de gewenste temperatuur te houden. De hoogleraar in de natuurkunde is als eerste in staat waterstof in vloeibare vorm te produceren. Waterstof is bij kamertemperatuur gasvormig, zodat de Schot een apparaat nodig heeft waarin de temperatuur laag genoeg blijft om de vluchtige stof vloeibaar te houden.

Dewar ontwikkelt een soort dubbelwandige fles waarin tussen de twee glasplaten een vacuüm heerst. Pas in 1904 pikken twee Duitse glasblazers met commercieel inzicht het idee op en ontwikkelen een thermosfles voor dagelijks gebruik. In 1911 komt de productie in een stroomversnelling. Vanaf die tijd is het mogelijk de glazen flessen fabrieksmatig te produceren.

De Schotse natuurkundige wist heel goed aan welke eisen zijn thermosfles moest voldoen. Warmte is een vorm van energie die vrijkomt als atomen –uiterst kleine deeltjes waaruit elke materie is opgebouwd– bewegen. Hoe sneller de deeltjes trillen, des te meer warmte ze afgeven. Bij verlaging van de temperatuur bewegen atomen steeds langzamer, totdat ze bij min 273 graden Celsius –het absolute nulpunt– geheel tot stilstand komen.

Atomen brengen warmte op elkaar over doordat de deeltjes ernaast gaan meetrillen, een proces dat bekend staat als geleiding. Niet elke stof geleidt warmte even goed. Dat verschil is te merken bij het openen van een deur met een metalen of een plastic deurkruk. Een metalen knop voelt kouder aan omdat die de lichaamswarmte meteen verder transporteert.

Tinfolie
Een vacuüm is de ideale isolator, realiseerde Dewar zich. De weinige luchtdeeltjes die aanwezig zijn, zitten op zo'n grote afstand van elkaar dat ze warmte nauwelijks aan elkaar kunnen doorgeven. Naast geleiding is ook infrarode straling verantwoordelijk voor de overdracht van warmte. Daarom bedekte de natuurkundige beide glazen wanden met een laagje zilver. Het metaal kaatst bijna alle infrarode straling terug. In hedendaagse thermoskannen houdt een uiterst dun tinfolie de warmte binnen. Het metalen laagje is zichtbaar als een spiegelend laagje aan de binnenzijde van de kan.

Infrarode straling is net als licht een vorm van elektromagnetische straling die vrijkomt bij de beweging van moleculen. Infrarood licht kan moeiteloos een vacuüm overbruggen. De zon verwarmt de aarde met deze vorm van licht, die onzichtbaar is voor het menselijk oog maar wel voelbaar als warmte op de huid.

Ondanks het terugdringen van geleiding en straling treedt toch warmteverlies op in een thermoskan. De grootste boosdoener is de dop. Die is weliswaar van slecht geleidend plastic, maar laat toch wat warmte door. Een andere reden is dat de ruimte tussen de dubbele glazen fles niet geheel luchtledig is. Daardoor is geleiding nooit uit te bannen. Een vacuüm van ruim 30.000 atomen per kubieke centimeter is technisch net haalbaar. Dat lijkt misschien een mager resultaat, maar is niets vergeleken bij de 1019deeltjes die een kubieke centimeter lucht bevat.

Glas met een vacuüm ertussen is uiterst breekbaar. Een metalen of plastic jasje moet de kwetsbare kern tijdens vallen en stoten beschermen. In stootbestendige exemplaren houden schuimrubber wiggen de glazen fles op haar plaats.

Ruimtevaart
In de ruimtevaart lopen ontwerpers continu tegen de isolerende eigenschappen van een vacuüm aan. Een ruimtevaartuig dat in een baan om de aarde draait, bevindt zich in het luchtledige. Zonder voorzorgsmaatregelen loopt de temperatuur in deze reusachtige 'thermosfles' snel op. Elektronische apparaten en de astronauten zelf produceren continu warmte en ook de infrarode straling van de zon draagt haar steentje bij.

Ruimtevaartorganisaties laten het zo ver niet komen. Een dun laagje goud, zilver of aluminium aan de buitenzijde van een ruimtevaartuig weerkaatst de stralen van de zon. De geopende deuren van het laadruim van de spaceshuttle fungeren als radiatoren die een teveel aan warmte in de vorm van straling afgeven aan de omgeving.