Gisteren wachtte de katholieke wereld vol spanning op een wit rooksignaal van het Vaticaan. Hoe komt die rook aan zijn kleur?
De kardinalen van het Vaticaan verzamelden zich gisteren voor de tweede dag op een rij voor het conclaaf met als doel een opvolger aan te duiden van de onlangs overleden Paus Franciscus. Dat betekende dat toen alle ogen van de wereld gericht waren op de schoorsteen van de Sixtijnse kapel. Toen er zwarte rookwolkjes uit de schoorsteen kwamen, wilde dat zeggen dat er tijdens de stemronde geen winnaar uit de bus was gekomen. Wanneer de kardinalen uiteindelijk een akkoord hadden bereikt, dan kondigden ze dat aan met een witte rookpluim, de dramatische voorbode van de onthulling van de nieuwe leider van de Rooms-Katholieke wereld: paus Leo XIV.
Hoewel het ritueel aanvoelt als iets uit een compleet ander tijdperk, gebruikt het conclaaf volgens NBC News pas sinds 1903 de gekleurde rooksignalen. Het is een relatief recente ontwikkeling in het verkiezingsproces dat al bijna een millennium meegaat. Historisch gezien waren de signalen soms wat ambigu. Maar voor de recente verkiezingen heeft het Vaticaan duidelijk wetenschappelijke deskundigen geraadpleegd om er zeker van te zijn dat de schoorsteen van de Sixtijnse kapel de uitslag duidelijk verkondigt. Het Vaticaan publiceerde in 2013, rond de periode van het conclaaf waarin paus Franciscus werd verkozen, de ingrediëntenlijst van elk rooksignaal. (De persvertegenwoordigers van de Heilige Stoel hebben dit jaar niet bevestigd of ze dezelfde recepten zullen gebruiken.) Dit is de chemie achter de rooksignalen van het conclaaf.
Waar rook is, is vuur
Als scheikundigen zeggen 'Waar rook is, is vuur' dan hebben ze het over verbranding. In verbrandingsreacties reageert een brandstof met een zuurstofrijke stof, ook wel een oxidator genoemd. Daarbij ontstaan er afvalstoffen zoals water en koolstofdioxide.
Maar de focus van het Vaticaan ligt op de rook en niet zozeer op de verbranding zelf die de rook produceert. Rook bestaat uit kleine deeltjes die in de lucht zweven, zegt John Steinberg, die gespecialiseerd is in pyrotechniek. De kleur van de rook wordt bepaald door de kleur van de deeltjes. Aangezien de verbranding van koolstofdioxide een kleurloze rook oplevert, moeten de witte en zwarte rook dus het resultaat van andere afvalstoffen zijn. 'Je wil geen volledige verbranding. Als we de koolstof volledig zouden verbranden, zouden we immers koolstofdioxide krijgen', zegt hij.
De oplossing is, volgens Steinberg, om de reactie stop te zetten voordat de brandstof volledig is verbrand. Dat kan gedaan worden door een reactie te ontwerpen met meer brandstof dan oxidator en door de temperatuur te verlagen waarbij de reactie plaatsvindt. Dat is het achterliggende principe van beide rooksignalen die het Vaticaanse conclaaf produceert.
Als er geen tweederdemeerderheid wordt behaald tijdens een stemronde, dan stuurt het conclaaf zwarte rook door de schoorsteen. Hier is de achterliggende pyrotechniek vrij simpel. Zwarte deeltjes zijn immers makkelijk te creëren. Ze ontstaan namelijk uit de meeste organische stoffen. 'Zwarte rook is het makkelijkste om te maken', aldus Steinberg.
Het recept voor zwarte rook in 2013 was een mengeling van kaliumperchloraat, antraceen en zwavel. In deze reactie is kaliumperchloraat de zuurstofrijke oxidator. Het is een rol die de stof wel vaker vervult in vuurwerk, omdat ze relatief veilig is en gemakkelijk haar zuurstof afgeeft. Antraceen dient hier als brandstof. Maar antraceen is relatief moeilijk om te verbranden, legt Steinberg uit. Vandaar dat er een beetje zwavel wordt toegevoegd. De zwavel smelt al bij lage temperaturen, waardoor de kaliumperchloraat en het antraceen beter mengen. Ook brandt zwavel makkelijk, wat de verbranding van het mengsel bevordert.
Dennenhars
Op chemisch vlak is witte rook maken een grotere uitdaging, zegt Steinberg. Sommige bronnen van witte deeltjes, zoals zinkchloride en ammoniumchloride, zijn sterk bijtende stoffen. Het lijkt erop dat het Vaticaan die stoffen daarom dus liever links laat liggen. In plaats daarvan koos het Vaticaan in zijn recept van 2013 voor kaliumchloraat, het melksuiker lactose en een soort van dennenhars, ook wel gekend als pijnhars.
De eerste twee ingrediënten worden wel vaker gecombineerd. 'Elke pyrotechnicus weet dat wanneer je rook wil, je moet starten met kaliumchloraat en suiker', zegt Steinberg. Kaliumchloraat bevat één zuurstofatoom minder per molecuul dan de kaliumperchloraat die gebruikt wordt in zwarte rook. Kaliumchloraat is bovendien ook een sterkere oxidator. Het is zo sterk dat het gevaarlijk is om het te combineren met de ontvlambare zwavel. De krachtige oxidator is in dit geval wel echt noodzakelijk. Noch suiker, noch dennenhars zijn immers heel brandbaar volgens Steinberg.
Het is het dennenhars dat de witte gloed aan de pauselijke rook geeft. Dennenhars is relatief rijk aan water en lange ketens van zuurstofbevattende koolwaterstofverbindingen, ook wel carbonzuren genoemd. Samen zorgen het water en de carbonzuren ervoor dat de verbranding een artificiële wolk van waterdamp produceert om de nieuwe paus in te luiden. 'In principe is deze rook gewoon een dichte mist van waterdruppeltjes', zegt Steinberg.
Dit artikel verscheen eerder in Scientific American. Vertaling: Maxim Garvelink.
