radioactiviteit – Visionair

Radiotrofie: radiotrofe schimmels ‘eten’ straling

2 reacties / biologie, Wetenschap / Door Germen Roding / 22 maart 2021 8 maart 2021

Een in de reactor van Tsjernobyl aangetroffen schimmel doet aan radiotrofie. Deze blijkt zich te goed te doen aan gevaarlijke radioactieve straling.

Onderzoekers waagden zich met een op afstand bestuurbare robot een kleine tien jaar later, in 1991, in de ontplofte reactor van Tsjernobyl. Ze troffen iets merkwaardigs aan. Een zwarte schimmel bedekte de koelbassins. De onderzoekers namen monsters van de schimmels en kweekten verder. [1] Ze troffen iets verbazingwekkends aan. Ook in hun proefopstellingen, waar de schimmels werden blootgesteld aan radioactiviteit, bleek dit hun groei niet te belemmeren, maar juist flink te bevorderen. Klaarblijkelijk voelden de schimmels zich erg lekker onder de gevaarlijke straling. En gebruikten deze mogelijk als energiebron. Zoals planten zonlicht gebruiken. Radiotrofie, werd de naam voor dit nieuwe, nog onbekende verschijnsel.

Cryptococcus neoformans is mogelijk een voorbeeld van radiotrofie. Bron: Wikimedia Commons

Wat is radiotrofie?

Radioactiviteit is dodelijk, zo leren we op school. Met de ‘radium girls’ die het nieuwe lichtgevende wondermateriaal op wijzerplaten schilderden, liep het slecht af. Maar dit geldt niet voor alle wezens. Er bestaan schimmels, die juist prima gedijen op straling. Zoals snelle elektronen, maar ook andere straling. Planten leven alleen op zonlicht. Hiervan gebruiken ze blauw en rood licht, de zogenoemde fotosynthetisch actieve straling of PAR. Dit is ongeveer de helft van alle zonnestraling. Groen is voor planten een onbruikbare golflengte. Dat verklaart waarom planten meestal groen zijn.

Maar radiotrofe organismen gebruiken, denken we, een simpel, robuust systeem. Hun geheim: de zwarte kleurstof melanine die ook in gekleurde huid voorkomt. Ioniserende radioactieve straling rukt melanine uit elkaar, of verandert de configuratie van hun elektronen. Bij het proces waar deze moleculen weer herstellen, komt NADH vrij dat de schimmel als energiebron voor de stofwisseling gebruikt. Simpel, weinig efficiënt, maar wel erg robuust. Zo kunnen ze veel meer verschillende, en ook veel gevaarlijker, soorten straling aan dan planten. Daarom is melanine ook zwart. Het absorbeert echt alle licht.

Het maakt deze schimmels taaie overlevers, die het zelfs in aan straling blootgestelde delen van ruimteschepen uithouden. Ze vragen niet veel. Water, een koolstofbron, temperaturen waarbij vloeibaar water voorkomt. En veel straling, dus. Sommige van deze soorten maken ziek. Hier is hun taaiheid juist een probleem.

Nieuwe domeinen voor radiotrofisch leven

Het laat ook zien dat het leven veel taaier is dan veel mensen zich realiseren. En dat ook omgevingen die te gevaarlijk zijn voor ons, wel eens een paradijs kunnen zijn voor andere levensvormen. Zoals radiotrofe schimmels. Er komen in het heelal plekken voor die erg rijk zijn aan radioactieve straling. Zoals in een planetenstelsel dat zich vormt na een supernova. Of planeten, zoals de vroege aarde, waar het restant van een ontplofte ster, een regen van radioactief materiaal in de biosfeer dumpte.

Of denk aan de manen van Jupiter. Het zeer actieve magnetische veld van Jupiter bombardeert de oppervlakte van de grote ijsmanen Ganymedes, Callisto en Europa voortdurend met ionen. Voor ons is dit dodelijk. Maar een schimmel als Crytococcus neoformans of Wangiella dermatitidis, die dan natuurlijk wel aangepast moet zijn aan de barre omstandigheden en lage temperaturen van deze ijsmanen, ‘denkt’ daar waarschijnlijk anders over. Wellicht bestaan er radioactieve planeten[2], zwervend door het heelal, waarvan de bewoners nooit een zon hebben gezien. En dieren zich voeden met radiotrofe schimmels in plaats van met planten.

Bronnen

E. Dadachova en A. Casadevall, Ionizing Radiation: how fungi cope, adapt, and exploit with the help of melanin, Curr Opin Microbiol, 2008, DOI 10.1016/j.mib.2008.09.013
Katherine Kornei, No star, no problem: Radioactivity could make otherwise frozen planets habitable, Science Magazine, 2020, DOI: 10.1126/science.abc0189

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

Nucleaire diamantbatterij maakt accu’s overbodig

Laat een reactie achter / Ideeën, natuurkunde, Techniek, Wetenschap / Door Germen Roding / 27 augustus 2020 27 augustus 2020

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 (bÃ¨tastraling) 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.

BÃ¨tavoltaïsche 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 bÃ¨tavoltaïsche 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 bÃ¨tastraler 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 bÃ¨tastraler 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 bÃ¨tastralers), 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].

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 bÃ¨ta-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 bÃ¨tastralers. 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 bÃ¨tastralers 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

Ook nu nog zijn bliksemontladingen door raadsels omgeven. Waar komen de gammastraling en neutronen vandaan? Bron: Wikipedia

Onverklaarbare bliksemneutronen waargenomen

2 reacties / Wetenschap / Door Germen Roding / 27 maart 2012 28 maart 2012

In 1985, nog in de tijd van de Sovjetunie, werd in Rusland ontdekt dat neutronendetectoren veel actiever worden als het onweert. Klaarblijkelijk komen er neutronen vrij bij onweer. Neutronen zijn instabiele deeltjes die vrijkomen bij kernreacties. Welke kernreacties vinden plaats in onweersbuien? Nieuwe waarnemingen zetten de gevestigde verklaring op losse schroeven.

Kernreacties tijdens onweersbui?
Al dertig jaar bestaat er wetenschappelijke onzekerheid over de raadselachtige neutronanomalie. In 1985 stelden Sovjetfysici vast dat elke keer dat een onweersbui over hun neutronendetector heentrok, ze een grotere neutronenflux waarnamen. Helaas waren hun instrumenten niet geschikt om de richting waar de neutronen vandaan kwamen te ontdekken, waadoor ze niet veel verder kwamen dan het verband vaststellen.

Muonen of kernreactie
Sinds dat jaar hebben wetenschappers diverse verklaringen geopperd voor de waargenomen neutronenstroom. Zo zou het volgens sommigen kunnen zijn dat de extreem sterk elektromagnetische velden die ontstaan tijdens een blinksemontlading – we praten dan over een stroomsterkte van tientallen miljoenen ampÃ¨res – de zogeheten muonen van kosmische straling afbuigen. Muonen zijn instabiele, zwaardere ‘neefjes’ van elektronen, die uiteenvallen in -soms- neutronen.

Een tweede, veel interessantere verklaring is dat er kernreacties plaatsvinden tijdens bliksemontladingen. Eén van de allereerste ontwerpen voor een kernfusiereactor, de Farnsworth fusor, maakt inderdaad gebruik van een extreem hoge spanning om met behulp hiervan deuteriumkernen (deuterium is zwaar waterstof, waterstof met niet alleen een proton maar ook een neutron in de kern) op elkaar te schieten. Hierbij komen neutronen vrij.

Ook in een bliksemschicht is sprake van extreem hoge spanningen, waardoor elektronen tot een zeer hoge energie worden versneld. Hierbij komt gammastraling vrij. Deze gammastraling zou dan atoomkernen treffen en hieruit neutronen vrijmaken, aldus de tweede theorie.

Nauwkeuriger meting door meer detectoren
Nieuwe metingen laten echter zien dat de data niet kloppen met beide theorieën [1]. De Russen die de oorspronkelijek waarnemingen deden hebben nu een totaal nieuw experiment ontworpenn dat vergeleken met hun vorige resultaten veel nauwkeuriger is. Ze installeerden drie neutronendetectoren die gevoelig zijn voor lage-energie neutronen: één boven de grond, één gedeeltelijk afgeschermd in een gebouw en één ondergronds, met zwaardere afscherming. Naast de ondergrondse detector bevond zich een traditionele neutronendetector die gevoelig is voor neutronen met hoge energie. De laatste verbetering was het rechtstreeks meten van de elektrische activiteit van overtrekkende onweersbuien met een aantal verschillende instrumenten, waardoor er een nauwkeuriger verband kan worden vastgesteld tussen de neutronenmetingen en de elektrische activiteit van de overtrekkende stormen.

De onderzoekers installeerden de vier verschillende detectoren om uit te sluiten dat kosmische straling verantwoordelijk was. Kosmische straling genereert muonen, die botsen met deeltjes vlak bij de detector, waarbij hoge-energie neutronen ontstaan. Neutronen ontstaan door bliksem, kunnen alleen de energie hebben die door de kernreactie mee wordt gegeven, waarna het neutron door vele botsingen met luchtmoleculen veel energie verliest tot het in de detector wordt geregistreerd (dus langzamer beweegt).

Kosmische straling uitgesloten
Uit de metingen blijkt dat er in alle drie lage-energie detectoren duidelijke pieken optreden op het moment dat de elektrische ontladingen in de storm plaatsvinden. Helaas meten de neutronendetectoren met een interval van één minuut, waardoor het neutronen-vormingsproces zelf niet in detail te bestuderen is. De afscherming bleek het verwachte effect te hebben, wat aantoont dat de neutronen niet in de detectoren zelf gevormd worden. In de hoge-energie neutronendetector werden minder neutronen waargenomen, maar dit was verwacht, omdat dit type detector een (zwakke) gevoeligheid voor lage-energie neutronen heeft. Kortom: de muonverklaring blijkt onjuist te zijn: kosmische straling is niet verantwoordelijk voor de neutronenpiek. De neutronen moeten dus op de een of andere manier gevormd worden tijdens de bliksemontlading. Maar hoe?

Neutronflux veel te hoog
De nieuwe detectors stelden de onderzoekers ook in staat, vast te stellen hoeveel neutronen precies vrijkwamen bij de bliksemontlading. In vorige experimenten werd aangenomen dat er gemiddeld maar één neutron per detectiegebeurtenis vrijkwam. Dat bleek een enorme onderschatting. Uit nieuwe metingen blijkt dat per seconde maar liefst 5000 neutronen per kubieke meter worden geproduceerd. Enkele ordes van grootte meer dan door gammastraling met de bekende sterkte kan worden geproduceerd. Wat voor geheimzinnig proces zou er tijdens onweersbuien plaatsvinden?

Bronnen
1. A. V. Gurevich et al., Strong Flux of Low-Energy Neutrons Produced by Thunderstorms, Physical Review Letters, 2012

Twee medicijnen blijken samen de overlevingskans van een dodelijke dosis straling tot tachtig procent te verhogen.

Geneesmiddel tegen dodelijke straling ontdekt

3 reacties / Mensheid, Wetenschap / Door Germen Roding / 24 november 2011 24 november 2011

Goed nieuws – voorlopig alleen voor muizen. Er is een therapie van twee veilige medicijnen ontdekt die beschermt tegen een anders dodelijke dosis straling – zelfs als het medicijn 24 uur na blootstelling wordt gegeven. Kunnen we zo een toekomstige kernramp zoals Fukushima overleven?

Stralingsdood door lekken in ingewanden
Hoge doses ioniserende straling schaden het lichaam, gedeeltelijk door snel delende cellen te beschadigen, zoals die in de ingewanden. Stralingsschade laat ‘lekken’ achter in de ingewanden, waardoor schadelijke bacteriën in de bloedbaan terecht komen. Dit heet sepsis en is levensbedreigend. Om die reden krijgen stralingsslachtoffers antibiotica.

Stralingsschade door verdwijnen van eiwit BPI?
Harvard-onderzoekers Eva Guinan en Ofer Levy hebben een andere behandelingsstrategie gevonden. Ze gebruiken hiervoor het eiwit BPI (Bactericidal/Permeability Increasing protein). Dit eiwit speelt een rol in de lichaamsafweer tegen schadelijke bacteriën uit de ingewanden.
Guinan en Levy bestudeerden 48 mensen die bestraald werden in voorbereiding van een beenmergtransplantatie. Na de blootstelling aan straling daalde het BPI niveau tot vrijwel nul – waarschijnlijk omdat het beenmerg beschadigd was. Zou het verdwijnen van BPI de oorzaak zijn van de stralingsproblemen?

BPI verdubbelt overlevingspercentage tot 80%
Om dit uit te zoeken verrichtte het team proeven met muizen. Deze ontvingen een doorgaans dodelijke dosis straling. Een dag na de bestraling ontvingen sommige muizen het antibioticum fluoroquinolon en andere muizen een combinatie van fluoroquinolon en injecties met BPI. De controlegroep kreeg geen behandeling. Slechts vijf procent van de onbehandelde muizen overleefde de eerste maand. De muizen die het antibioticum kregen, de standaardbehandeling, brachten het er iets beter van af – ongeveer veertig procent leefde nog. Ronduit spectaculair was wat er gebeurde met de groep die ook BPI kreeg ingespoten. Maar liefst tachtig procent bleek na een maand nog in leven.

Medicijnen veilig
BPI is een lichaamseigen eiwit. Ook het antibioticum fluoroquinolon wordt al vele jaren gebruikt bij zieke en gezonde mensen en is veilig (voor zover een medicijn veilig kan zijn). Beide medicijnen kunnen lang bewaard worden. Het muizenexperiment toont aan dat zelfs een dag na een ramp als Fukushima het medicijn nog werkt. Kortom: een goed idee deze twee medicijnen op voorraad te hebben voor het geval dat. Al blijft er het probleem van de langlevende isotopen jodium-131 en radioactief cesium.
Een wat meer alledaagse, maar daarmee niet minder levensreddende toepassing is de behandeling van kankerpatiënten die een bestraling hebben ondergaan.

Bron
Eva Guinan, Ofer Levy et al., Bactericidal/Permeability-Increasing Protein (rBPI₂₁) and Fluoroquinolone Mitigate Radiation-Induced Bone Marrow Aplasia and Death, Science Translational Medicine, 2011

Closterium moniliferum is in staat actief strontium op te nemen. Bron: Napier, UK

Algen verwijderen radioactieve isotoop uit water

Laat een reactie achter / Wereld, Wetenschap / Door Germen Roding / 25 oktober 2011 25 oktober 2011

Er komen ruwweg drie soorten radioactieve isotopen vrij: kortlevende, langlevende en isotopen met een middellange levensduur, de gevaarlijkste groep. Algen kunnen nu in ieder geval één van de gevaarlijkste isotopen, strontium-90, selectief opnemen en zo water veel minder radioactief maken.

Strontium-90: gevaarlijkste radioactieve isotoop
Kernenergie opwekken door kernsplijting heeft als vervelende eigenschap dat er het nodige radioactieve afval bij vrij komt. Drie procent van dit afval bestaat uit radioactieve atoomkernen. De meeste hiervan vallen of zeer snel uit elkaar (waardoor ze na enige weken geen gevaar meer opleveren) of juist na zeer lange tijd (waardoor de radioactiviteit maar langzaam vrijkomt). Zo is er de radioactieve isotoop strontium-90 (Sr-90), waarvan in ongeveer dertig jaar de helft vervallen is tot het (eveneens radioactieve) yttrium-90.

Er zijn meer radioactieve isotopen die ongeveer met die snelheid vervallen, zoals cesium-137 (met Sr-90 0,3% van de totale massa van radioactief afval) en jodium-129 en technetium-99 (samen 0,1%). Chemisch lijkt strontium sterk op calcium, waardoor ons lichaam Sr als calcium behandelt. Het gevolg: ons lichaam bouwt het in onze botten in, waar het de rest van ons leven blijft zitten en zo nog na vele jaren kanker kan veroorzaken. Onze schildklier neemt de radioactieve jodium op, de reden dat mensen die blootgesteld zijn aan een nucleaire ramp, jodiumtabletten moeten slikken om juist dat te voorkomen. Technetium en cesium (wat chemisch gezien op kalium lijkt) zijn chemisch veel mobieler en worden weer binnen enkele weken resp. maanden uitgescheiden. De schade die deze isotopen aanrichten is hiermee beperkter.

Alg concentreert strontium
Geen wonder dat onderzoekers dus op zoek zijn naar een manier om strontium uit het milieu te verwijderen. De alg Closterium moniliferum, die wat weg heeft van een halve maan, kwam al snel in beeld, omdat deze alg in staat is actief strontium op te nemen uit oplossingen die zowel strontium als calcium bevatten. Onderzoekers van de Northwestern University en Argonne National Laboratory, beide in de VS, zijn er nu in geslaagd het geheim te ontrafelen.

Met een speciale techniek, X-ray fluorescence microprobe (XFM) kraakten ze het mechanisme. De alg dwingt het strontium in een kristal te kristalliseren, door het sulfaatgehalte in een vacuole (waarin het strontium is opgelost) te manipuleren. Met andere woorden: de alg gebruikt een sulfaatval. De alg gebruikt dus geen enzymen, maar een vrij eenvoudig chemisch proces (lagere oplosbaarheid) om het strontium te vangen.

Nu het mechanisme duidelijk is, kunnen de algen worden gebruikt om radioactief vervuilde omgevingen te helpen opruimen. Ze hebben alleen licht en water nodig om hun werk te doen. De algen uitzaaien is dus in principe voldoende, maar volgens de onderzoekers moet nog worden bepaald hoe resistent de algen tegen straling zijn voordat dit in een praktisch werkend systeem om kan worden omgezet. Ook moeten de algen natuurlijk worden geoogst en het strontium hieruit worden geconcentreerd.

Bronnen:
Minna R. Krejci, Brian Wasserman, Lydia Finney, Ian McNulty, Daniel Legnini, Stefan Vogt, Derk Joester, â€œSelectivity in biomineralization of barium and strontium,â€ J. Struct. Biol. 176, 192 (2011)
How Algae Use a â€œSulfate Trapâ€ to Selectively Biomineralize Strontium, Argonne lab press.comm. (2011)

De meeste hitte wordt geproduceerd in de aardkorst en de aardmantel, niet in de aardkern.

Raadselachtige hitteproductie in de aarde

5 reacties / Wereld, Wetenschap / Door Germen Roding / 21 juli 2011 21 juli 2011

Uit metingen blijkt dat er maar liefst zo’n 44 terawatt aan warmte in de aarde wordt geproduceerd, 2,5 maal zoveel als alle mensen samen gebruiken. En dat is maar goed ook, want dankzij die warmte is er vulkanisme en is de aarde geen dode planeet zoals Mars. Maar waar komt deze warmte vandaan? Ongeveer de helft is namelijk niet te verklaren uit de gangbare bronnen.

De aarde als natuurlijke kerncentrale

Volgens de gangbare theorieën wordt de aarde warm gehouden door het radioactieve verval van elementen als uranium, thorium (beide zijn in alle vormen radioactief) en de radioactieve kaliumsoort kalium-40. Er is alleen een probleem. Dieper dan een kilometer of tien zijn we niet gekomen. Uit gesteenten van vulkanische oorsprong weten we ongeveer hoe de aardmantel er uit ziet, maar de kern is bijna geheel terra incognita.
Gelukkig is er iets dat zonder problemen door duizenden kilometers rots heen kan bewegen. Neutrino’s. Dus besloot een groepje Japanse onderzoekers om op neutrinojacht te gaan met de neutrinodetector Kamioka Liquid-scintillator Antineutrino Detector (KamLAND). Hiermee kunnen antineutrino’s uit de aarde, door de onderzoekers geoneutrino’s genoemd, worden waargenomen.

Onbekende warmtebron
De eerste waarnemingen, uit 2005, bevestigden nauwkeurig wat al gedacht werd over de samenstelling van de radioactieve elementen en hun verdeling in de aarde. Meer dan vijf jaar later is duidelijk dat hun radioactiviteit niet voldoende is om alle warmte te verklaren. Radioactiviteit verklaart ongeveer de helft van alle warmte. Uranium 8 terawatt, thorium ook 8 terawatt en kalium-40 4 terawatt. Overige radioactieve stoffen leveren drie terawatt, samen ongeveer de helft dus. Er moet nog een andere bron van energie zijn die verklaart wat de aarde warm houdt. Voor een deel kan dit door afkoeling komen, wat de onderzoeker denken[1], of door andere, nog onbekende processen.

Bronnen
1. KamLAND Collaboration, Partial radiogenic heat model for Earth revealed by geoneutrino measurements, Nature Geoscience (2011)
2. What keeps the Earth cooking? – physorg.com (2011)

Zonnevlammen zijn zeer energierijke uitbarstingen op de zon, die invloed lijken te hebben op radioactief verval. Waar komt die energie vandaan?

‘Radioactief verval beïnvloed door zonnerotatie’

1 reactie / Wetenschap, Zonnestelsel / Door Germen Roding / 11 juni 2011 11 juni 2011

Al eerder deden Fischbach, Jenkins en Sturrock veel stof opwaaien met hun artikel over het verband tussen radioactief verval en zonneactiviteit. Deze keer hebben ze een verband gevonden tussen zonnerotatie en radioactiviteit. Hypothetische nieuwe deeltjes, die ze neutrello’s hebben gedoopt, zouden de missing link zijn. De implicaties zijn enorm.

‘Radioactief verval helemaal niet constant’

Al eerder beschreven we een publicatie door de natuurkundigen Fischbach, Jenkins en Sturrock, waarin de drie onderzoekers een verband beschreven tussen veranderingen in de snelheid van radioactief verval en zonnevlammen, grote explosies op de zon. Hiermee trapten ze heel wat collega’s tegen het zere been. Al sinds radioactiviteitspionier Becquerel postuleerde dat niets de radioactieve vervalsnelheid kan beïnvloeden, is dit een nauwelijks aangevochten dogma geworden. Geen wonder. De ouderdom van gesteenten en andere materialen wordt bepaald door middel van radioactief verval. Veel wetenschapsdisciplines, denk aan geologie en paleontologie, komen stevig in de problemen als we de radioactieve datering niet meer kunnen vertrouwen.

Er ontstond stevig rumoer, want geen enkele theoreticus had dit zien aankomen. En daar worden theoretici niet blij van. De afgelopen tachtig jaar heeft het zogeheten Standaardmodel zich redelijk ongestoord kunnen ontwikkelen zonder dat het door experimentele waarnemingen werd verstoord. Theoretici begonnen deze voorspelbaarheid vanzelfsprekend te vinden. Dit gaf theoretici de gelegenheid de metafysische snaartheorie, volgens de aanhangers een theorie van alles, uit te vinden en uit te werken. Aan dat feestje lijkt zo langzamerhand echter steeds meer een einde te komen. De natuur heeft een aantal verrassingen in petto.

Invloed van zonnerotatie
Verdere analyse van de datasets waar de onderzoekers mee werkten heeft bewijs opgeleverd van een 32-daagse periodiciteit (die overeenkomt met de rotatiesnelheid van de zon en een asymmetrie, mogelijk door een langzaam draaiende kern). Ook wees analyse van de datasets op een 173-daagse periodiciteit die overeenkomt met de Rieger-periodiciteit, een golfverschijnsel in de zon.

Helioradiometrie
Het drietal denkt dat aan de hand van het meten van de radioactieve vervalsnelheid, zonnevlammen meer dan een dag van tevoren zijn te voorspellen. Ongeveer een dag voor de zonnevlammen die ze hebben bestudeerd zich voordeden, verloopt het elektronen-vangproces van mangaan-54 een promille langzamer dan anders. Als hun resultaten worden geverifieerd, zou dit zeer goed nieuws betekenen voor de operators van satellieten en andere installaties die gevoelig zijn voor heftige zonnestormen. Er kunnen dan op tijd maatregelen worden genomen om ze te beschermen.

Neutrello’s: neutrino’s of een onbekend deeltje?
Er moet uiteraard iets deze invloed overdragen van de zon naar de radioactieve atoonkernen op de aarde. Fischbach, Jenkins en Sturrock denken dat dat neutrinoachtige deeltjes zijn die ze neutrello’s hebben gedoopt. Neutrello’s -als ze bestaan- hebben een aantal opvallende eigenschappen. Zo zijn ze in staat om dwars door de dichte kern van de zon te vliegen.

Althans, dat is de eenvoudigste manier om waarnemingen van het drietal, waarbij gedurende het optreden van de zonnevlam de daling van radioactiviteit in stand bleef, ook als de zonnevlam achter de kern van de zon schuil gaat, te verklaren. Ze zijn wel in staat zware atoomkernen op aarde te beïnvloeden. Klaarblijkelijk moeten deze zware atoomkernen iets hebben dat niet aanwezig is in de kern van de zon (die uit een dichte zee van waterstofkernen, heliumkernen en elektronen bestaat). Alleen deze laatste eigenschap wordt niet gedeeld met neutrino’s. De kans is dus groot dat het ‘neutrello’ in feite een neutrino is, aldus de onderzoekers.

Zonneraadsel
De interessantste vraag is uiteraard: waar komen deze deeltjes vandaan? Zonnevlammen zijn nog steeds een niet goed begrepen verschijnsel. De hypothese dat zonnevlammen een puur magnetisch verschijnsel zijn klopt duidelijk niet. Neutrino’s en andere vergelijkbare subatomaire deeltjes komen alleen vrij bij kernreacties of -misschien- interacties met donkere materie. Mogelijk dat door de zeer hoge versnellingen door de sterke elektromagnetische velden in de buurt van een zonnevlam de kernfusie daar oplaait. In principe zijn de elektromagnetische velden daar sterk genoeg voor. Ook is niet uit te sluiten dat er iets heel anders aan de hand is. Nieuwe natuurkunde?

Bron
Ephraim Fischbach, Jere H. Jenkins en Peter A. Sturrock, Evidence for Time-Varying Nuclear Decay Rates: Experimental Results and Their Implications for New Physics, Arxiv.org (2011)

Radioactieve kernen gericht laten ontploffen met gammastraling?

2 reacties / Ideeën en techniek, Wereld / Door Germen Roding / 8 april 2011 8 april 2011

Radioactieve vervuiling is één van de geniepigste vormen van vervuiling. Chemisch is er bijvoorbeeld haast geen verschil tussen radioactief jodium-131 en niet-radioactief jodium. Het enige verschil is het aantal neutronen in de atoomkern. Het is dan ook technisch vrijwel onmogelijk om radioactieve kernen er uit te filteren. Misschien is er echter een andere oplossing, met dank aan een aantal slimme Japanners.

Eerder schreven we al over de theoretische doorbraak waarmee Japanners er in slaagden, met behulp van gammastraling nieuwe radioactieve isotopen te produceren. Wie het nieuws rond Fukushima volgt, weet dat de Japanners nu juist te kampen hebben met het tegenovergestelde probleem: zwaar vervuild radioactief water. Zou het niet mogelijk zijn met behulp van gammastraling de instabiele radioactieve stoffen uiteen te laten vallen in stabiele kernen? Het omgekeerde effect dus?

Hoe verder het aantal protonen of neutronen afwijkt van de ideale verhouding, hoe radioactiever de atoomkern. Klik voor een vergroting.

Wat maakt een kern radioactief?
Elke atoomkern heeft een aantal positief geladen protonen met nul of meer neutrale neutronen. Het proton is stabiel. Neutronen vallen in ongeveer tien minuten uit elkaar in een proton en een elektron, maar in een atoomkern zijn ze wel stabiel (of veranderen protonen en neutronen voortdurend in elkaar). Protonen trekken de negatief geladen elektronen aan, zodat het hele atoom elektrisch neutraal wordt. Daardoor ontstaat een elektronenwolk rond de kern. Het aantal elektronen (en dus het aantal protonen) bepaalt de chemische eigenschappen van het atoom. Zo gedragen protium (een waterstofatoom met alleen een proton, zoals bijna alle waterstofatomen) en deuterium (een waterstofatoom met een proton en neutron in de kern) zich chemisch gezien bijna exact hetzelfde. Zwaar water (deuteriumoxide) lijkt precies op normaal water (met een iets hoger kookpunt).

Er komen iets meer dan negentig elementen (atoomsoorten) van nature voor. Het zwaarste natuurlijke element, uranium, heeft in de kern 92 protonen en 143 of 146 neutronen. Is in een kern in verhouding het aantal protonen of het aantal neutronen te hoog, dan wordt de kern instabiel en valt na verloop van tijd uiteen in een lichtere kern. Hierbij komt radioactieve straling vrij. Het zwaarste stabiele element is bismut. Alle elementen zwaarder dan bismut, zoals uranium, zelfs bismut zelf, vallen uiteindelijk uit elkaar. Dat geldt ook voor de onstabiele isotopen (alles met een andere kleur dan zwart-wit in de grafiek).

Of en wanneer een radioactieve kern uit elkaar valt is, voor zover we dat weten, een kwestie van toeval. We weten alleen hoe groot de kans is dat een bepaald type atoomkern uit elkaar valt. Zo is de vervaltijd van uranium-238, de meest voorkomende vorm van uranium, ongeveer 4,4 miljard jaar. Van alle uranium dat bestond sinds het ontstaan van de aarde is dus nog maar de helft over. Wat je wil is dat je met de een of andere techniek radioactieve isotopen snel uit elkaar kan laten vallen, als het ware het laatste zetje geeft om hun overtollige protonen, neutronen of elektronen (door uiteenvallen van een neutron) te dumpen.

Misschien dat een radioactieve kern met een uitgekiende golflengte gammastraling, of een hoogfrequent elektromagnetisch veld, in een vibratie is te brengen waarmee specifiek die isotoop wordt aangeslagen en uit elkaar gaat vallen. Daarmee zou je een voor een alle radioactieve isotopen kunnen uitschakelen, van zwaar naar licht. Misschien dat je met een hoge dosis neutrino’s hetzelfde effect zou kunnen bereiken. Aanwijzingen dat er een geheimzinnige invloed van de jaargetijden op radioactief verval is, zijn er. Misschien komt dit door een donkere-materiewolk waar de aarde sneller doorheen vliegt op een gegeven moment…

De zonnevlam van vijf december 2006 was buitengewoon fel en spectaculair.

Donkere materie en zonnevlammen

17 reacties / Ideeën en techniek, Universum, Wetenschap, Zonnestelsel / Door Germen Roding / 9 januari 2011 9 januari 2011

Het was een van de ontdekkingen die in 2010 natuurkundigen flink hoofdpijn bezorgden. Efraim Fischbach, onderzoeker aan Purdue Universiteit ontdekte op toevallige wijze iets wat tot nu toe door natuurkundigen als ketterij werd beschouwd: de radioactieve vervalsnelheid is niet altijd constant.

Uit onderzoek blijkt namelijk dat bepaalde radioactieve isotopen (silicium-32 en radium-226, het getal achter het streepje geeft het totale aantal kerndeeltjes aan) in de winter tienden van procenten sneller uit elkaar vallen dan in de zomer, m.a.w. hun halfwaardetijd in de winter is korter dan in de zomer. Fischbach verklaart dat uit de kleinere afstand tot de zon in de noordelijke winter (147 miljoen kilometer vergeleken met 152 in de noordelijke zomer waardoor naar schatting 3% meer zonneneutrino’s de aarde raken in januari dan in juli).

Volgens de bestaande natuurkundige theorieën beïnvloeden neutrino’s de genoemde reacties niet. Alleen de kans dat een atoomkern uit elkaar valt is bekend. Dit wordt de halfwaardetijd genoemd: de tijd waarin de helft van de atoomkernen uit elkaar gevallen is. Na twee keer de halfwaardetijd is driekwart uit elkaar gevallen enzovoort. Van zeer radioactieve stoffen is de halfwaardetijd een fractie van een seconde, van de vrij stabiele isotopen uranium-238 en thorium-232 bedraagt deze miljarden jaren.

Zonnevlammen na dalen radioactiviteit
Dertien december 2006 werd een tweede aanwijzing gevonden toen de vervalsnelheid van de kortlevende isotoop mangaan-54 anderhalve dag voor het begin van een zonnevlam tot tijdens de zonnevlam, met tienden van procenten daalde. Het effect bleek onafhankelijk van de stand van de zon.

Een kilometer onder de Italiaanse granietberg Gran Sasso vindt het donkere-materie detectie-experiment DAMA plaats. In honderd kilo natrium-titaanjodide, een zout, wordt het aantal radioactieve reacties gemeten. Hier bleek in januari het aantal radioactieve reacties lager te liggen dan in juni. Wat zorgt er voor dat de hoeveelheid radioactieve reacties in de zomer hoger is dan in de winter?

Donkere materie
Volgens de meeste astronomen hangt er een onzichtbare halo donkere materie rond het melkwegstelsel. Deze halo bevat veel meer massa dan de zichtbare materie en verklaart waarom sterren vlak bij het galactisch centrum nauwelijks sneller ronddraaien dan sterren verder van het centrum.

De zon draait in ongeveer 225-250 miljoen jaar rond de kern van de melkweg. Op dit moment beweegt de zon met 220 km/s in de richting van de ster Wega in het sterrenbeeld Hercules. De omloopbaan van de aarde maakt een hoek van rond de zestig graden met de omloopbaan van de zon rond de melkweg. In juni beweegt de aarde het meest in de richting van Wega en veegt dan de meeste donkere materie op. In januari beweegt de aarde juist het meest tegen de beweging van de zon in waardoor minder donkere materie wordt geschept.

Vermindert donkere materie bepaalde vormen van radioactiviteit?
Het is niet logisch dat een kortere afstand tot de zon leidt tot een verhoogde radioactiviteit. Dit is ook ontkracht door metingen aan de plutoniumreactor aan boord van de ruimtesonde Cassini die nu Saturnus fotografeert: de radioactiviteit bleek niet verminderd ook op grote afstand van de zon. De correlatie met DAMA spreekt echter een heel andere taal. Toevallig stemmen de punten waarop de aarde maximaal tegen de galactische draairichting in beweegt en de zon het dichtst nadert, redelijk nauwkeurig overeen.

Volgens sommige modellen is donkere materie oneffen verdeeld. Het is mogelijk dat een zeer snel bewegende wolk donkere materie van enkele astronomische eenheden groot zorgde voor zowel magnetische explosies op de zon (door thermonucleaire reacties in de fotosfeer te verstoren) als een vermindering van de radioactiviteit op aarde.