Onweer

Onweer

Onderstaand artikel uit het clubblad van de Nederlandse Vereniging van Toerzeilers (februari 2018 Nr.270) is met instemming van de schrijver Jur Pels overgenomen.

Bliksembeveiliging voor zeilschepen

Bliksem blijft een fascinerend en vaak ook beangstigend fenomeen. Ik herinner me dat ik ooit met mijn Kolibrietje 560 s-nachts in de Wellesloot bij Woudsend lag en dat het vreselijk onweerde, de bliksemschichten volgden elkaar zo snel op dat je bij het licht de krant kon lezen. En slapend in een Kolibrietje lig je met je hoofd precies onder de mast. Ik vond het niet leuk. Nu, 40 jaar later, en nadat ik een aantal jaren opleidingen verzorgd heb voor installateurs van bliksembeveligingsinstallaties snap ik meer van het verschijnsel en weet ik ook waar de risico’s zitten en hoe je de kunt verkleinen.

Lezend op de diverse Fora op internet over bliksem en (zeil)boten merk je dat er vele verschillende meningen ten beste gegeven worden. Niet al die meningen blijken helemaal in lijn te zijn met de algemeen geaccepteerde (wetenschappelijk) onderbouwde zienswijze in de wereld van professionele bliksembeveiligers. Ik formuleer dit met opzet een beetje zorgvuldig omdat in de professionele wereld voor een belangrijk deel de mensen het met elkaar eens zijn maar dat er ook daar onderdelen van het vakgebied zijn waar verschillend over gedacht wordt.

Ik wil proberen in mijn artikel me te beperken tot die eensluidende en in normen gedocumenteerde zienswijze.

Bliksem en donder door de eeuwen heen

Al sinds mensenheugenis wordt donder en bliksem ervaren als zeer indrukwekkend en vooral ook bedreigend. Sinds duizenden jaren heeft de mens verklaringen gezocht voor het verschijnsel. In vroeger tijden werd de verklaring gezocht in het gedrag van de goden, Donar, Thor en anderen sloegen met grote hamers en gooiden met bliksem als ze ontstemd waren. Benjamin Franklin was de eerste die in 1752 met behulp van een vlieger vaststelde dat het bij bliksem om een elektrisch verschijnsel ging. Pas de laatste 50 jaar is veel wetenschappelijk onderzoek gedaan aan bliksemgedrag en nog is er over een aantal zaken discussie onder wetenschappers en vakbroeders. In Nederland is de kennis over bliksembeveiliging gebundeld in de Nederlandse Norm NEN1014 (1992) die in 2005 vervangen is door een Europees geharmoniseerde norm NEN-EN 62305.

De NEN-EN 62305 omvat enkele honderden pagina’s, ik mag er slechts enkele vullen, dus mijn verhaal is verre van compleet en volledig.

Hoe ontstaat een bliksemontlading

Bij het ontstaan van onweer stijgt warme vochtige lucht tot grote hoogte (15km) waarbij het vocht vanaf de vorstgrens op ca 5km in ijskristallen verandert. Op enig moment gaan deze ijskristallen weer naar beneden vallen en botsen daarbij op de nog opstijgende ijskristallen. Bij dit proces ontstaat in de wolk een scheiding van elektrische lading en ontstaan concentraties positieve lading en concentraties negatieve lading. Het is een natuurkundige wet dat die concentraties elektrische lading streven naar evenwicht en middels ontladingen worden deze potentiaalverschillen weer tenietgedaan. Dat nemen wij waar als bliksemontladingen die binnen een wolk of van wolk naar wolk plaatsvinden. Als de (meestal negatieve) lading wat ver onderin een wolk terechtkomt kan ook een ontlading naar het aardoppervlak plaatsvinden.

De negatieve lading in de wolk trekt een tegengestelde positieve lading aan in het aardoppervlak dat er onder ligt. De 2 tegengestelde ladingen veroorzaken een elektrisch veld en dat zorgt er voor dat (meestal te beginnen in de wolk) sprongsgewijs banen lucht ioniseren over enkele tientallen meters tegelijk. Geïoniseerde lucht is een goede geleider en daardoor kan de lading uit de wolk als het ware door dat kanaal naar beneden zakken richting aarde. Dit veroorzaakt een steeds grotere elektrische veldsterkte ten opzichte van de aarde totdat één van de aldus gevormde kanalen zo dicht bij het aardoppervlak gekomen is (in de ordegrootte van 100m) dat vanaf  één of meerdere punten op aarde ook ionisatie van de lucht begint te ontstaan. Op enig moment is dan tussen een uitloper van het kanaal uit de wolk en een “tegemoet-ontlading” vanaf de aarde de afstand zo klein geworden dat een overslag mogelijk is. Dit moment is bepalend voor waar de inslag plaatsvindt, De voorontlading is dan eigenlijk al één of enkele honderden meters genaderd tot het aardoppervlak, van meerdere hoge scherpe objecten beginnen tegemoetontladingen te ontstaan en die welke het dichtstbij is gaat de hoofdontlading opvangen. We praten over een gebied van hooguit 100 meter rondom de boot, waar de voorontlading al moet komen, voordat we met onze mast een goede kans maken de bliksem op te vangen. In Nederland slaat de bliksem gemiddeld per vierkante km ca. 2,7 keer per jaar in. Doorrekenen met bovenstaande gegevens leert dat daarmee de kans op inslag  op een zeilboot in de ordegrootte ligt van eens in de 40 jaar. (Een heleboel andere invloeden niet meegerekend) Een kleine maar reële kans zoals de literatuur bevestigt.

Gevolgen van een blikseminslag

Als volgens het bovenstaande de bliksem inslaat in een object op aarde, bijvoorbeeld in de mast van je zeilboot, dan komt er op dat moment een hoeveelheid elektrische lading uit de wolk omlaag die vervolgens zijn weg zoekt naar de aarde cq het water. Het is alsof je de stortbak van de wc doortrekt, éénmaal doorgetrokken is de stortvloed aan water niet meer te stuiten. Nu gaan andere elektrische wetmatigheden  de gang van zaken bepalen. De stroomsterkte die van de wolk naar aarde gaat lopen wordt bepaald door de hoeveelheid lading die naar beneden komt en kan oplopen tot ca. 100 duizend ampere. De hoeveelheid elektrische energie die hierdoor kan worden vrijgemaakt  is evenredig met het kwadraat van die stoomsterkte maal de weerstand die hij op zijn weg naar aarde ondervindt. Bijzonder in deze situatie is, en dat is ook voor veel elektrisch geschoolde mensen lastig in te zien, dat in deze situatie de stroomsterkte gegeven is en vervolgens de weerstand bepaalt hoe hoog de spanning op gaat lopen en hoeveel vermogen er vrijkomt, terwijl we gewend zijn aan de situatie waar de spanning een gegeven is en volgens de wet van Ohm de stroom die gaat lopen een gevolg is van de weerstand die aangesloten wordt.

Dit heeft echter tot gevolg dat hoe hoger de weerstand in de stroomweg naar aarde, hoe meer energie in die verbindingsweg opgewekt wordt, hoe meer vonken, vuur, hitte, explosie en schade veroorzaakt wordt.

Inslag voorkomen of afleiden

In de internationale normen zoals die ook in Nederland worden toegepast is altijd sprake van de bliksem gecontroleerd opvangen en met zo min mogelijk schade geleiden naar de aarde/het water. Er worden ook systemen aangeboden die pretenderen een inslag te voorkomen maar of en hoe dat werkt daar zijn de meningen over verdeeld. Voor de pleziervaart komen die systemen in ieder geval niet in aanmerking. 

Schade beperken aan de romp

Als we de schade willen beperken moeten we zorgen voor een zo goed mogelijke geleiding van het punt van inslag naar het water. De Nederlandse norm NEN1014 besteedt hier ruim aandacht aan en eist op een zeilschip een goede elektrische verbinding van mast naar kiel, een goede verbinding van kiel naar water, een goede verbinding van de voor-, zij-, en achterstagen naar de kiel (kooi van Faraday) en adviseert ook aansluiting van overige metalen delen op deze doorverbindingen (vereffening). Zodoende bieden wij de elektrische lading een zo goed mogelijke route met lage weerstand naar aarde, de temperaturen die daardoor in die leidingen ontstaan blijven beperkt tot enkele 10-tallen graden C en er ontstaat een minimum aan schade aan de romp van de boot. In Amerika zijn deze maatregelen verplicht en dus standaard aanwezig op alle in de USA gebouwde zeilschepen.

Maken we deze doorverbindingen niet, en zit de verstaging bijvoorbeeld vast aan puttings in de huid, dan zal het laatste stukje naar het water geforceerd worden via een doorslag door de huid  en zitten we met een gat in de romp op of onder de waterlijn. Er zijn meerdere voorbeelden van schepen die op deze manier gezonken zijn.

Op een stalen schip heb je, ondanks de lak, voldoende verbinding van mast en tuig naar het water. Voor een polyester of houten schip met ijzeren kiel is die verbinding via de kielbouten te maken. Zit de ballast binnen het polyester in de kiel dan wordt het lastig. Er wordt wel gesuggereerd een ketting of accukabel overboord te hangen maar als je daar aan gaat rekenen blijkt de overgangsweerstand naar het water toch nog aanzienlijk te zijn. Er is minimaal een halve vierkante meter (0,5m2 ) kontaktoppervlak nodig. Een beter idee is om op de kiel een koperen plaat aan te brengen en die door te verbinden met de mast en verstaging. Overigens zou ik al varend bij slecht weer niet graag kettingen overboord hangen, schade gegarandeerd.

Schade aan elektronika

Ook al kunnen we met deze maatregelen de schade aan de romp zo veel mogelijk beperken, de optredende stroomsterktes, en de “steilheid” van de optredende stroomstoten zorgen voor dermate hoge geïnduceerde spanningen in ons elektrisch circuit en onze elektrische apparatuur dat die in de meeste gevallen zullen sneuvelen. Hier kan in theorie door middel van overspanningsbeveiliging schade beperkt of voorkomen worden maar de kosten daarvan wegen meestal niet op tegen de toch relatief geringe kans op inslag en de schade die daarmee aan elektronica ontstaat. Bij de beroepsvaart, bij vliegtuigen en ook bij antennesystemen op de wal voor bv GSM wordt hiertegen wel met succes beveiligd. Ondanks alle beveiliging gaat het overigens ook daar nog wel een enkele keer mis.

Maatregelen bij nieuwbouw

In 2003 heb ik als voorbereiding op de aanschaf van een nieuw schip op de Hiswa aan vrijwel alle zeilbootbouwers gevraagd wat ze aan bliksembeveiliging deden en of ze de maatregelen van de NEN1014 toepasten (in Nederland niet verplicht). Vrijwel geen enkele werf had ooit van de NEN1014  gehoord en slechts een enkeling maakte een verbinding van mast naar kiel. Sommige werven riepen boos dat zoiets juist heel gevaarlijk was.

Als de door de NEN1014 geadviseerde verbindingen in het ontwerp worden meegenomen en bij de bouw worden aangebracht dan zijn er nauwelijks meerkosten maar wel zeer veel meer veiligheid. Het is een beetje droevig te constateren dat de Nederlandse jachtbouw hier erg weinig doet. Aanbrengen van de genoemde maatregelen achteraf is veel lastiger, kostbaarder, moeilijk “onzichtbaar” weg te werken en daardoor esthetisch veel minder aantrekkelijk.

Jur Pels
Juni 2018