opslag

De ruimte in het centrum van de donut is de enige plek waar de 'schrijf'-bundel niet uitgeschakeld wordt. Gebaseerd op afbeelding van (1)

Doorbraak: 1000 terabyte op dvd nu mogelijk

8 reacties / Analyses, Ideeën, Ideeën en techniek / Door / 23 juni 2013

DVD’s raken uit de mode, omdat ze qua capaciteit hopeloos achterblijven bij andere opslagmedia. Met een nieuwe techniek, die het mogelijk maakt een verbijsterende petabyte (1000 maal een gangbare hard disk) op een DVD op te slaan, gaat daar vermoedelijk verandering in komen. Met verstrekkende gevolgen. Kunnen we straks een backup van ons brein op een dvd branden?

DVD uit de tijd
Als student kocht ik mijn eerste pc met een harde schijf van veertig megabyte. Naar hedendaagse begrippen is dat maar weinig – ik was een groot deel van de tijd bezig om plaats te maken op dat krappe ding. Geen wonder dat toen de eerste cd-rom spelers op de markt kwamen, ik deze snel in wilde bouwen. De cd-rom had met 600 MB maar liefst vijftien keer zoveel opslagruimte als mijn harde schijf. Nu liggen harde schijven qua capaciteit rond de terabyte, dat is een miljoen megabyte oftewel iets van 25.000 maal zo veel als mijn veelgeplaagde harde schijf van weleer. Toch is de capaciteit van de opvolger van de cd-rom, de dvd, nauwelijks gegroeid: de allerbeste quadruple Blu-Ray dvd’s halen nu met pijn en moeite 128 gigabyte. Dat is iets meer dan ongeveer 200 maal zoveel als de allereerste cd-rom. Waarom zijn optisch leesbare media,zoals cd-roms en dvd’s, zo hopeloos achtergebleven?

Diffractielimiet omzeild
Dit heeft alles te maken met de zogeheten diffractielimiet. Licht, zoals alle elektromagnetische straling,  bestaat uit fotonen, die een zekere golflengte hebben. Bij zichtbaar licht ligt deze rond de 400 (blauw-violet licht) tot 700 (rood licht) nanometer. Golven  (fotonen zijn golfpakketjes) buigen om voorwerpen heen, die kleiner zijn dan de golflengte. Dit betekent dat in zichtbaar licht voorwerpen die kleiner zijn dan 400 nanometer, zoals kleine virusdeeltjes, zelfs met de allerbeste klassieke optische microscoop niet waargenomen kunnen worden. Elektronenmicroscopen kennen dit probleem minder. De golflengte van elektronen is afhankelijk van hun snelheid en ligt bij elektronenmicroscopen typisch in de orde van picometers, duizenden malen kleiner dus. Hierdoor kunnen elektronenmicroscopen haarscherpe detailfoto’s maken van bijvoorbeeld gevriesdroogde bacteriën. De scanning tunneling elektronenmicroscoop werkt via kwantumtunneling en kan zelfs individuele atomen zichtbaar maken.

In het eerste decennium van de 21e eeuw zijn er technieken ontwikkeld om toch onder de diffractielimiet te kunnen werken. Het geheim: lenzen met een negatieve brekingsindex. Vandaar dat tegenwoordig natuurkundigen een stuk minder onder de indruk zijn van diffractielimieten dan vroeger en met succes allerlei foefjes ontwikkelen om hier onderuit te komen. Zo zijn de vlekjes op een moderne blu-ray disc 150 nanometer groot.  Door  verschillende lagen te stapelen, kunnen experimentele blu-ray discs toch wat meer data bevatten.

De ruimte in het centrum van de donut is de enige plek waar de 'schrijf'-bundel niet uitgeschakeld wordt. Gebaseerd op afbeelding van (1)
De ruimte in het centrum van de donut is de enige plek waar de ‘schrijf’-bundel niet uitgeschakeld wordt. Gebaseerd op afbeelding van (1)

Dichtheid van 1000 terabyte
Een groep van vier onderzoekers heeft nu een methode ontwikkeld om met zichtbaar licht een ‘brandpunt’  te ontwikkelen dat slechts negen nanometer in doorsnede is. Dit is ongeveer honderd atomen breed en meer dan 225 maal zo klein als de putjes op een dvd. Het systeem maakt gebruik van het samenvoegen van twee bundels, elk zo breed als de diffractielimiet. Eén bundel is de ‘schrijfbundel’, die vrijwel geheel uitgedoofd wordt door de tweede donutvormige ‘anti recording’ bundel. Alleen in het exacte centrum van de donut, plm. 9 nm breed, kan de bundel daardoor schrijven. Hierdoor kunnen er meer dan vier ordes van grootte zoveel puntjes op een laag en kunnen  de lagen veel dichter op elkaar gestapeld worden. Het resultaat is de verbijsterende opslagcapaciteit van 1000 TB, duizend maal zoveel als op een (anno 2013)  moderne harde schijf past.

Hoeveel is 1000 TB?
Duizend terabyte is voldoende om tienduizenden hoge-resolutie videofilms op te slaan; voldoende om meer dan tien jaar continu video’s te kijken. Op één enkel schijfje kan het genoom van meer dan 1 miljoen mensen, de bevolking van een klein land, worden opgeslagen. Qua informatiedichtheid leveren onze ogen verreweg de grootste hoeveelheid informatie van al onze zintuigen. Als een informatiemedium in staat is om letterlijk alles wat we zien op te slaan, wordt hiermee in feite de informatie van de menselijke geest opgeslagen. Uiteraard slaan we geen letterlijke beelden in ons brein op, maar patronen, wat de nodige opslagruimte bespaart. Daar staat tegenover dat we die patronen onderling met elkaar in verbinding brengen.
Psycholoog Paul Reber van de Amerikaanse Northwestern University schat dat ons brein rond de 2,5 petabyte (dit is 2500 TB) aan informatie kan opslaan. Deze schatting (die mensen als futuroloog Ray Kurzweil te hoog  achten) verschilt minder dan een orde van grootte (factor tien) van de capaciteit die met deze nieuwe opslagtechniek bereikt kan worden. Kortom: realisatie van het idee om een backup van onze geest te draaien voordat we bijvoorbeeld een halsbrekende stunt uithalen, komt steeds dichterbij.

Bronnen
Z. Gan et al., Three-dimensional deep sub-diffraction optical beam lithography with 9 nm feature size, Nature Communications (2013)

De hele cyclus van elektrische energie opslaan en weer vrijgeven werkt met een efficientië van zeventig procent. Ter vergelijking: een lithiumbatterij haalt 80-90%.

Lost perslucht ons energieprobleem op?

52 reacties / Wetenschap / Door / 5 juli 2012

Het bedrijf LightSail Energy ontwikkelde plannen om grote hoeveelheden energie op te slaan voor tijden dat we deze nodig hebben in enorme persluchttanks. Alternatieve energiebronnen als zon en vooral wind zijn berucht om hun variabele karakter dat vaak niet aansluit op de tijden dat wij energie nodig hebben.

De hele cyclus van elektrische energie opslaan en weer vrijgeven werkt met een efficientië van zeventig procent. Ter vergelijking: een lithiumbatterij haalt 80-90%.
De hele cyclus van elektrische energie opslaan en weer vrijgeven werkt met een efficientië van zeventig procent. Ter vergelijking: een lithiumbatterij haalt 80-90%.

Het doel van LightSail Energy is om deze persluchttanks aan windmolens en zonnecelcentrales te koppelen, zodat er op momenten dat de productie van stroom hoger ligt dan de behoefte aan netstroom, bijvoorbeeld midden op een zomerdag, energie opgeslagen kan worden. Dee kan dan weer vrijkomen op momenten dat er meer behoefte is aan stroom dan de alternatieve energiebronnen op dat moment produceren. Medeoprichter van Light Sail Energy en wetenschappelijk directeur Danielle Fong zegt dat dit het wereldwijde stroomnetwerk veel efficiënter maakt – en dus de wereld een groenere plaats.

Fong heeft plannen die velen als megalomaan zullen zien. Ze denkt dat ze met haar bedrijfje van 32 man, waarin durfinvesteerders 15 miljoen dollar hebben geïnvesteerd, in de komende twintig jaar een markt van rond de biljoen dollar zullen aanboren. Dat is wat Nederland ongeveer in een jaar verdient. Aan de andere kant: de overgang naar duurzame energiebronnen is voor het olie- en gasarme Europa onvermijdelijk. Alleen (vooral) zon, wind en aardwarmte kunnen Europa voorzien van voldoende energie zonder afhankelijk te worden van landen als Rusland of Saoedi Arabië.

Het prototype van LightSail sproeit op uitgekiende wijze een dichte waternevel in de tanks waarin lucht samen wordt geperst, waar de vrijkomende warmte bij het samenpersen wordt geabsorbeerd. Bestaande luchtdruksystemen – in de negentiende eeuw werden de eersten al gebouwd – scoren niet erg hoog met een energie-efficiëntie van 35 procent of iets hoger, tot de helft. Fong beweert dat haar nieuwe systeem dit rendement kan vergroten tot rond de 70 procent.

Dit concept past goed in een ‘energie internet’ waarin vele kleinschalige stroomproducenten samenwerken. Fong ziet grote mogelijkheden in landen met een gebrekkig elektriciteitsnet zoals India en China. Ze denkt dat door har systeem de wereld een veel hogere energie-efficiëntie kan bereiken dan ooit te voren. Ze richt zich in eerste instantie op derde-wereld landen, geïsoleerde stadjes en eilanden die niet beschikken over aansluiting op een groot elektriciteitsnetwerk. Veel van de capaciteit op dergelijke plekken wordt verspild, aldus haar. Ze ziet haar tanks met samengeperste lucht als de oplossing. Is dit ook een oplossing voor Europa? We beschikken namelijk over de nodige potentieel voor zon, wind en golfslagenergie, maar deze zijn oneven verdeeld over het continent. Waar Spanje de meeste zon kan opwekken, zijn de Atlantische kuststaten, vooral Engeland en ook de Noordzeelanden, rijke bronnen van windenergie en golfslagenergie.

Bron:
Wired Enterprise

De missende link voor hernieuwbare energie

9 reacties / Geopolitiek, Ideeën, Techniek, Wetenschap / Door / 13 april 2012

Hernieuwbare energie is overal om ons heen. Zon, wind, water, bodem en de zee: overal kunnen we energie uit opwekken. Een groot nadeel van hernieuwbare energie is echter dat het bijna direct na de opwekking gebruikt moet worden. Dit zorgt ervoor dat we momenteel vooral fossiele energie gebruiken in Nederland omdat dit verbrand kan worden wanneer de vraag er is.

Dit probleem kan echter opgelost worden als je een enorme opslagcapaciteit zou hebben in de vorm van goedkope batterijen. Dan kan namelijk alle energie uit hernieuwbare bronnen altijd opgeslagen worden en kan de energie eruit gehaald worden op de momenten dat we het nodig hebben. Grote goedkope batterijen zijn kortom de missing link in de oplossing van ons huidige energieprobleem. Donald Sadoway van de MIT zegt precies hiervoor een oplossing te hebben gevonden. Hieronder zijn inspirerende verhaal op TED.


 

Wanneer zouden de containers met vloeibare batterijen in Nederland in het straatbeeld verschijnen in combinatie met lokale zonne-energie en windmolens?

Aanverwante artikelen:
-) MIT`s Battery Guru`s
-) Zonne-energie voor consumenten nu al meer dan 40% goedkoper
-) Hernieuwbare energie inplaats van oorlog 
-) Revolutionair type batterij maakt 100% zon en wind mogelijk

Een batterij met een pomp in plaats van groeiende en krimpende polen. In een flowreactor verandert niet de elektrode, maar de samenstelling van de elektrolyt.

Doorbraak flow batteries

2 reacties / Ideeën en techniek, Wereld, Wetenschap / Door / 7 juni 2011

Wind en zon leveren heel onregelmatig vermogen. Een ramp voor de netbeheerders, zij moeten de pieken en dalen opvangen. Tot nu. Een Amerikaanse startup zou wel eens de oplossing hebben kunnen ontwikkeld. Eindelijk een massale doorbraak van wind en zon?

Vermogenspieken nekken alternatieve energie
Windmolenparken zijn berucht door de vermogenspieken die ze opleveren. Als het hard waait, leveren windturbines extreem veel energie (deze energie neemt met de derde macht met de windsnelheid toe). Als het windstil is, is de energie nul. Zonne-energie is regelmatiger dan wind (ook bij een bewolkte dag leveren zonnepanelen nog de helft). Ook voor zonne-energie geldt dat de zon alleen overdag schijnt en er in de winter maar 10% zoveel zonneschijn is al in de zomer. In de praktijk moeten netstroombeheerders daarom gascentrales als backup gebruiken. Als er te weinig vermogen door de leidingen stroomt, kan de gascentrale snel inspringen. Het omgekeerde betekent helaas vaak dat windmolens afgekoppeld moeten worden. En dus dat er veel stroom verloren gaat.

Kortom: er moet een goedkope en effectieve manier komen om elektriciteit op te kunnen slaan. De bestaande alternatieven zijn duur en niet erg effectief. Het startende Californische bedrijfje Primus lijkt nu een goed en goedkoop alternatief te hebben ontwikkeld. Hierbij maken ze gebruik van een flow batterij.

Hoe werkt een flow battery?

Een batterij met een pomp in plaats van groeiende en krimpende polen. In een flowreactor verandert niet de elektrode, maar de samenstelling van de elektrolyt.
Een batterij met een pomp in plaats van groeiende en krimpende polen. In een flowreactor verandert niet de elektrode, maar de samenstelling van de elektrolyt.

Een normale batterij werkt met twee elektrodes (gewoonlijk bestaande uit verschillende metalen, bijvoorbeeld koper en zink) en een ionenrijke oplossing: de elektrolyt. Als de batterij energie levert, slaan (in dit voorbeeld) koperionen neer op de positieve elektrode en nemen elektronen op. Bij de negatieve elektrode gaat zink in oplossing en staat hiervoor zijn elektronen af. In de elektrolyt worden zo langzamerhand de koperionen vervangen door zinkionen. Als alle koperionen neergeslagen zijn, is de batterij leeg. Er ontstaat zo een elektrische stroom waar apparaten op werken.

Flow batteries (1) werken anders, namelijk met twee elektrolyten die gescheiden zijn door een doorlaatbaar membraan. Bij de zink-broom flow battery, bijvoorbeeld, wordt bij het opladen aan de  positieve pool broom afgezet en aan de negatieve pool tegelijkertijd zink. Aan de elektrodes worden deze stoffen niet opgeslagen, maar afgevoerd met de stroom. Dus aan de zink-kant veranderen zinkionen in vast zink (bekend van de dakgoot), aan de broomkant veranderen bromide-ionen in vloeibaar broom (een bruin, uiterst onaangenaam ruikend goedje). Daarom kan de capaciteit van de flow batterij ook enorm groot zijn.

Flow batteries zijn doorgaans enorme tanks van tien tot twintig meter groot. Tot nu toe zijn flow batteries nog niet erg populair, omdat ze vanwege hun enorme formaat op maat gebouwd moeten worden (dus erg duur zijn) en hun efficiëntie laag, rond de zestig tot vijfenzeventig procent.

Massa-productie van kleine cellen
Primus Power heeft nu een flow battery ontwikkeld die ongeveer zo groot is als een badkuip. Dit maakt de technologie ook voor toepassing op kleinere schaal interessant. Omdat deze mini flow batteries naar wens op elkaar gestapeld kunnen worden, is maatwerk niet meer nodig en kan de fabriek een automatische productielijn voor tienduizenden mini-flow batteries ontwikkelen. Bestuursvoorzitter Tom Stepien verwacht op deze manier de kosten te kunnen drukken tot vijfhonderd dollar per kilowattuur opslagcapaciteit. Dat is maar de helft van de kosten van een lithium-ionbatterij (2).  Primus werkt op dit moment ook aan een batterij die slechts voor honderd dollar per kilowattuur stroom kan opslaan. Wordt deze limiet bereikt, dan is het in ieder geval in Californië zelf zonder subsidie goedkoper om deze batterijen te plaatsen, dan om een nieuwe fossiele centrale neer te zetten om de pieken op te vangen. Het is dan echt einde oefening voor fossiel in zonnige en/of windrijke gebieden. En dat zijn er behoorlijk veel. Nederland, Spanje en Denemarken, bijvoorbeeld.

Bronnen
1. Flow Batteries: Elektropaedia
2. Startup Thinks It Can Make Flow Batteries Cheaper, MIT Technology Review