elektromagnetisme – Visionair

‘Massaloze EM-Drive maakt bemande reis naar Pluto mogelijk’ – update

8 reacties / Ideeën, natuurkunde, Techniek, Visionaire projecten, Visionaire vragen, Wetenschap / Door Germen Roding / 5 november 2015 6 november 2015

De omstreden EM-Drive belooft een einde aan de gevaarlijke en dure chemische raketten. En hij werkt, zegt nu een tweede, onafhankelijk onderzoeksteam. Met een slag om de arm. Kunnen we nu eindelijk de mens naar verre bestemmingen zoals Pluto sturen?

Het probleem met raketten
In de ruimte is er geen lucht, of een oppervlak om je tegen af te zetten. De enige praktische methode om vooruit te komen is daarom om je af te zetten tegen iets dat je meebrengt: raketbrandstof. Door deze brandstof weg te stuwen, vliegt de raket de andere kant op. (Er zijn andere in principe werkende methoden, zoals zonnezeilen en je afzetten tegen de zonnewind of magnetische veld, maar deze zijn nu nog in het experimentele stadium).

Raketten die een lading tot buiten het zwaartekrachtsveld van de aarde moeten brengen, kunnen maar een paar procent nuttige lading meenemen. De rest van de raket bestaat uit raketbrandstof, plus het omhulsel. Het grootste deel van deze brandstof wordt gebruikt om de andere brandstof omhoog te slepen.

EM Drive als oplossing?
Als je elektromagnetische straling (bijvoorbeeld licht of radiostraling) in tegengestelde richting schijnt, kan je ook je raket wegduwen. Die druk is alleen gewoonlijk miniem. Dat komt door de lichtsnelheid c in de noemer, een enorm groot getal: met bijvoorbeeld een energieflux E_f van 1000 watt vermogen, denk: grote magnetron, wek je slechts

[latex]P_{reflect} = \frac{2E_f}{c} \cos^2 \alpha[/latex]

(onder een rechte hoek Î±=0, dus (cos 0)²=1)

dus 2 * 1000 / 300 000 000 * 1 = rond de 1,5 miljoenste newton stuwkracht op. Nog niet voldoende om een zandkorrel mee in de lucht te houden. Niet echt praktisch dus. Ter vergelijking: met diezelfde 1000 watt kan je een elektrische fiets 80 km per uur laten rijden, of een gemiddelde volwassen man stil laten hangen in de lucht.

Een uitvinder, de verder goed aangeschreven Britse lucht- en ruimtevaartingenieur Roger Shawyer, denkt een uitweg te hebben gevonden.
De uitvinder beweert dat zijn EM Drive veel beter kan dan dit, omdat hij gebruik maakt van vacuümvoortstuwing. Het vacuüm is volgens de kwantummechanica niet werkelijk leeg, maar gevuld met zeer kort levende ‘spookdeeltjes’. De EM Drive zou zich hiertegen afzetten.

Volgens schattingen van NASA kan een verbeterde versie van de EM Drive Pluto in 18 maanden bereiken, of Mars in twee maanden.

Zeer omstreden
Deze verklaring is zeer omstreden (al blijkt het vacuüm rondtollende stofjes wel degelijk langzaam af te kunnen remmen). Volgens mainstream fysici, zoals natuurkundige en science fictionschrijver Greg Egan en wiskundig fysicus John Baez gaat het hier om een motor, die zich (als hij zou werken) impuls levert uit het niets, met andere woorden: de zo ongeveer heiligste natuurkundige wet, de wet van behoud van impuls, met voeten treedt.

Persoonlijk denk ik dat beide heren, en Motl, hier te stellig zijn. Er kan wel degelijk impuls door ruimtetijd geleverd worden: denk bijvoorbeeld aan zwaartekrachtsgolven, het (nog niet aangetoonde, wel voorspelde) Unruh effect en de eerder beschreven vacuümafremming van stofjes.

Elektromagnetische velden polariseren de virtuele deeltjesparen in het vacuüm. Mogelijk vindt er toch impulsoverdracht tussen deze velden en de gepolariseerde deeltjesparen plaats. Of gedragen die gepolariseerde virtuele deeltjesparen zich als een Bose-Einstein condensaat, dat in ieder geval in atomaire materie de lichtsnelheid c sterk terug kan brengen. Daardoor zou het rekensommetje boven een honderden keren zo grote uitkomst krijgen. Deze mogelijkheden moeten nagetrokken worden. Dit zou werkelijk een wereld aan mogelijkheden openen. Zou je vacuüm net als een vloeistof kunnen manipuleren, dan kan je antizwaartekracht opwekken en de tijd vertragen.

Werkzaamheid in drie experimenten aangetoond
In drie onafhankelijke experimenten is nu de werkzaamheid van de EM Drive aangetoond, althans: is een voortstuwing gemeten die veel groter is dan de minieme voortstuwing die de stralingsdruk kan leveren. Shawyer zelf claimde dat zijn EM Drive inderdaad meetbare stuwing produceerde. Een Chinees team bereikte vergelijkbare resultaten. Dat is duizenden malen meer dan alleen stralingsdruk. Een team van NASA produceerde met een veredelde magnetron een vergelijkbare stuwing van honderdsten newton. Omdat zowel de Chinezen als de NASA-techneuten ingenieurs zijn, geen natuurkundigen, namen veel natuurkundigen deze resultaten weinig serieus. Ze zullen wel een fout in de opstelling hebben gemaakt, is de gedachte.

Dat wordt veel moeilijker met het derde onderzoek. Een team onder leiding van de Oostenrijkse professor ruimtevaarttechniek en natuurkundige Martin Tajmar mat de impuls ook[1]. Tajmar heeft in zijn proefopstelling er werkelijk alles aan gedaan om andere verklaringen dan vacuümstuwing uit te sluiten. Toch zijn er nog enkele loopholes, al sloot Tajmar er meerdere. Tajmar blijft voorzichtig en noemt de afstotingskracht door de verbindingskabels waar de stroom doorheen vloeit een mogelijke verklaring. Toch vindt ook hij de resultaten interessant genoeg om er vervolgonderzoek naar te doen.

Zou de theorie kloppen, dan kunnen er enkele geliefde natuurkundige dogma’s over het vacuüm naar de schroothoop.

Een kleine prijs om te betalen, als daarmee het zonnestelsel voor ons openligt, zoals het team van NASA terecht opmerkte.

UPDATE: NASA vindt opnieuw anomale stuwkracht
In een vervolgtest van de EM Drive hebben NASA-medewerkers die aan het project werken, weer enkele zwakke punten gecorrigeerd in de testopstelling, meldde Paul March, een van de medewerkers, op een forum. Zo veronderstelden enkele natuurkundigen in een nog niet gepubliceerd artikel, dat de gemeten voortstuwing in feite een Lorentzkracht is. Dat is een kracht die ontstaat als een elektrische stroom door een magnetisch veld stroomt (in dit geval: het magnetische veld van de aarde). Dat lijkt met de nieuwe testopstelling uitgesloten te zijn.

Bron
1. M. Tajmar en G.Fiedler, Direct Thrust Measurements of an EMDrive and Evaluation of Possible Side-Effects, 51ST AIAA/SAE/ASEE JOINT PROPULSION CONFERENCE, 2015 (paywall); gratis versie

Artist impression van Majorana-anapolen.

Anapole donkere materie: heeft donkere materie een onzichtbaarheidsmantel?

3 reacties / natuurkunde, Techniek, Universum, Wetenschap, Zonnestelsel / Door Germen Roding / 29 augustus 2015 29 augustus 2015

Vijfzesde van de materie in het heelal bestaan uit materie die we niet waar kunnen nemen, anders dan door zwaartekracht. Natuurkundigen over de hele wereld pijnigen zich de hersenen over de aard van deze materie. Een nieuw, eenvoudig maar krachtig idee wordt de laatste jaren steeds populairder. Zou donkere materie zich vermommen door anapole elektromagnetische velden die elkaar cancelen?

Anapool (boven), elektrische dipool en magnetische dipool (onder).

Anapolen: onzichtbare velden
Eerst een lesje Grieks. Een magneet heeft een noord- en zuidpool, twee polen dus en heet daarom een dipool. Een elektrische lading kan wel los voorkomen en vormt een enkele pool, een monopool. Uiteraard kan van een positieve lading, gescheiden van een negatieve lading, ook een dipool gemaakt worden. Er bestaan ook elektromagnetische velden met vier polen (quadrupolen) en acht polen (octapolen). Anapolen (zonder pool) kennen geen enkele pool. Een anapool veld is van buiten onzichtbaar. Een elektromagnetische onzichtbaarheidsmantel dus. Wat, als donkere-materiedeeltjes door zo’n anapool veld omgeven worden en daarom onzichtbaar zijn? Dit zou verklaren, waarom ze niet waar te nemen zijn.

Majoranadeeltjes
De op mysterieuze wijze in 1934 verdwenen Italiaanse natuurkundige Ettore Majorana veronderstelde dat er fermionische deeltjes bestaan, die hun eigen antideeltjes zijn. Deeltjes met deze eigenschap staan bekend als Majoranadeeltjes. Majoranadeeltjes zijn een aantrekkelijke kandidaat voor donkere materie, omdat ze alleen met elkaar reageren. Tot nu toe zijn er nog geen Majoranadeeltjes gevonden, alleen quasideeltjes met Majorana-eigenschappen. Fotonen zijn hun eigen antideeltjes en kunnen elkaar annihileren, maar dit zijn bosonen, geen fermionen.

Hoe zien anapolen er uit?
Magnetische anapolen zijn oorspronkelijk in 1958 voorgesteld door de briljante Sovjetnatuurkundige Yakov Zelâ€™dovich. In 1977 aangetoond in de atoomkernen van cesium-133 and ytterbium-174. In deze oplossing lopen de magnetische veldlijnen in een ring. De elektrische veldlijnen omcirkelen deze ring als hoepels, zie de bovenste afbeelding in het diagram. Je kan zien dat er geen enkele veldlijn ontsnapt uit deze structuur. De reden dat anapolen vrijwel onmogelijk waar te nemen zijn.

Anapolen enige toegestane veld rond Majoranadeeltjes
In een artikel analyseerden de natuurkundigen Robert Scherrer en Chiu Man Ho, die voor Vanderbilt University werken, welke vormen van elektromagnetische velden rond Majoranadeeltjes zijn toegestaan volgens de kwantummechanica. [2] Naar bleek, kunnen alleen anapolen rond Majoranadeeltjes voorkomen.

Hoe sneller, hoe meer wisselwerking
Hoe sneller anapolen bewegen, hoe sterker ze wisselwerken. Bij het ontstaan van het universum zou dan veel donkere materie deze wisselwerking hebben vertoond. Nu is door de veel lagere snelheden wisselwerking zeldzaam, waardoor de donkere materie rond zou blijven kolken.

Zou dit de verklaring voor donkere materie kunnen vormen?
Deze theorie is een erg elegant stukje natuurkunde. Er hoeft geen nieuwe natuurkracht te worden verzonnen, een beroep op de oude, vertrouwde elektromagnetische kracht is voldoende. Twee netelige problemen: de net als hun bedenker al een kleine eeuw vermiste Majoranadeeltjes en een ontbrekende verklaring voor de donkere materie worden in één klap opgelost. Scherrer en Ho tonen ook overtuigend aan, dat alleen een anapool veld rond een Majorana-fermion voor kan komen. Met andere woorden: bestaat het Majorana-fermion, dan moet het een anapool veld hebben, dus vrijwel onwaarneembaar zijn.

Het enige wat ontbreekt aan deze theorie is de detectie van het Majorana-fermion. Door deze duidelijke wiskundige omschrijving is het opzetten van een goed experiment om het deeltje aan te tonen of juist uit te sluiten, wel een stuk eenvoudiger geworden.

Anapolen als onzichtbaarheidsmantel en energieopslag
Zou je in staat zijn zelf grote anapolen te maken, dan zou je hierin energie op kunnen slaan. Ook zou je structuren ‘onzichtbaar’ kunnen maken. Dit laatste is precies wat een groepje Australiërs aan de Australian National University heeft gedaan. [4] Door de ladingen hierbinnen zo te verdelen dat zich een anapool vormde, slaagden de onderzoekers er in, schijfjes silicium op nanoschaal onzichtbaar te maken. Kortom: er zou wel eens een hoorn des overvloeds aan nieuwe technologie en mogelijkheden uit dit principe kunnen vloeien. [5]

Bronnen
1. Chiu Man Ho en Robert J. Scherrer, Anapole dark matter, Phys. Rev. Letters B, 2013
2. Boudjema, F.; Hamzaoui, C.; Rahal, V.; Ren, H. C., Electromagnetic properties of generalized Majorana particles (1989), Phys. Rev. Lett. 62 (8): 852â€“854,doi:10.1103/PhysRevLett.62.852
3. New, simple theory may explain mysterious dark matter, Vanderbilt University News, 2013
4. Andrey E. Miroshnichenko et al., Nonradiating anapole modes in dielectric nanoparticles. Nature Communications, 2015; 6: 8069 DOI:10.1038/ncomms9069
5. New Theory to lead to radiationless revolution, ANU Newsroom, 2015

Het 'Active Denial System' gemonteerd op een Humvee. Bron: Wikimedia Commons

Pijnstraal klaar voor gebruik

17 reacties / Analyses, Ideeën en techniek, Maatschappij, Techniek / Door Germen Roding / 23 mei 2013 23 mei 2013

Effectiever dan traangas of tasers, maar met minder bijwerkingen. Geen wonder dat er door het Amerikaanse leger veel onderzoek is gedaan naar de ‘pain ray’, codenaam Active Denial. Hoe werkt het systeem en welke maatregelen kunnen demonstranten nemen om dit wapen te stoppen?

De zoektocht naar niet-dodelijke wapens
In de loop der eeuwen zijn steeds dodelijker wapens ontwikkeld. De vuistbijl en pijl en boog uit de prehistorie hebben ondertussen gezelschap gekregen van de kernbom, zenuwgas en robotdrones. Het probleem met deze wapens is dat ze hun slachtoffers niet uitschakelen, maar doden. Als deze wapens in worden gezet om bijvoorbeeld een betoging te verspreiden, dan levert dit een enorme public relations nachtmerrie op. Het creëren van martelaren is een trefzekere methode om de situatie nog verder uit de hand te laten lopen.

Toch moet het gepeupel worden getoond wie er de baas is. Als demonstraties maar door blijven gaan, tast dit het gezag van de autoriteiten ernstig aan en dat kan natuurlijk niet. Geen wonder dus dat er bij de politiek veel behoefte bestaat aan niet-dodelijke manieren om een vervelende menigte te verspreiden. Bekende methodes die nu worden gebruikt zijn traangas en waterkanonnen, aangevuld met rubber kogels. Nadeel van deze methoden is dat er de nodige kans is op ongelukken (dus martelaren). Als de wind draait, waait het traangas richting de gebruikers.

Hoe werkt de ‘pain ray’?
Het ideale niet-dodelijke wapen is in staat om het slachtoffer uit te schakelen zonder dat deze hier blijvende schade van ondervindt. De ‘pain ray’, officieel Active Denial System geheten, komt hier dicht in de buurt. Het wapen wekt microgolfstraling op met een golflengte van 3,2 millimeter. Dit is kortgolvig genoeg om door kleding heen te dringen, maar verder dan de huid komt deze straling niet, omdat water de straling absorbeert. Dit maakt het erg geschikt om door kleding heen te dringen en de slachtoffers een brandende sensatie te bezorgen. De pijnreceptoren (nociceptoren) van de huid liggen nog binnen de zone van 0,4 mm diepte, waar de straling nog in doordringt. Na enkele seconden loopt de temperatuur in deze zone op tot 44 graden, wat het slachtoffer een gevoel geeft alsof brandend hete ovenlucht over de huid strijkt. Geen enkele proefpersoon bleek in staat langer dan vijf seconden de pijnstraal te weerstaan. Kortom: het ideale middel om een menigte oproerkraaiers uiteen te jagen. Defensiegigant Raytheon is dan ook druk bezig om een afgezwakte, draagbare versie te ontwikkelen, die aan gevangenissen en bevriende naties – lees: oliedictaturen e.d. – kan worden verkocht om de bevolking mee in het gareel te houden.

Hoe kan je je verdedigen tegen de pain ray?
Zoals alle elektromagnetische straling met golflengtes groter dan die van ultraviolet, beschermt een Kooi van Faraday met mazen die kleiner zijn dan de golflengte goed. De kleinst denkbare mazen zijn uiteraard de ruimtes tussen atomen, waardoor aluminium folie een goede beascherming geeft tegen de pain ray. Aluhoedjes zullen dus spoedig gezelschap krijgen van met aluminium folie afgeschermde kleding. Wel blijft het gezicht een zwak punt – wetgeving verbiedt het om het gezicht af te schermen. Wellicht kunnen borden of spandoeken met aluminiumfolie worden bekleed. Ook water, bijvoorbeeld in de vorm van nevel of regen, biedt bescherming. Dit zal de straling verminderen tot een warme sensatie – uiteraard niet de bedoeling van de ordehandhavers. Al te bang voor de pain ray hoeven we dus niet te zijn, tenzij deze wordt ingezet tegen spontaan ontstane menigtes. Ook zal er vermoedelijk wetgeving komen die gebruik van metaalhoudende folie verbiedt – vermoedelijk met een beroep op bescherming tegen terrorisme.

Bronnen
1. Wikipedia
2. Run away the ray-gun is coming : We test US army’s new secret weapon, Daily Mail (UK) 2007
3. Pain ray: The US military’s new agony beam weapon, New Scientist, 2013

Artist impression van een foton. Bestaan er nog meer soorten fotonen dan de tot nu toe bekende soort?

‘Exotische fotonen verantwoordelijk voor steeds snellere uitzetting heelal’

2 reacties / Wetenschap / Door Germen Roding / 6 juni 2012 6 juni 2012

Sinds begin negentiger jaren van vorige eeuw ontdekt werd dat sterrenstelsels zich steeds sneller van ons verwijderen, zitten kosmologen met de handen in het haar. Wat levert de enorme energie ie nodig is om de zwaartekracht te overwinnen? Volgens een nieuwe theorie: magnetisme. Om precies te zijn: twee bizarre typen fotonen die volgens Maxwell’s vier vergelijkingen kunnen bestaan, maar in de klassieke natuurkunde onmogelijk zijn en nog nooit waargenomen zijn…

Hardnekkig raadsel
Waar kosmologen vroeger nog geloofden dat ons heelal door de zwaartekracht weer ineen zal storten, weten we nu aan de hand van waarnemingen dat het heelal steeds sneller aan het uitzetten is. Over tientallen miljarden jaren zien onze verre nazaten alleen de Melkweg, dan samengesmolten met het Andromedastelsel, en de andere stelsels van onze lokale Virgo-supercluster. De rest van het heelal raast dan met moordend tempo, schijnbaar hoger dan de lichtsnelheid, van ons weg weg. De populairste verklaring benut Einsteins ooit verfoeide kosmologische constante, lambda. Deze constante levert ongeveer een halve joule energie per kubieke kilometer. Deze constante, donkere energie gedoopt, is wiskundig handig, maar biedt geen fysische verklaring. Nog erger: de mechanismes die zijn voorgesteld leverden respectievelijk 120 ordes van grootte te hoge waarden (waardoor het heelal onmiddellijk zou instorten tot een zwart gat) of en waarde nul. Sommigen denken aan een afstotende werking van lege ruimte, anderen aan veranderingen in de zwaartekrachtswetten op zeer grote schaal. Elke theorie heeft ernstige nadelen. Twee kosmologen hebben echter een interessant alternatief gevonden. Hierbij maken ze gebruik van een bizarre, tot nu toe massaal genegeerde oplossing van het stelsel van de vier differentiaalvergelijkingen van Maxwell.

Bizarre fotonen
We kennen allemaal de huis- tuin- en keukenvariant van licht. Lichtdeeltjes (fotonen) bestaan uit een trillend elektrisch veld, dat weer een magnetisch veld opwekt, dat weer een (nu tegengesteld) elektrisch veld opwekt etc.

Toen kosmologen BeltrÃ¡n en Maroto probeerden de donkere energie te verklaren door met de vergelijkingen te spelen ie de virtuele deeltjes in vacuüm beschreven, ontdekten ze iets opvallends. De vergelijkingen leken sprekend op die van elektromagnetisme. Om precies te zijn, op die van de verreweg nauwkeurigste fysische theorie ooit: quantum elektrodynamica (QED). QED heeft een geheimzinnige eigenschap waar natuurkundigen gewoonlijk met een grote boog omheen lopen omdat ze nog nooit zijn waargenomen. QED voorspelt namelijk dat er naast ‘normale’ fotonen, ook twee bizarre fotonen voorkomen die rechtstreeks uit en science fiction boek lijken te komen. In de eerste soort wijst het elektrische veld in de richting van het foton, in plaats van een rechte hoek te maken (zoals met normale fotonen). Dit foton, de longitudinale modus, lijkt dus veel op een soort drukgolf, zoals geluidsgolven of (!) zwaartekrachtsgolven.

De tweede soort, de temporale modus, kent geen magnetisch veld, omdat het niet verandert in de tijd. Het is een golf van pure elektrische potentiaal, een voltage. Er is alleen een probleem met deze fotonen. Ze zijn nog nooit waargenomen. Dus bedachten natuurkundigen een manier om ze te verstoppen. Deze truc heet de Lorenz-ijk. Ze bestaan wel, maar heffen elkaar altijd exact op. In de theorie van BeltrÃ¡n en Maroto ontbrak deze Lorenz-ijk. De vreemde golven die gewoonlijk worden verboden door de Lorenz-ijk, kwamen even tot leven als virtuele golven in het vacuüm. Tijdens de inflatiefase van het heelal (een extreem snelle uitzetting in een fractie van een seconde) werden deze kwantumfluctuaties enorm sterk vergroot. Dit veroorzaakte uiteindelijk de dichtheidsverschillen die leidden tot de vorming van melkwegstelsels, aldus de theorie. Zou dit ook gebeurd kunnen zijn met de gewoonlijk ‘verboden’ golven? Dit biedt in ieder geval een verklaring voor de raadselachtige magneetvelden tussen melkwegstelsels die uit het niets lijken te komen. De temporele modi worden zo uitgerekt dat ze niet meer als golven herkenbaar zijn. Hun energie blijft echter. Donkere energie?

Donker magnetisme
BeltrÃ¡n en Maroto noemen hun idee donker magnetisme. Zeer opmerkelijk: met hun theorie kan ook een waarde voor de ‘kosmologische constante’ gekozen worden die binnen factor tien van de gemeten waarde ligt. Kort na het ontstaan van het heelal vormden de elektromagnetische kracht en de zwakke kernkracht één elektrozwakke kracht. Het uiteenvallen van deze kracht als gevolg van het dalen van de temperatuur (de elektrozwakke transitie) zou dan de inflatie op gang gebracht kunnen hebben. Als dit inderdaad klopt, zo volgt uit de berekeningen van BeltrÃ¡n and Maroto, dan ontstaan temporele modi met een energiedichtheid die dicht bij die van donkere energie ligt. Een enorme verbetering vergeleken met de 120 nullen van voorheen, ook wel de slechtste natuurkundige voorspelling ooit gedoopt.

Extreem sterk zwaartekrachtsveld
Temporele en longitudinale modi kunnen alleen worden opgewekt door een extreem sterk zwaartekrachtsveld, zoals dat rond een zwart gat of het afstotende veld in het inflatietijperk. Dit is ook de reden volgens beide auteurs dat er geen afwijkingen in kwantumelektrodynamica zijn aangetroffen en de theorie extreem nauwkeurig is. We kunnen deze extreem sterke zwaartekrachtvelden niet opwekken in een lab. Wat we wel kunnen is (via de Planck satelliet van de Europese ruimtevaartorganisatie ESA) sporen ontdekken van de polarisatie van de microgolven van kosmische achtergrondstraling, die ons meer kan vertellen over de timing en verloop van de inflatiefase. Vond de inflatie plaats voordat de elektrozwakke kracht uiteenviel, dan is hiermee aangetoond dat de donkere magnetisme theorie niet klopt.

Er zijn nog andere methoden om aan extra bewijs te komen. In de verre toekomst zullen er radiotelescopen op honderden miljoenen kilometers afstand van elkaar over het zonnestelsel verspreid zijn. Voldoende ver van elkaar om de extreem grote longitudinale modi waar te nemen. Als inflatie optrad voor de splitsing van de elektromagnetische en zwakke kracht, zouden deze longitudinale golven veel kleiner zijn en ook waarneembaar door een kleinere radiotelescoop, zoals de Square Kilometre Array, over enkele jaren voltooid. Klopt de theorie dat deze exotische fotonen door extreme zwaartekrachtvelden worden opgewekt, dan zijn ook zwarte gaten een bron van golven. Wel zullen deze bijna onzichtbaar zwak zijn. BeltrÃ¡n and Maroto zijn nu aan het rekenen om tot een toetsbare voorspelling te komen.

Heelal onder hoogspanning
Deze uitrekking van de temporale golven heeft nog een bizar effect. Ons heelal blijkt als het gevolg van de uitzetting onder hoogspanning te staan. Beide kosmologen berekenden dat als hun theorie klopt, ons heelal een spanning kent rond de 10²⁷ ( 1 000 000 000 000 000 000 000 000 000) volt. Ter vergelijking: de hoogste spanning ooit bereikt in een lab zijn enkele tientallen miljoenen volt, een bliksemflits vindt plaatsover een miljard volt. Deze spanning is zo hoog dat zelfs ruimtetijd uit elkaar getrokken wordt, dus als de theorie klopt en als ons heelal met een ander heelal in aanraking komt, zal een allesvernietigende bliksemflits weinig overlaten van ons heelal. Wel komt er dan zoveel energie vrij dat hieruit veel nieuwe materie geschapen wordt. En, wie weet, een nieuw leefbaar heelal ontstaat…

Bron
Jose Beltran Jimenez en Antonio L. Maroto, The Dark Magnetism of the Universe, ArXiv preprint server (2011)

De accretieschijf rond de pulsar in de Krabnevel is duidelijk te zien.

‘Pulsar is gigantische permanente magneet’

3 reacties / Universum, Wetenschap / Door Germen Roding / 21 november 2011 21 november 2011

Verschillende onopgeloste problemen worden in één klap opgelost door aan te nemen dat pulsars, ingestorte sterren met een extreem sterk magneetveld, nog meer bizar zijn dan we tot nu toe dachten.

Kubieke meter magneetveld bevat meer energie dan de mensheid ooit heeft geproduceerd
Pulsars zijn ronddraaiende neutronensterren – de resten van zware ‘uitgebrande’ sterren die voornamelijk uit dicht opeengepakte neutronen staan. In een bol van twintig tot dertig kilometer diameter bevindt zich meerdere malen de complete massa van een ster als de zon. We kunnen pulsars waarnemen door hun extreem snelle draaiing en zeer sterke magnetische velden. Per kubieke meter bevat dit magneetveld meer energie dan de mensheid in zijn hele geschiedenis heeft opgewekt. Dit magneetveld heeft een andere richting dan de draairichting van de ster, waardoor voortdurend een bundel radio- of rÃ¶ntgenstraling afkomstig van een van de magnetische polen, over de aarde zwiept. Althans: bij de pulsars die we waar kunnen nemen.

Bestaande theorieën verklaren niet waarom neutronenster zo een sterk magnetisch veld heeft
Wat uiteraard de vraag openlaat: waar komt dat extreem sterke magneetveld van een biljoen tesla vandaan? Om een indruk te geven: dat is vele miljarden maal zo sterk als zelfs het allersterkste magneetveld ooit door de mens opgewekt. Tot nu toe werd gedacht dat het werd opgewekt door stromende geladen deeltjes als gevolg van de extreem snelle rotatie van de pulsar. Deze geladen deeltjes moeten zich gedragen als een supervloeistof en dus zonder weerstand stromen. Er is alleen een probleem met deze theorie: uiteindelijk gaat een dergelijke stroom zich gelijkrichten met de rotatie. De magnetische polen vallen dan samen met de echte polen en dan blijft de zwiepende bundel voor altijd stilstaan. Zoals we weten is dat onzin. Ook zijn supergeleidende stromen zeer onstabiel terwijl pulsars juist extreem nauwkeurig zijn. Een andere theorie is dat het magnetische veld van de ster wordt geconcentreerd in de zeer kleine neutronenster. Ook dit wekt problemen op: de sterkste pulsars hebben een veld van een biljoen tesla, veel meer dan dit proces kan verklaren. Ook verdwijnt het grootste deel van het magnetische veld met de enorme sterontploffing die de pulsar vormt.

Permanente neutromagneten
Twee Zweedse fysici, Johan Hansson en Anna Ponga van de technische universiteit van LuleÃ¥, hebben een slimme uitweg uit dit heikele probleem gevonden. Magneetvelden worden gevormd door stromende elektrische ladingen, maar ook door natuurlijke magneetjes, zoals ijzeratomen in een staafmagneet, op één lijn te krijgen. Dit is volgens het tweetal precies wat er in neutronensterren gebeurt. Als een neutronenster zich vormt, worden neutronen – elk een minuscuul magneetje – gelijkgericht omdat dat de toestand van minste energie is. Als de neutronen eenmaal een bepaalde configuratie hebben gekregen, blijft het magnetische veld ook in stand. Elke afwijking betekent energieverlies. Dit maakt neutronensterren gigantische permanente magneten: neutromagneten.

Neutromagneet versterkt zichzelf
Een neutromagneet is erg stabiel, net als een ferromagneet (vrijwel alle permanente magneten die we kennen). Het veld zal zich richten naar het oorspronkelijke, veel zwakkere, magnetische veld van de ster. Dit veld wordt hierdoor extreem versterkt, ongeveer zoals ijzer in een spoel het opgewekte magneetveld enorm versterkt. Heel interessant is dat dit niet in dezelfde richting hoeft als de draaias. In grote lijnen hebben neutronensterren een vergelijkbare massa – ze vormen een vrij nauwe overgang tussen witte-dwergsterren en zwarte gaten. Om die reden konden Hansson and Ponga berekenen wat de maximum veldsterkte is van de velden die ze kunnen genereren. Deze maximumsterkte blijkt rond de biljoen tesla te liggen, precies de al genoemde maximale waargenomen sterkte. Dit lost verschillende van de openstaande puzzels in neutronensterfysica in één klap op.

De theorie is ook eenvoudig uit te testen, wat het een goede, bona fide wetenschappelijke theorie maakt. Volgens de theorie kunnen neutronensterren geen magnetisch veld hebben dat sterker is dan 10¹² tesla. Vinden astronomen een sterker magneetveld, dan is hiermee de theorie onmiddellijk verworpen.

Gooit Pauliverbod roet in het eten?
De theorie is niet onomstreden. Zo is het de vraag of het Pauliverbod, een kwantummechanische regel die het verbiedt dat twee fermionen (deeltjes met een oneven spin, zoals onder meer elektronen, protonen en neutronen) zich in dezelfde faseruimte met dezelfde eigenschappen bevinden, dit niet verbiedt. Immers: twee neutronen die precies dezelfde richting op staan, zijn volledig identiek. Hansson en Ponga wijzen echter op laboratoriumexperimenten die een aanwijzing lijken te geven dat kernspins zich in dezelfde richting kunnen richten. Ze denken dat dicht opeengepakte neutronen wel eens andere kwantumgetallen zouden kunnen hebben dan materie zoals wij die kennen. Ze noemen een isotopische tripletstaat als voorbeeld van een kwantumconfiguratie die gelijkrichting wel toestaat. Meer in het algemeen: neutronensterren vormen volgens hen een extreme staat van de materie die we niet in het lab na kunnen bootsen en die heel goed onbekende eigenschappen kan vertonen. Het zou niet de eerste keer zijn dat de natuur ons voor verrassingen stelt.

Verandert de snelle rotatie de kwantumeigenschappen van deeltjes?
Dan is er wellicht nog een mogelijkheid, niet in het artikel genoemd. Er is door astronomen eerder vastgesteld dat er onder een bepaalde rotatiesnelheid (de langzaamste pulsar roteert elke 8,6 seconden) geen pulsars meer voorkomen. Klaarblijkelijk schakelt het stilvallen van de rotatie pulsars uit. Logisch, zegt de bestaande theorie, immers deze rotatie wekt net als bij de aarde het magnetische veld op dus als deze verdwijnt, verdwijnt ook het veld. De nieuwe theorie verklaart dit verschijnsel niet. Maar zou het niet zo kunnen zijn dan de hoge rotatiesnelheid extra vrijheidsgraden aan de neutronen geeft (of bosonische, magnetische quasideeltjes in de supervloeistof vormt) die, als de pulsar stilvalt, wegvallen en zo het Pauliverbod in werking doen treden? En daarmee het magneetveld uitschakelen?

Kortom: een controversiële theorie van beide fysici, maar zeer elegant. Waard om verder onderzoek naar te doen.

Bron:
Hansson en Ponga, Pulsars: Cosmic Permanent ‘Neutromagnets’?, ArXiv (2011)

Het vacuüm metamateriaal gedraagt zich als een hyperbool. Licht kan hierdoor gevangen gehouden worden of op exotische wijze afgebogen.

‘Extreem sterk magnetisch veld verandert vacuüm in een supergeleidende superlens’

4 reacties / Universum, Wetenschap / Door Germen Roding / 16 augustus 2011 16 augustus 2011

De extreme magnetische velden vlak na de Big Bang moeten het Niets uit elkaar getrokken hebben. Hierbij vormde zich tijdelijk een supergeleidend, exotisch metamateriaal met heel vreemde optische eigenschappen. Zouden we hier sporen van kunnen ontdekken in de kosmische achtergrondstraling?

Dat het vacuüm niet zo leeg is als het lijkt weten fysici al heel lang. Ze hebben aangetoond dat uit de fundamentele kwantumonzekerheid volgt dat er geen absolute leegte bestaat. Bestond die namelijk wel, dan was het van een gebiedje absoluut zeker dat dit energie nul had. Het gevolg: dit is niet zeker, dus verschijnen en verdwijnen virtuele deeltjes voortdurend. Soms kunnen deze virtuele deeltjes reëel worden. In de praktijk gebeurt dat als door een of ander proces, een extreem sterk veld bijvoorbeeld, de virtuele deeltjes genoeg energie krijgen om ‘echt’ te worden. Een extreem sterk elektrisch veld laat bijvoorbeeld paren elektronen en positronen uit het niets ontstaan.

Een paar maanden geleden beschreef de Russische natuurkundige Maxim Chernodub hoe een extreem sterk magnetisch veld, elektrisch geladen rho-mesonen kan genereren die zich gedragen als een supergeleider. Je kunt je hierbij voorstellen dat het Niets door het extreem sterke magnetische veld uit elkaar getrokken wordt en verandert in een zee van deeltjes: een condensaat. Nu neemt zijn landgenoot Igor Smolyaninov het stokje over met een nog radicalere, maar wetenschappelijk gezien nog steeds valide theorie. Ook Smolyaninov is her al eerder voorbij gekomen. Met behulp van een metamateriaal heeft hij aangetoond wat er gebeurt als de tijd plotseling stopt en, eerder, dat tijdreizen in de klassieke zin van het woord natuurkundig niet mogelijk is. Hij heeft met behulp van metamaterialen, materialen met een complexe inwendige structuur, dingen als zwarte gaten en kwantumschuim gesimuleerd. Hij gebruikte zijn kennis van metamaterialen om aan te tonen dat het bizarre geladen rho-meson condensaat zich precies als een metamateriaal gedraagt. Met andere woorden: het is een ‘materiaal’ met zeer vreemde optische eigenschappen, zoals een negatieve brekingsindex.

Als dit magnetische veld de juiste verdeling heeft in de ruimte, is het mogelijk voor dit supergeleidende rho-meson condensaat om licht te bundelen als een superlens. Of, zelfs licht op te slokken als een zwart gat. De vereiste magnetische veldsterkte is overigens absurd hoog. Het record voor een elektromagneetveld staat op 22 tesla, de sterkste veldsterkte ooit werd in een fractie van een seconde bereikt en was rond de honderd tesla. Ter vergelijking: het aardmagnetisch veld is maar een tienduizendste tesla, de allersterkste permanente samarium magneten, die je beter niet op elkaar kan laten vliegen, haalt met pijn en moeite één tesla. We hebben het hier over een verpletterende 10¹⁶ tesla. Honderd biljoen keer zo sterk als het absolute wereldrecord dus. Op aarde is dit (gelukkig) onhaalbaar. Ook de sterkste magneetvelden in het heelal die we kennen, die van magnetische neutronensterren, halen ‘slechts’ 10¹¹ tesla. Deze sterkte is overigens al dodelijk.

Volgens zowel Smolyaninov als Chernodub moeten magnetische velden vlak na de Big Bang krachtig genoeg zijn geweest om deze supergeleidende condensaten te produceren. Smolyaninov denkt dat deze condensaten indrukken hebben achtergelaten in de grootschalige structuur van het tegenwoordige universum. Variaties in de achtergrondstraling dus. Ook is het goed mogelijk dat door dit soort effecten de lang gezochte oneffenheden zijn ontstaan waaruit zich melkwegclusters hebben gevormd.

Bron
Igor I. Smolyaninov, Vacuum as a hyperbolic metamaterial, ArXiv (2011)

Aharonov-Bohm effect: ‘niet-bestaand’ veld beïnvloedt deeltjes

4 reacties / natuurkunde, Wetenschap / Door Germen Roding / 27 juli 2011 7 september 2021

Hoe kan een veld dat niet bestaat op de plaats waar deeltjes zich bevinden, toch invloed op ze hebben? Onmogelijk, oordeelden collega-natuurkundigen toen Yakir Aharonov en de in het natuurkundige wereldje zeer omstreden David Bohm hun baanbrekende artikel schreven. Nu, vijftig jaar na dato, staat het Aharonov-Bohm effect nog steeds fier overeind en is in 1986 zelfs experimenteel bewezen. Velden zijn dus niet fundamenteel. Potentieel wel.

Velden uit het niets?

Het artikel van Aharonov en Bohm stelde iets dat op het eerste gezicht helemaal niet kan. Soms kan een elektrisch of magnetisch veld een deeltje beïnvloeden, zelfs als de deeltjes nooit direct in aanraking komen met het veld. Volgens de klassieke elektromagnetische theorie is dat onmogelijk. Zonder contact met een veld kan een deeltje niet beïnvloed worden. Geen wonder dus dat hun artikel met veel scepsis werd ontvangen. Echter: er bestaat een compacte formulering van elektromagnetisme, waarin iedere plek in de ruimte een zogeheten elektromagnetische potentiaal heeft. De velden worden makkelijk wiskundig afgeleid van die potentiaal, maar van die potentiaal werd gedacht dat het alleen maar een wiskundig foefje was. Fout, zo bleek…

Onzichtbaar veld veroorzaakt potentieel
Volgens de kwantummechanica zorgt de elektromagnetische potentiaal dat de fase gaat verschuiven. Een lichtdeeltje (foton), bijvoorbeeld, bestaat uit een elektrische en magnetisch veld die elkaar beurtelings opwekken. Door de elektromagnetische potentiaal trillen beide velden iets eerder of later. Dit is gewoonlijk niet te meten (behalve met een laserinterferometer oid). In 1959 bedachten Aharonov en Bohm echter een gedachtenexperiment, waarbij er wel een verschil meetbaar is. In hun experiment wordt een bundel elektronen gesplitst. De twee deelbundels reizen beide aan een andere kant van een solenoïde, een elektromagneet in de vorm van een cilindervormige spoel. Het magnetische veld is samengeperst in het binnenste van de solenoïde en kan buiten de magneet zelfs tot vrijwel nul worden teruggebracht, als de cilinder zeer nauw wordt gemaakt. De beide elektronenbundels kunnen dus door een volledig veldvrij gebied reizen.

In dit veldvrije gebied is de elektromagnetische potentieel echter niet nul. Het verschil in potentieel zorgde bij elke elektronenbundel voor een faseverschuiving, maar dan precies de andere kant op. Met andere woorden: bij de ene bundel werden de golven naar voren geduwd, bij de andere naar achteren. Zo ontstond er een faseverschil tussen de golven. En dat is te meten, bijvoorbeeld door deze bundels elk door een andere spleet te sturen en met elkaar te laten interfereren. De conclusie: de elektromagnetische potentieel is geen rekentrucje, maar bestaat werkelijk. Niet krachten, maar potentiële energie bepaalt alles.

Supergeleider neemt laatste twijfels weg
Er stalk een storm van kritiek op, maar vijf jaar later bleek de wiskundige afleiding alle kritiek te doorstaan. Ook experimenten bevestigden deze theorie, maar werden door criticasters verworpen. Immers, wie weet kon een minuscuul zwak magnetisch veld door de spoel lekken. Hoe dat minuscuul zwakke magnetische veld dan toch dat grote effect kon hebben, konden de critici niet aangeven. Pas na een experiment in 1986 met een supergeleider, die gegarandeerd alle magnetische velden afschermt, waren de critici tevreden gesteld. Bij dit experiment werd de magneet totaal afgeschermd met een supergeleidende mantel. Er is namelijk geen enkel magnetisch veld dat door een supergeleider heen kan dringen. De spookachtige invloed bleek zelfs door een supergeleider heen te kunnen dringen…

Frame dragging
Kort geleden is een vergelijkbaar effect experimenteel aangetoond bij zwaartekracht: frame dragging. Net als een ronddraaiende stroom in de spoel het Aharonov-Bohm effect veroorzaakt, vertraagt of versnelt een snel rondtollend hemellichaam ook de tijd. Dit effect is aangetoond met de satelliet Gravity Probe B.

Bronnen
1. Y. Aharonov and D. Bohm, Significance of Electromagnetic Potentials in the Quantum Theory, Physical Review, 1959
2. N. Osakabe, T. Matsuda, T. Kawasaki, J. Endo, A. Tonomura, S. Yano, and H. Yamada, “Experimental Confirmation of Aharonov-Bohm Effect Using a Toroidal Magnetic Field Confined by a Superconductor,” Phys. Rev. A 34, 815 (1986)

Inductrack maakt alleen gebruik van permanente magneten en snelheid om te blijven zweven. Zeer interessant voor bobsleebanen.

Bobsleeën op elektromagnetische banen

2 reacties / Ideeën en techniek, Visionaire vragen / Door Germen Roding / 25 mei 2011 11 juni 2011

Bobsleeën is een sport waarbij alleen door de zwaartekracht (en een duw bij de start) het voertuig over een gladde ijsbaan vliegt en zeer hoge snelheden kan bereiken. Kan je hiervoor niet elektromagnetische effecten gebruiken?
-Barry

Magneetzweeftreinen
Er bestaan inderdaad magneetzweeftreinen die door middel van elektromagnetische velden blijven zweven. Het grote voordeel is dat er geen rolweerstand is en dat daardoor de zweeftrein veel grotere snelheden kan bereiken dan een trein die op de rails rijdt of een superbus, zoals die door Wubbo Ockels is ontworpen.

Magneetbobslee
Inderdaad zou je in principe hetzelfde effect kunnen gebruiken voor bobsleeën. De makkelijkste methode is de bobslee bekleden met extreem sterke permanente magneten (de allersterkste neodymiummagneten halen ongeveer 1,5 tesla). Er is alleen een probleem. Geregeld zal de bobslee in aanraking komen met de baan en het oppervlak is niet glad genoeg. De afstoting tussen de magneten en de spoelen (of magneten) in de baan is niet asymptotisch (dat wil zeggen: er is niet oneindig veel kracht voor nodig om twee magneetpolen op elkaar te duwen). Als de punt van de bobslee in aanraking komt met de baan, zal deze dus de bobslee niet voldoende afstoten om een harde botsing te voorkomen. Dit oppervlak is ongeveer 100 vierkante centimeter groot. Als we uitgaan van een bobslee inclusief inzittenden van 400 kg en een snelheid van 200 km/uur, dan is dit ruim onvoldoende.

Inductrack
Als door een slim design botsingen uitgesloten zijn, kan het wel. Je krijgt dan het Inductrack systeem. Hierbij is de baan voorzien van elektrisch geleidende spoelen en de onderkant van het zwevende voertuig van magneten in een Halbach array (een configuratie waarbij de magnetische velden van de magneten aan een kant elkaar opheffen, aan de andere kant juist versterken). Loopsnelheid is (bij een verbeterd design, claimt ontwerper Post) ruim voldoende om een Inductrack toestel (bijvoorbeeld een bobslee) te laten zweven. De zwaartekracht kan dan de rest van het werk doen.

Weliswaar kampt het Inductrack systeem nog met de nodige technische problemen, maar het principe werkt, is in proefopstellingen van het Lawrence Livermore Laboratorium aangetoond. Dus wie weet zien we over niet al te lange tijd een bobsleebaan waarbij bobsleeën met permanente magneten op de bodem, over een baan van lussen draad naar beneden suizen. Bobsleeën zou inderdaad een interessante toepassing van deze techniek zijn. Wel zullen de bobsleeën beschermd moeten worden tegen botsingen – met stootkussens of verende wielen die klappen opvangen, bijvoorbeeld.

De groeiende kristallen hexadecaan drukken de grafietvlokken (de zwarte massa) op elkaar. Bron: MIT

Zelfregelend materiaal ontdekt

Laat een reactie achter / Ideeën en techniek, Wetenschap / Door Germen Roding / 29 april 2011 29 april 2011

Uitvinders opgelet. Van een nieuw materiaal kan zowel de elektrische weerstand als de mate van warmtegeleiding veranderen door de omgevingstemperatuur te veranderen. Onderzoekers komen nu al met tal van ideeën.

Wat de onderzoekers in feite deden was het laten zweven van kleine vlokjes van een materiaal in een vloeistof die, net als water, vormen kristallen als het stolt. Voor hun eerste experimenten gebruikten ze schilfers van grafiet, gesuspendeerd in vloeibaar hexadecaan (een stroperig olieachtig goedje dat chemisch veel weg heeft van het belangrijkste benzinebestanddeel octaan, maar dan een twee keer zo lang molecuul), maar dit proces werkt ook in combinaties van andere materialen.

Als het hexadecaan stolt, worden de vlokjes grafiet samengeperst door het uitzettende materiaal. Daardoor worden ze veel geleidender. Omgekeerd verdwijnt de druk als het hexadecaan weer smelt, raken de vlokjes van elkaar verwijderd en wordt met materiaal minder geleidend.

Hexadecaan heeft een smeltpunt dicht bij kamertemperatuur – uitstekend geschikt om te gebruiken binnenshuis, dus – maar het principe kan ook voor andere materialen met hogere of lagere smeltpunten worden gebruikt. Het grote voordeel van dit systeem is dat er geen bewegende delen zijn en er geen storingsgevoelig high-tech systeem meer nodig is voor bepaalde toepassingen.

Een simpele (maar al bestaande) toepassing is bijvoorbeeld een thermostaat. Zodra de vloeistof stolt, geleidt het materiaal honderd keer zo goed stroom en kan deze stroom de verwarmingsketel aanschakelen. De onderzoekers denken zelf aan zekeringen (die de stroom onderbreken als de stroom te hoog wordt). Je kan ook denken aan hittebatterijen en dergelijke. De warmtebrug wordt zo gesloten als de temperatuur van een bepaald hittereservoir een bepaalde drempelwaarde overschrijdt. Er bestaat al langer stroomonderbrekers die gebruik maken van de uitzetting van metaal. Dit is voor zover bekend het eerste systeem dat zowel de warmtegeleiding als de stroomgeleiding aanpast aan de hand van verandering in temperatuur.

Bronnen
Ruiting Zheng et al.,Reversible temperature regulation of electrical and thermal conductivity using liquidâ€“solid phase transitions (2010), Nature Communications
MIT News

Bacterie-internet. Er is niets nieuws onder de zon...

‘Bacteriën gebruiken draadloze radio’

6 reacties / Wetenschap / Door Germen Roding / 25 april 2011 25 april 2011

Nobelprijswinnaar geneeskunde Luc Montagnier beweert dat bacteriën onderling communiceren met radiogolven. Tot voor kort werd dit categorisch uitgesloten: immers bacteriën zijn veel te klein om radiogolven te kunnen opvangen. Onderzoekers komen nu echter met een mechanisme dat zou kunnen werken: DNA-lussen die werken als moleculaire radiozenders.

Op het eerste gezicht lijkt het idee krankzinnig. Om radiogolven op te wekken heb je een elektrische geleider of sterk wisselend elektromagnetisch veld nodig. In de natuur zijn radiobronnen dingen als bliksemschichten, sterke magnetische velden zoals rond Jupiter of pulsars. Allan Widom en zijn collega’s van de Northeastern University in Boston en twee Indiase onderzoekers hebben nu echter een manier uitgedokterd hoe bacteriën toch in staat zouden kunnen zijn radiogolven uit te wisselen, al blijft het echte grenswetenschap.

Bacteriën bevatten ronde lussen DNA: plasmiden. Zouden dit niet alleen genen, maar ook radio-ontvangers zijn?

DNA als radioantenne
Hun verklaring: DNA-lussen. Veel DNA in bacteriën komt voor in de vorm van plasmiden of andere lussen. Ze hebben het gedrag van vrije elektronen die zich rond een dergelijke DNA-ring bewegen, gemodelleerd. De elektronen zitten dan opgesloten in die ring. Kwantummechanisch gezien krijgen ze dan bepaalde energieniveaus, vergelijkbaar met wat in normale atomen gebeurt. Hoe groter het gebied waarin de elektronen vrij kunnen bewegen, hoe kleiner de verschillen tussen de energieniveaus. Radiostraling bestaat uit fotonen met elk heel weinig energie, in de buurt van de energieniveaus in deze DNA-ringen.

‘Bacterie zendt radiostraling uit’
Widom en zijn collega’s berekenden dat de overgangsfrequenties tussen deze energieniveaus overeen komen met radiogolven tussen de 0,5, 1 en 1,5 kilohertz (tussen de 500 en 1500 trillingen per seconde: langgolvige radiostraling). Precies de radiostraling die Luc Montagnier in 2009 waargenomen heeft in E. Coli-bacteriën. Montagnier als persoon en zijn onderzoek zijn uiterst controversieel in biologische kringen. Eén geliefd argument van zijn collega’s om hem onderuit te halen, de afwezigheid van radiogolf-gevoelige structuren in bacteriën, blijkt met deze berekening echter verdwenen te zijn.

Bekend (en ook algemeen aanvaard in de biologische gemeenschap) is al wel dat bacteriën onderling communiceren met een soort stroomdraden op nanoschaal. Hiermee kunnen ze onderling elektrische energie uitwisselen (een bacterie in een elektronrijke omgeving kan deze naar een collega in een elektronarme omgeving sturen, wat beide veel energie oplevert) en ook signalen doorgeven. Een uiterst controversiële gedachte: zouden deze nanodraden ook als radiotransceivers werken?

Dit onderzoek uiterst controversieel noemen, is een enorm understatement. Wel is het welbekend dat bacteriën en andere celtypes elektromagnetische golven op hogere frequenties (o.a. licht) gebruiken om energie te verzenden en op te slaan. Als ook cellen radiogolven kunnen opwekken, is er geen reden waarom ze niet in staat zouden zijn gebruik te maken van deze golven. Want zeg nu zelf: radiogolven zijn uiterst handig. Zouden bacteriën ons ook op dit terrein voor zijn?

Al eerder veronderstelden we op Visionair dat misschien fagen, bacterievirussen, gebruik maken van radiogolven om boodschappen te ontvangen. Misschien zenden de DNA-ringen van actieve collega-bacteriën een signaal uit, waardoor de faag wordt ‘getriggerd’ als een nano-tijdbom om de gastheer-bacterie op te blazen, zodat hij een maximale kans heeft andere bacteriën te besmetten.

Bronnen
MIT Technology Review ArXiv Blog
Arxiv