Stel je voor, een kernreactor zo groot als een elektriciteitshuisje. Ze bestaan al in bijvoorbeeld atoomonderzeeërs. Kan de massaproductie van dergelijke kleine kerncentrales onze energieproblemen oplossen?
Op dit moment is de kleinste werkende reactor de Russische EGP-6 licht water-grafietreactor met per eenheid een vermogen van 12 megawatt. Vier van deze eenheden, die in 1974 in gebruik werden genomen, waren voldoende voor een middelgroot dorp, zoals de Russische poolnederzetting Pevek (4000 inwoners). Het ontwerp van de EGP-6 voldoet niet meer aan de huidige, zeer strenge, veiligheidseisen, maar overal ter wereld wordt gewerkt aan alternatieve compacte kernreactoren. Deze zijn zowel nuttig hier op aarde, als in ruimtekolonies op grote afstand van de zon. De enige nieuwe operationele microkernreactoren zijn eveneens Russisch: de RITM-200 en de KLT-40 scheepsreactoren.
Kernenergie werkt altijd en is hiermee betrouwbaarder dan hernieuwbare energiebronnen zoals zon en wind. Alleen waterkracht en geothermische energie komen in de buurt. Is kleinschalige kernenergie de oplossing voor onze energieproblemen?
De RITM-200 reactor is (met de eveneens Russische KLT-40) één van de enige twee typen microkernreactoren in serieproductie. Bron: Rosatom.ru
Stel je voor: nooit meer je smartphone aan de lader, alleen om de paar jaar de accu verwisselen. Dit ook met je laptop, je auto en andere oplaadbare apparaten. Science fiction? Niet lang meer, als het aan de startup NDB uit Californië ligt.
Wat is koolstof-14?
Niet alle atomen zijn gelijk. Ze verschillen onderling niet alleen in het aantal protonen (wat bepaalt hoe ze zich chemisch gedragen), maar ook in het aantal neutronen in de kern. Zo is elk atoom met 6 protonen in de kern een koolstofatoom, maar verschilt het aantal neutronen per variant. Deze varianten noemen we isotopen. Koolstof kent naast de twee stabiele isotopen, koolstof-12 en koolstof-13, met 6 protonen en 6 resp. 7 neutronen, ook meer dan tien radioactieve isotopen die na verloop van tijd uiteenvallen. Een daarvan is koolstof-14. Deze radioactieve isotoop heeft twee neutronen extra, waardoor deze atoomkern instabiel is geworden en in gemiddeld 5.730 jaar uiteenvalt in een elektron (bètastraling) en stabiel stikstof-14. Koolstof-14 is vooral bekend als erg nuttig hulpmiddel om te bepalen hoe oud bepaalde organische archeologische resten zijn. Als er nog maar de helft van het koolstof-14 over is, weten we dat de resten 5.730 jaar oud zijn.
Bètavoltaïsche batterij
De manier waarop koolstof-14 uiteenvalt maakt deze isotoop ook voor energieopslag erg interessant. Elektronen onder een spanningsverschil zijn namelijk de bron van elektriciteit. Als we in staat zijn om deze elektronen op te vangen en hun spanning af te tappen, hebben we een batterij. Een bètavoltaïsche batterij die letterlijk duizenden jaren meegaat. Een kilogram puur koolstof-14 levert, als deze in zijn geheel uiteenvalt in stikstof-14, 337 gigajoule. met andere woorden: evenveel als een inslag van een grote meteoriet zoals die in Chelyabinsk, of vergelijkbaar met het verbranden van 10 kuub benzine. Kortom: behoorlijk veel voor een batterij van een kilo. Het goede (of slechte) nieuws is dat deze energie langzaam vrijkomt. Dit blok levert iets minder dan 2 watt vermogen, waarvan slechts een klein deel kan worden afgetapt. Maar dit onophoudelijk, gedurende duizenden jaren. Het lage vermogen dat deze isotoop levert maakt het vooral interessant voor zeer langdurige toepassingen.
Bijzonder aan deze nieuwe techniek is de laag rond de isotoop zelf, die de elektronen invangt en in elektriciteit omzet. Deze bestaat uit kunstmatige diamant. Diamant is het hardste materiaal wat we kennen en ook een halfgeleider. Dit maakt diamant erg geschikt als beschermmateriaal. Omdat het hier om een bètastraler gaat, kan de diamant niet radioactief worden.
En korterlevende isotopen? Zoals tritium?
In principe kan iedere handelbare betastraling afgevende isotoop als “vulling” voor de diamantcapsule worden benut.Tritium, de enige radioactieve waterstofisotoop, met 2 extra neutronen, heeft bijvoorbeeld een veel kortere halfwaardetijd: rond de 12 jaar. Ook tritium is een bètastraler en valt onder uitzending van een elektron uiteen tot helium-3. Hierbij komt alleen veel minder energie vrij: een kilogram tritium levert bij uiteenvallen ongeveer 165 gigajoule aan bewegingsenergie van elektronen op (de rest verdwijnt in het heelal als antineutrino). Pluspunt is wel weer dat deze energie in een veel kortere tijd vrijkomt, waardoor het vermogen vele malen hoger is dan dat van koolstof-14: 450 watt per kilogram, in 12 jaar teruglopend tot de helft. Dit zou tritiumbatterijen erg interessant maken voor elektrische auto’s en smartphones. Gesteld dat we een goedkope methode ontwikkelen om aan tritium te komen. Op dit moment is het goedje peperduur.
Ook andere isotopen van koolstof en andere elementen zijn bruikbaar. Ze moeten slechts aan enkele eisen voldoen: louter en alleen uiteenvallen in elektronen en eventueel neutrino’s (pure bètastralers), voldoende energie afgeven voor de beoogde toepassing, voldoende lang meegaan en veilig opgeborgen kunnen worden in een diamanten omhulsel. In de eerste prototypes van Russische onderzoeksgroepen is bijvoorbeeld gewerkt met nikkel-63, een isotoop met een halfwaardetijd van een kleine eeuw [2].
Tritium sleutelhangers geven tientallen jaren zwak licht. Bron: Bilious – Eigen werk, CC BY-SA 2.5, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=10843869
Welke isotopen gebruikt NDB?
De startup NDB doet op haar voorpagina boude claims over batterijen die in staat zouden zijn smartphones, auto’s en andere energieslurpende apparaten te voorzien van permanente energie. Claims die je, althans vermogen, alleen waar kan maken met tritium of een andere kortlevende bèta-isotoop, maar niet met koolstof-14 dat de radioactiviteit uitsmeert over duizenden jaren.
Op de “technology” pagina [1] doet het bedrijf erg geheimzinnig over de gebruikte radioactieve isotopen. Enkele citaten lichten echter een tipje van de sluier op. Zo komen er neutronen vrij: “Boron-doped SCD” moet neutronen invangen en omzetten in alfadeeltjes (heliumkernen). Dus duidelijk zijn dit niet alleen bètastralers. Elders spreekt men over “fissionable isotopes”, zoals Pu-238 en U-232. Dit is geen relatief onschuldige koolstof-14 uit grafietblokken meer en doet vermoeden dat men zijn heil zoekt in het verwerken van hoogradioactief kernafval in batterijen. Als dit op een veilige manier kan: waarom niet? Met alfa- en bètastralers kan dit, maar helaas niet met neutronenstraling. Neutronen zijn qua gezondheid uitermate vervelende deeltjes – ze veranderen stabiele atoomkernen in radioactieve kernen als ze ingevangen worden in de atoomkern. Neutronen houd je alleen tegen met een meter beschermend water of soortgelijk materiaal, wat uiteraard alleen praktisch is voor een atoomonderzeeër. Of in een reactor, om tritium te produceren uit deuterium. Die je dan in je batterij stopt. Wat uiteraard een stuk slimmer is.
Bronnen
1. NDB: Technology
2. V.S. Bormashov et al, High power density nuclear battery prototype based on diamond Schottky diodes, Diamond and Related Materials (2018). DOI: 10.1016/j.diamond.2018.03.006
Een nieuwe bevestiging door een Hongaars team van het bestaan van een nog onbekend boson, deze keer bij het verval van helium, doet vermoeden dat we een nog onbekend deeltje op het spoor zijn – en hiermee een deeltje dat niet in het Standaardmodel voorkomt. Als dit experiment wordt gereproduceerd.
Ontbrekende impuls
In 2016 deed het team metingen aan de terugval van een aangeslagen beryllium-8 kern. Aangeslagen atoomkernen bevinden zich op een hoger energieniveau dan kernen in de grondtoestand. Na verloop van tijd springen ze terug in de grondtoestand, waarbij ze de extra energie in de vorm van een deeltje, doorgaans een foton of deeltjespaar, uitzenden. Dit is een welbekend proces binnen de atoomfysica. We weten ook hoe atoomkernen zich in dit geval gedragen. Onder de ijzeren wet van behoud van impuls, moeten alle uitgezonden deeltjes een opgetelde impuls van nul hebben. Als bijvoorbeeld een deeltje onder een hoek van 15 graden naar rechts afbuigt, moet een even zwaar deeltje 15 graden naar links afbuigen, of bijvoorbeeld een half zo zwaar deeltje 30 graden naar links. Als deze optelsom niet meer klopt, moet er een ontbrekend deeltje zijn. Op deze manier is tachtig jaar geleden ook het neutrino ontdekt. Bij het radioactief verval van atoomkernen ontdekten de onderzoekers dat er een kleine hoeveelheid impuls ontbrak. Deze impuls bleek toe te behoren aan een nog onbekend deeltje, waarvan we nu weten dat dat dit het neutrino is.
Een vijfde natuurkracht kan mogelijk donkere materie en.of donkere energie verklaren. Bron: NASA
Dit is ongeveer wat de onderzoekers waarnamen bij de berylliumkernen. Deze vielen terug in de grondtoestand, bij uitzending van een onbekend deeltje. Dit deeltje viel in korte tijd uiteen in een elektron positronpaar. Het experiment werd in de jaren daarna herhaald, deze keer met een helium-4 kern. Ook hier bleek een onbekend deeltje met een vergelijkbare massa vrij te komen. Op grond hiervan vermoedt het team dat het om hetzelfde deeltje gaat, dat ze het ‘X17-boson’ hebben gedoopt.
We weten van het X17-deeltje dat het uiteenvalt in een elektron positronpaar en ongeveer 35 maal zo zwaar is als het elektron, iets onder de 17 MeV/c². Vandaar de voorlopige naam. Het deeltje reageert alleen met neutronen, niet met protonen, omdat het ‘protonfobisch’ zou zijn[3]. Dit gedrag is omgekeerd aan dat van fotonen, die wel reageren op protonen (en elektronen) maar niet op de elektrisch neutrale neutronen. Dit zou ook verklaren waarom dit deeltje tot nu toe niet ontdekt is.
Geen natuurkundige is er tot nu toe in geslaagd om binnen het standaardmodel een verklaring te vinden voor X17. Dat zou betekenen dat we voor het eerst een deeltje hebben waargenomen dat niet binnen het Standaardmodel past – en hiermee de poort opent naar nieuwe natuurkunde en een vijfde natuurkracht.
Hoe zeker zijn deze ontdekkingen?
De meetnauwkeurigheid is groot. De kans dat deze uitkomsten op toeval berusten is 7,1 sigma, m.a.w. kleiner dan 1 op de 400 miljard [2]. Dat, gecombineerd met het eerdere experiment, maakt dat we – uitgaande van het werk van deze groep – kunnen concluderen dat deze metingen valide zijn en er daadwerkelijk een nieuw, onbekend verschijnsel is waargenomen, dat tot nu toe niet met het bekende Standaardmodel is te verklaren. Het is niet uit te sluiten dat we een verklaring over het hoofd zien, al is deze kans klein. Met redelijk grote waarschijnlijkheid is hier dus sprake van ‘nieuwe natuurkunde’. Eindelijk. En dat nog wel buiten het enorme LHC-experiment, dat alleen het bestaan van het Higgs-boson aan heeft getoond.
Wel bestaan er binnen de natuurkundige gemeenschap de nodige twijfels over deze waarnemingen, vooral omdat deze groep al eerder soortgelijke claims deed, die deze – door gebruik van nauwkeuriger meetapparatuur – moest terugtrekken [4]. Hopelijk komt er snel een experiment van een andere groep, waarin deze waarnemingen worden bevestigd.
Wat zijn de gevolgen?
Net zoals het gedrag van een biljartbal prima te beschrijven is met Newtoniaanse middelbare school natuurkunde en het niet nodig is hier de relativiteitstheorie op los te laten, zal in het dagelijks leven deze ontdekking weinig gevolgen hebben. Op korte termijn. Zodra we er in slagen om vergelijkingen voor deze nieuwe natuurkracht op te stellen, dan opent dit nu nog ongekende mogelijkheden. Mogelijk kunnen we door middel van de nieuwe natuurkunde de raadsels van donkere materie en donkere energie blootleggen. Zouden we hier in slagen, en beide natuurverschijnselen leren te benutten, dan ligt het heelal voor ons open en mogelijk zelfs tot Kardashev-IV beschaving uit kunnen groeien. Mogelijk zullen de gevolgen beperkt blijven, zoals met bijvoorbeeld de ontdekking van het neutrino waar we nog vrij weinig mee kunnen.
Zonnepanelen leveren alleen overdag energie op, want dan schijnt de zon. Dit is een belangrijke beperking aan zonnepanelen. Niet meer, zo lijkt het. Want nu zijn anti-zonnepanelen ontwikkeld die juist de meeste energie opwekken ’s nachts. Energie uit het Niets? In zekere zin: ja.
Zonnepanelen en thermodynamica
Er is een eenvoudige formule, waarmee het maximale rendement is te berekenen van een temperatuursuitwisseling: 100% * (Theet – Tkoud / Theet ). In woorden: het maximale rendement is gelijk aan het temperatuursverschil, gedeeld door de absoluut heetste temperatuur. In zekere zin maken zonnepanelen gebruik van het verschil in temperatuur tussen het zonneoppervlak en de aardoppervlakte. De oppervlakte van de zon is gloeiend heet, rond de zesduizend graden kelvin. De aardoppervlakte ligt in temperatuur iets onder de driehonderd kelvin (300 – 273 = 27 graden) . In theorie kunnen zonnepanelen daarom tot 95% van alle zonlicht in vrije energie omzetten, als ze perfect zouden werken: (6000-300)/6000 = 0,95. (Uiteraard haalt het gemiddelde zonnepaneel maar 15-23 procent, de absolute recordhouder in het lab behaalt 47,1 %.) [1]
Het anti-zonnepaneel levert een beetje energie in de nacht. Bron: Stanford University
Anti-zonnepanelen
Dit principe kan ook andersom werken. Onze aardoppervlakte heeft weliswaar een temperatuur van die driehonderd kelvin, maar de achtergrondtemperatuur van het heelal is maar 2,7 kelvin. Honderd maal zo laag dus. Een perfecte ‘heat engine’ zou daarmee zelfs 99% energieomzetting kunnen bereiken door dit warmteverschil af te tappen en de warmte het heelal in te pompen.
De anti-zonnecel produceert een beetje stroom, omdat de thermo-elektrische generator het warmteverschil tussen de koude radiatorplaat en de hetere ondergrond, aftapt. Bron: Stanford University
Dat laatste is ongeveer wat hier gebeurt. Anti-zonnepanelen koelen af door ’s nachts grote hoeveelheden warmte uit te stralen, het universum in, waardoor een warmteverschil ontstaat. Dit warmteverschil kan af worden getapt door in dit geval een materiaal dat spanningsverschillen produceert uit temperatuursverschillen. Zie diagram.
LEDje
Erg indrukwekkend is de opbrengst van het anti-zonnepaneel nog niet. Eén vierkante meter radiatieve koeler (een zwart, goed warmte geleidend oppervlak) produceert een schamele 25 milliwatt. Dit is net genoeg om een klein ledje te laten branden. De onderzoekers zijn desalniettemin optimistisch. Ze denken dat het mogelijk is de opbrengst toe te laten nemen tot 500 milliwatt per vierkante meter. Vergeleken met een zonnepaneel is dat niet veel. Een zonnepaneel haalt toch al gauw boven de 100 watt per vierkante meter, 200 maal zoveel. Wel kan dit systeem kleine stroomgebruikers, zoals sensors, continu van stroom voorzien. Dat maakt het systeem toch interessant om door te ontwikkelen. Al is het maar, zoals de onderzoekers al opmerken, dat het opmerkelijk grappig is is om licht uit de duisternis op te wekken.
Deuterium, een belangrijke grondstof voor kernfusie, is nu lastig te winnen en daarom duur.
Indertijd, in de jaren tachtig van de vorige eeuw was het groot nieuws: het bestaan van buckyballs (C60), voetbalvormige koolstofmoleculen. Met het ontdekken van buckyballs ontstond ook het concept dat atomen, ionen en kleine moleculen in deze “kooi” opgesloten konden worden. Sindsdien is het stil rond buckyballs en soortgelijke moleculen. Alleen grafeen en koolstofnanobuisjes mogen zich in blijvende belangstelling verheugen. Nu blijk er toch een spectaculaire nieuwe toepassing te zijn. Voor kernfusie is deuterium nodig. Dat verschilt van de meest voorkomende vorm van waterstof omdat er niet alleen een proton, maar ook een neutron in de kern zit. Ongeveer één van de 6240 waterstofatomen is een deuteriumatoom. (Er is nog een derde waterstofisotoop, tritium (wellicht bekend van de ’tritium lights’), een radioactieve variant met een halfwaardetijd van iets meer dan tien jaar. Daarom komt tritium van nature bijna niet voor).
Deuterium scheiden van protium, ‘normale’ waterstof, is een moeizaam proces: beide isotopen zijn chemisch namelijk vrijwel identiek. Weliswaar is deuterium door de dubbele massa iets langzamer in chemische reacties dan protium, en zijn hoge concentraties deuterium in het lichaam (denk aan vele procenten van alle waterstof) daarom giftig, maar erg groot is dit verschil niet. Erg vervelend, want nu moeten beide isotopen met behulp van kostbare technieken, zoals gasdiffusie, van elkaar gescheiden worden. Op dit moment kost pure deuterium daarom enkele duizenden euro’s per kilogram.
Met deze nieuwe techniek komt hier, mogelijk, verandering in. De speciale moleculaire structuur van de separatorlaag – met strategisch geplaatste grote en kleine holtes – versnelt de zwaardere deuteriumdeeltjes ten opzichte van de protiumdeeltjes. Op die manier ontstaat een verrijking in deuterium in het concentraat. Als deze stap maar vaak genoeg herhaald wordt, ontstaat er uiteindelijk een zeer deuteriumrijk concentraat. Als deuterium eenmaal een hoog percentage van het concentraat uitmaakt, is het veel eenvoudiger om het deuteriumgehalte nog verder op te voeren.
Deuterium is de zwaardere variant van waterstof. Deuterium is zeldzaam: slechts 1 op de 3200 waterstofatomen op aarde is een deuteriumatoom. Bron: dancingwithwater.com
De gebruikte techniek werkt alleen bij temperaturen die ongeveer dertig graden boven het absolute nulpunt liggen. De onderzoekers hopen een variant van de isotopenscheiding te ontwikkelen, die ook bij hogere temperaturen is toe te passen.
Bron:
Ming Liu et al. Barely porous organic cages for hydrogen isotope separation, Science (2019). DOI: 10.1126/science.aax7427
Iets, ver weg in de duistere regionen van de Oort-gordel, schopt planetenbanen ernstig in de war. Pogingen om Planeet Negen te vinden zijn tot nu toe echter faliekant mislukt. Enkele astronomen komen nu met een gedurfde theorie. Planeet 9 is geen planeet van 15 aardmassa’s, maar in werkelijkheid een zwart gat. Een zwart gat met de massa van een ijsreus of kleine gasreus is klein in afmeting, vrijwel onzichtbaar en is stabiel. Kan dit kloppen? En moeten we ons zorgen maken door de nabijheid van dit allesvernietigende object?
De jacht op Planeet Negen
De ijsreus Neptunus werd laat in de negentiende eeuw ontdekt aan de hand van verstoringen in de planeetbaan van Uranus. Toch verklaarde Neptunus, en de later ontdekte algemene relativiteitstheorie, niet alle afwijkingen in planeetbanen. De speurtocht naar een nieuwe, onbekende planeet begon. Na de ontdekking van Pluto door Clyde Tombaugh in de dertiger jaren bleef het een tijdje stil. Pluto verkreeg beroemdheid als de laatste planeet. Betere telescopen onthulden dat Pluto veel te klein is om deze zwaartekrachtsafwijkingen te kunnen veroorzaken. Met 0,2 procent van de massa van de aarde is Pluto zes keer kleiner dan de maan. En: Pluto blijkt slechts de eerst ontdekte vertegenwoordiger van een klasse ijsachtige objecten, de dwergplaneten of plutino’s.
Tot nu toe zijn alle pogingen om Planeet Negen te vinden mislukt. Wel hebben we een profiel: het gaat om een object van ongeveer tien tot vijftien maal zo zwaar als de aarde[1]. Hiermee komt de massa in de buurt van de ijsreuzen Uranus en Neptunus. Een planeet met deze grootte is niet te missen. Onze telescopen zijn nu zo goed, dat zelfs op zeer grote afstand, een Neptunus-achtig object duidelijk zichtbaar zou moeten zijn.
Mini-zwarte gaten
Hoe verstop je vijftien aardmassa’s? Het voor de hand liggende antwoord: een zwart gat. Zwarte gaten zijn relatief klein, extreem compact en laten zelfs geen licht ontsnappen. Alleen: we kennen slechts zwarte gaten die groter zijn dan enkele zonsmassa’s, de overblijfselen van ineengestorte sterren of de enorme zwarte gaten (denk aan miljoenen zonsmassa’s) in het centrum van sterrenstelsels. In theorie zijn kleinere zwarte gaten, bijvoorbeeld met de massa van de maan of de aarde, stabiel. Hawkingstraling is te zwak om dergelijke zwarte gaten uit elkaar te laten vallen tussen het moment van het ontstaan van het heelal en nu. Alleen kennen we geen realistisch mechanisme om dergelijke mini-zwarte gaten te scheppen.
Dat we een dergelijk mechanisme niet kennen, hoeft echter niet te betekenen dat dat mechanisme (en daarmee mini-zwarte gaten) niet bestaat. Onze kennis is verre van volledig. Het zal niet de eerste keer zijn dat we iets totaal onverwachts ontdekken.
Kleine zwarte gaten, bijvoorbeeld met de massa van Neptunus, zijn zo groot als een voetbal en daarmee onzichtbaar van grote afstand. – Wikimedia Commons
Hoe kunnen we een mini-zwart gat waarnemen?
De diameter van de waarnemingshorizon van een zwart gat is recht evenredig aan de massa. Als de zon samengeperst zou worden tot een zwart gat, zou de waarnemingshorizon een doorsnede hebben van zes kilometer. De aarde zou een zwart gat opleveren met de grootte van een forse knikker, 18 mm doorsnede. ‘Planeet Negen’, met vijftien aardmassa’s, zou dus een doorsnede hebben van 1,8 x 15 = 27 cm. Dit is uiteraard veel te klein om op deze enorme afstand waar te kunnen nemen. Dit zou verklaren, waarom we “Planeet Negen” nog niet hebben gevonden. Er bestaat echter een manier om dergelijke zwarte gaten indirect waar te nemen. Ze verbuigen namelijk de ruimte om zich een zeer sterk. Met andere woorden: er ontstaat een zwaartekrachtslens. Dit zwaartekrachtslens-effect is wel vrij goed waar te nemen met moderne telescopen. Sterposities gaan namelijk verschuiven, als een mini-zwart gat (of ander zwaar object) tussen een ster en de telescoop beweegt. Dit is precies wat het Poolse onderzoeksprogramma Optical Gravitational Lensing Experiment (OGLE) waargenomen heeft, elders in het Melkwegstelsel. Zware objecten met een massa rond de vijf aardmassa’s blijken door het Melkwegstelsel te zwerven. Dit kunnen zwerfplaneten zijn, de conventionele verklaring. Maar wat, als het in werkelijkheid primordiale zwarte gaten, overblijfselen van de Big Bang, zijn? En als de zon één van deze zwarte gaten heeft ingevangen?
Als Planeet Negen inderdaad in werkelijkheid een zwart gat is, dan zouden we een sterk lenseffect moeten kunnen waarnemen op relatief korte afstand van de aarde. Dat zou inhouden dat een bewegende telescoop, bijvoorbeeld aan boord van een satelliet, een sterke verschuiving van de zwaartekrachtslens zou waarnemen. Dit effect is te vergelijken met bijvoorbeeld dat van de schijnbare cirkelvormige beweging die nabije sterren als Alfa Centauri maken in de loop van een jaar. Dit weerspiegelt de veranderende positie van de aarde in de loop van het jaar. Door de auteurs wordt nog een tweede mogelijkheid genoemd. Als bepaalde theorieën over donkere materie juist zijn, moet er gammastraling vrij komen als donkere materie in het zwarte gat valt. Dit kan waar worden genomen als een zwakke gammabron.
Moeten we ons zorgen maken, als blijkt dat Planeet 9 inderdaad een zwart gat is?
Nee. De omloopbaan van ‘planeet 9′ is voor zover we weten, stabiel. Een zwart gat van enkele aardmassa’s dat in de buurt van de aarde zou komen zou inderdaad een verwoestende uitwerking hebben op onze planeet, maar dat zou een ’traditionele’ superaarde of ijsreus die de aarde zo dicht nadert ook hebben, puur en alleen door het enorme zwaartekrachtsveld. Er is alleen een indirect gevaar. Banen van kometen en planetoïden in de buurt kunnen richting het binnenste deel van het zonnestelsel worden afgebogen. Inslagen van planetoïden hebben in het verleden verwoestende gevolgen gehad op de aarde. Denk aan het uitsterven van bijna alle dinosauriërs en andere groepen dieren, rond de 65 miljoen jaar geleden.
Overvloedige energie
De nabijheid van een zwart gat zou juist goed nieuws zijn (zie deze video). Niet alleen zou het spectaculaire experimenten mogelijk maken. Zwarte gaten behoren namelijk tot de efficiëntste energieomzetters die we kennen. Als materie in een spiraalvormige baan in het zwarte gat valt en we al deze energie af konden tappen, zou in dit theoretische geval zo’n 6 procent (bij een stilstaand zwart gat) tot 42% (bij een zeer snel roterend zwart gat) van de massa in pure energie omgezet kunnen worden. Ter vergelijking; kernfusie zet slechts 0,7% van de massa om in energie. Zelfs in het ongunstigste geval van 6%, zou dit een zeer overvloedige energiebron betekenen. Het netto wereldenergieverbruik ligt in 2019 rond de 115 000 TWh. In massa uitgedrukt is dit 4,6 ton, het gewicht van een olifant. Als we zes procent van massa in energie konden omzetten, zou dit slechts 77 ton massa, willekeurige massa want zwarte gaten zijn niet kieskeurig, per jaar vergen om de gehele aarde een jaar van energie te voorzien. Dit is ongeveer het gewicht van een kleine blauwe vinvis. Per jaar. Kortom: we zouden wel eens onverwacht veel plezier van een zwart gat kunnen hebben.
Geen dag gaat er voorbij of we zijn ons bewust van de tijd. Klokken, kalenders en de alomtegenwoordige smartphones herinneren ons voortdurend aan het bestaan van de tijd. Maar hoe alledaags en vertrouwd tijd ook is, we begrijpen nog steeds niet de diepere achtergronden van dit schijnbaar zo alledaagse verschijnsel.
Tijd kan je meten met bijvoorbeeld een horloge, zoals hier gefotografeerd door Isabelle Grosjean ZA , Wikimedia Commons
Het raadsel tijd
Hoewel we tijd nu nauwkeuriger kunnen meten dan ooit tevoren, tot op attoseconden nauwkeurig, blijft het nog steeds een van de raadselachtigste fenomenen in de natuurkunde. Wat is tijd precies en waarom gaat deze altijd vooruit en niet achteruit? Waarom is op kwantumniveau tijd omkeerbaar en op grotere schaal niet? Waarom is er een onlosmakelijk verband tussen ruimte, tijd en de lichtsnelheid?
Pittige raadsels, waar natuurkundigen zich nog steeds het hoofd over breken. Zullen we ooit het geheim achter het bestaan van de tijd kraken, of zal het antwoord op onze vragen voor eeuwig verborgen blijven in het domein van de metafysica?
In deze video wordt een tipje van de sluier opgelicht.
Kooldioxide is een omstreden broeikasgas en wordt vaak gedemoniseerd. Steeds vaker wordt CO2 nu benut als koolstofbron. Lost direct air capture (DAC) zowel het fossiele-brandstofprobleem als de door de mens veroorzaakte opwarming op?
Kooldioxide, een gas met twee kanten
Kooldioxide is een gevreesd broeikasgas, maar afgezien hiervan is kooldioxide een waardevol en onlosmakelijk onderdeel van het aardse ecosysteem. Vanuit plantaardig standpunt heeft de mensheid een welkom einde gemaakt aan een nijpende CO2-hongersnood. Koolstof is in levende organismen en de industrie een onmisbaar element. Koolstofatomen kunnen namelijk vier stabiele covalente bindingen aangaan, zowel met sterk elektronegatieve elementen als zuurstof, als met elektropositieve elementen. Koolstof kent van alle elementen de rijkste chemie. Koolstofketens vormen daarom de ruggengraat van vetten, van koolhydraten en zijn ook in aminozuren, de bouwstenen van eiwitten, onmisbaar.
De belangrijkste tak van chemie, organische chemie, houdt zich alleen met koolstofverbindingen bezig. Op dit moment is de voornaamste bron van koolstof aardolie. Tot op heden was aardolie, met aardgas en de lastig handelbare steenkool, het goedkoopste alternatief. Daar lijkt nu verandering in te komen. De reden: DAC.
Wat is direct air capture?
Onze atmosfeer bestaat uit 78% stikstof, 21% zuurstof en 1% argon, een edelgas. Kooldioxide maakt 0,04% van onze atmosfeer uit. Direct air capture distilleert kooldioxide uit de lucht. De traditionele, maar veel energie vergende methode is lucht samen te persen en af te koelen tot het sublimatiepunt van kooldioxide: -78 graden bij atmosferische druk. Op dit moment wordt veel onderzoek gedaan naar speciale filters en chemicaliën om hiermee selectief kooldioxide uit de lucht te filteren. De theoretisch maximale efficiency voor dit proces is 250 kilowattuur per ton gewonnen CO2. Dat is extreem veel energie: de energierekening van een gemiddeld gezin voor een seizoen, of, anders uitgedrukt: om deze 250 kWh op te wekken, komt 125 kg CO2 vrij bij grijze stroom. En we spreken hier over een theoretisch optimum: in de praktijk is meer energie nodig. Tot voor kort was dit een onoverkomelijke barrière voor DAC, maar het oprukken van goedkope zonne-energie en slimmere scheidingstechnieken maakt DAC nu interessant.[1]
Climeworks is één van de bedrijven die nu sterk inzet op CO2-winning uit de lucht. Bron: Climeworks
Wat doen we met deze CO2?
Sommige bedrijven pompen water met deze CO2 in een onderaardse CO2-absorberende laag, zoals poreus basalt, waarin de kooldioxide mineraliseert. Hiermee wordt de CO2 inderdaad effectief opgeborgen. Anderen gebruiken de CO2 als meststof voor tuinders (onder hoge CO2-concentraties stijgen de opbrengsten met 25% of meer) of voor het carboniseren van frisdrank.
Maar in feite is dit maar het begin van de mogelijkheden. In principe kan kooldioxide om worden omgezet in eenvoudige organische moleculen zoals methanol[2] of ethanol. Grafeen. Diamant. Of wellicht biochar, poederkool die de bodem beter water en voedingsstoffen vast laat houden.Hebben we eenmaal overvloedig energie, dan zijn de mogelijkheden bijna eindeloos.
Bronnen
1. M. Fasihi et al., Techno-economic assessment of CO2 direct air capture plants, Journal of Cleaner Production
Volume 224, 1 July 2019, Pages 957-980, DOI: 10.1016/j.jclepro.2019.03.086
2. Xiaowa Nie, Xiao Jiang, Haozhi Wang, Wenjia Luo, Michael J. Janik, Yonggang Chen, Xinwen Guo, Chunshan Song. Mechanistic Understanding of Alloy Effect and Water Promotion for Pd-Cu Bimetallic Catalysts in CO2 Hydrogenation to Methanol. ACS Catalysis, 2018; 8 (6): 4873 DOI: 10.1021/acscatal.7b04150
Volgens de standaard modellen is het ‘eiland van stabiliteit’ voorlopig uitgeput met de ontwikkeling van zwaardere atoomkernen, na de productie van oganesson. Maar mogelijk klopt dat niet, en is er niet een eiland, maar zelfs een heel continent van stabiele atoomkernen. Alleen bestaat deze niet uit protonen en neutronen, maar uit quark-materie, een soort quarksoep van up- en downquarks. Kan dit kloppen?
Energetisch gezien is de meest gunstige combinatie van protonen en neutronen, een ijzer- of nikkelkern. Hoe meer atoomkernen qua aantallen protonen en neutronen afwijken van ijzer of nikkel, hoe meer potentiële energie er vrij kan komen bij kernreacties. Om die reden is de zwaarste stabiele atoomkern (voor zover we weten) lood. Alle atoomkernen zwaarder dan lood vallen na verloop van tijd uit elkaar. De allerzwaarste atoomkernen die we kennen, zoals die van het vermoedelijke edelgas oganesson (atoomnummer 118), leven korter dan een seconde. Maar is dit het gehele verhaal?
Quarks
Er bestaan zes soorten quarks (plus bijbehorende antiquarks), waarvan de lichtste twee, de up- en downquarks, stabiel zijn. Quarks kunnen niet als losse deeltjes bestaan: het uit elkaar trekken van quarks kost zoveel energie dat hieruit spontaan quark-antiquarkparen (mesonen) ontstaan. Quarks vormen in drietallen protonen en neutronen. Twee upquarks plus een downquark vormen een proton, twee downquarks plus een upquark vormen een neutron. In atoomkernen vormen deze clusters van quarks stabiele deeltjes: de protonen en neutronen. Maar wat gebeurt er als de hoeveelheid kerndeeltjes maar blijft toenemen?
Quarksoep als atoomkern
Volgens een nieuwe theorie gaan protonen en neutronen dan degenereren. De ontstane atoomkern bevat geen onderscheiden kerndeeltjes meer, maar vormt een quarksoep waarin quarks random door elkaar bewegen en voortdurend gluonen uitwisselen. De wis- en natuurkundige Edward Witten voorspelde in 1984 dat er een “strange quark matter” quarksoep zou bestaan die een opmerkelijk laag energieniveau (lees: stabiliteit) zou bezitten. Hierin zouden dan niet alleen up- en downquarks, maar ook strange quarks voorkomen. Ondanks verwoede pogingen van natuurkundigen is dit SQM tot nog toe nooit aangetroffen.
In het artikel van Holdom, Ren en Zhang [1] veronderstellen de auteurs dat er ook een quarksoep bestaat die alleen uit up- en downquarks bestaat. Deze quarksoep, up down quark matter of udQM zou zelfs energetisch gunstiger zijn dan SQM.
Waar zou deze quark-materie kunnen worden aangetroffen?
De kosmos is een tumultueuze plek. Als twee neutronensterren op elkaar crashen, komen er grote hoeveelheden fragmenten vrij. Zo is de aardse goudvoorraad op deze wijze geheel afkomstig van neutronensterren[0]. Ook zwaardere deeltjes dan goudatomen kunnen op deze manier worden gevormd – denk aan uranium.
Men zou verwachten dat er dan ook grote hoeveelheden udQM ontstaan. Als udQM een continent van stabiliteit vormt, moet er nog steeds veel udQM zijn. Tot nu toe is het zwaarste (relatief) stabiele atoom dat in de natuur is aangetroffen het metaal bismuth, met atoomnummer 83. Het bewijs voor zwaardere stabiele elementen dan bismuth is, zachtjes uitgedrukt, niet overweldigend. Als udQM werkelijk bestaat, moet het massaal vrijkomen tijdens deze botsingen. Dus moet het ook in kosmische straling voorkomen – en in normale materie.
Quark-materie in massaspectrograaf?
Een voor de hand liggende methode om dit uit te zoeken is bijvoorbeeld een ijzermeteoriet in plasma te veranderen en het hete plasma door een massaspectrograaf te jagen. Hoe zwakker de lading ten opzichte van de massa van de atoomkern, hoe minder de atoomkern wordt afgebogen. Worden er atoomkernen aangetroffen met een massa van groter dan 300 protonmassa’s, dan hebben we beet. Dit zou uitermate goed nieuws zijn. We kunnen dan door fusie werkelijk onvoorstelbare hoeveelheden energie opwekken door bijvoorbeeld protonen of kleine atoomkernen te laten absorberen door de quarksoep. Ook kunnen we nieuwe, nu nog onbekende materialen ontwikkelen. Wie weet zelfs femtotechniek, nu nog pure science fiction, mogelijk maken. Tot zover de theorie. Zonder hard observationeel bewijs blijf ik sceptisch. Het is onaannemelijk dat een dergelijke substantie meer dan honderd jaar lang onopgemerkt is gebleven, al zijn verrassingen niet uit te sluiten.
Bestaan
Ren en Zhang hebben ondertussen niet stilgezeten. Ze vonden een nieuw mogelijk domein voor udSM: namelijk het binnenste van zware neutronensterren. In hun model is er een fase-overgang ergens tussen de massa van tussen echte neutronensterren, met een massa lager dan 1,4 zonsmassa’s, en quarksterren, met een massa groter dan 2 zonsmassa’s. [2] De eerste groep bestaat dan uit neutronen, de tweede groep uit up-down quarkmaterie. Uiteraard ligt het ver voorbij onze mogelijkheden nu om het binnenste van neutronensteren waar te nemen, maar we kunnen aan het gedrag van neutronensterren wel het een en ander afleiden. Zo blijken de straal en rotatiesnelheid in neutronensterren soms 20% af te kunnen wijken. Quarkmaterie is een stuk dichter dan neutronium. De ineenstorting van neutronensterren tot quarksterren zou ze flink laat krimpen. En dus sneller laten rondtollen, vanwege het behoud van draai-moment.
Giant glitches door vorming quark-materie?
Deze faseovergang tussen neutronium en udQM zou de “giant glitches”kunnen verklaren, waarbij neutronensterren plotseling tot bijna 2% sneller gaan draaien. [2] De huidige verklaring, waarbij het iets minder dichte oppervlak van neutronensterren een rol speelt, deugt niet, zoals al door meerdere auteurs vastgesteld [3]. Een fase-overgang, waarbij de neutronenster veel kleiner wordt, geeft dan weer wel een goede verklaring voor de versnelling.
Dit zou inderdaad de kans op het vinden van extreem zware atoomkernen veel groter maken. Want bij dezelfde botsing die goud produceert, zou dan ook quarkmaterie worden gevormd. Gesteld, uiteraard, dat deze materie stabiel blijft buiten een neutronenster. Dat laatste is nog de vraag.
Overbevolking? Onzin, tenminste als we ruimtevaart voortvarend aanpakken. In het zonnestelsel is er voldoende materiaal voor het aanmaken van biljoenen malen de aardoppervlakte. Hoe? Door langzaam roterende O’Neill cilinders te maken.
Op aarde gebruiken we in het dagelijkse leven alleen maar de eerste meters van de aardkorst. De rest heeft voor ons maar één functie: zwaartekracht opwekken. Wat, als we die zwaartekracht op een andere manier kunnen opwekken? Dat kan: namelijk door de middelpuntvliedende pseudokracht, zoals aan de binnenkant van een ronddraaiende cilinder. Een cilinder met twee kilometer doorsnede moet bijvoorbeeld één maal per minuut roteren om een aardachtige “zwaartekracht” op te wekken.
Professor Gerard O’Neill werkte het idee van roterende ruimtekolonies verder uit en berekende, dat een cilinder van staal maximaal vier kilometer in diameter en dertig kilometer in lengte kan zijn. (Hier een artikel voor leken) Er ontstaat zo een “ruimte-eiland” met vierhonderd vierkante kilometer leefruimte, ongeveer de oppervlakte van Malta, Singapore, Texel of Andorra. Met koolstofnanovezels kunnen zelfs veel grotere ruimtekolonies met de grootte van een klein continent worden gebouwd. In deze video een grondige behandeling van het fenomeen O’Neill cilinders, zoals we die van Isaac Arthur gewend zijn.
De meest geschikte locaties voor O’Neill cilinders zijn de twee Lagrangepunten die tussen de aarde en de maan liggen: L4 en L5. Het kost daar geen energie om op dezelfde plek te blijven hangen. Deze vormen ook een ideale opstapplek voor vrachtverkeer richting de asteroïdengordel. Worden deze Lagrangepunten straks de overslagkades van het zonnestelsel?
