Ideeën en techniek

Terugkeer naar de maan in het komende decennium

Het is al een halve eeuw stil op de maan. Dat gaat in de jaren ’20 veranderen. Diverse ruimtegrootmachten hebben plannen aangekondigd voor een terugkeer naar de maan.

Zo hebben Rusland en China al aangekondigd samen een maanbasis te bouwen. Anderen, zoals de VS, Europa, India en Japan, zitten ook niet stil.

Astronaut Eugene A. Cernan van de Apollo-17 missie is één van de laatste drie mensen die op de maan rond hebben gelopen en -gereden. Na een halve eeuw is er nu eindelijk een terugkeer naar de maan. Bron: NASA

Terugkeer naar de maan in dit decennium

De maan is het dichtstbijzijnde hemellichaam en ook het enige hemellichaam, waarop mensen rond hebben gelopen. Het lijkt ongelofelijk, maar met de primitieve techniek van een halve eeuw geleden, met boordcomputers die minder konden dan die in een bankpasje nu, landden en wandelden er mensen op de maan. Dit had vooral te maken met de toen veel grotere risicobereidheid. Een bemanning, van de Apollo 13 missie, heeft het niet overleefd. Bij enkele andere missies was het kantje boord. Mede hierom, en de enorme kosten, is het sinds de laatste Apollo-astronaut opsteeg bijna een halve eeuw stil geweest op onze dorre satelliet.

Dat gaat in de jaren ’20 veranderen. Diverse machten hebben plannen aangekondigd voor een terugkeer naar de maan. Isaac Arthur deelt hier de plannen van de Amerikanen.

De maan is vooral interessant als overstappunt, en voor mijnbouw. De zwaartekracht van de maan is laag, waardoor ruimteschepen met in verhouding weinig brandstof kunnen vertrekken en landen. Ook prettig is dat de maan dicht bij de aarde ligt. Met een reis van hooguit enkele dagen is de maan te bereiken. Alle andere bestemmingen, denk dan bijvoorbeeld aan Mars, Mercurius of de buitenplaneten, vereisen maanden of zelfs jaren met de techniek van nu. Hoewel er op de maan minder te halen valt dan op verder weg gelegen bestemmingen, en de daglengte en zwaartekracht voor de mens ongunstig zijn, wegen deze voordelen toch op tegen de nadelen van een terugkeer naar de maan.

Cybernetische overheid: AI als minister-president

Wij mensen blinken op politiek gebied niet uit in integriteit. Wat als we kiezen voor een cybernetische overheid, dus een AI als regering benoemen?

De eerste maanden van 2021 waren geen hoogtepunt van de democratie. Opnieuw kwamen partijen aan de macht die uitblinken in kortetermijnpolitiek, de kiezers keer op keer bedonderen en het tegen de belangen van Nederland in handelen. Wat als we politiek overlaten aan computeralgoritmen? Futurologen houden serieus rekening met een toekomstige maatschappij die voornamelijk een cybernetisch karakter heeft.

In feite komt al meer van de politiek van een cybernetische overheid dan veel mensen zich realiseren. Econometrist en gevreesd, want deskundig en gewetensvol Tweede Kamerlid Pieter Omtzigt (CDA) stelde in zijn boek Een nieuw sociaal contract (2021), dat voor een buitenstaander onzinnig overheidsbeleid bedoeld is om koopkrachtmodellen te laten kloppen. Een mooi voorbeeld van Omtzigt is de nieuwe arbeidskorting in het Belastingplan 2021. De politiek wil “iets leuks” voor de middenklasse doen. Dus vindt de politiek een ingewikkelde arbeidskorting uit die maximaal is voor mensen met een middeninkomen rond de 40 000 euro. Niet toevallig de kiezersgroep van de heersende coalitie.

De cybernetische overheid is minder ver weg dan we ons realiseren. De reden voor het bestaan van deze bizarre regeling is het koopkrachtplaatje van de middenklasse, volgens het CPB-rekenmodel. Dat moet kloppen, vond de VVD. Bron: Rijksoverheid Nederland

De geheimen van de cybernetische overheid

Deze modellen zijn naar goed Nederlands politiek gebruik, geheim. Net als de epidemiologische modellen van het RIVM, waarmee de covid-19 besluiten worden onderbouwd en die wetenschappelijk gezien nogal omstreden zijn.

Als computers de facto toch al grotendeels de baas spelen in Nederland, kunnen we dit proces dan niet beter transparant maken? Waarom moeten we liegende, blunderende en draaiende politici als intermediairen tussen de kiezer en het rekenmodel hebben? Waarom niet rechtstreeks de broncode van de algoritmen die ons regeren, openbaar maken? En ons inspraak geven? Wordt het tijd voor psychohistorie?

Planned obsolescence: waarom er geen eeuwigdurende gloeilamp was

De aluhoedjes hebben gelijk. Niet voor niets was er geen eeuwigdurende gloeilamp te koop. Keer op keer maken fabrikanten doelbewuste ontwerpbeslissingen om zoveel mogelijk te kunnen verkopen. Ontwerpbeslissingen, die meer vervuiling en meer uitputting van grondstoffen betekenen. Maak kennis met planned obsolescence.

Wat is planned obsolescence?

Op een gegeven moment zijn producten overbodig geworden. Soms komt dat door normale slijtage die niet te voorkomen is. Soms door technische veroudering. Of omdat ze uit de mode raken. En soms, omdat het de bedoeling is dat ze veel sneller kapot gaan dan normaal. Of achteruit gaan in functies, omdat de fabrikant, bijvoorbeeld Apple, geniepig de prestaties omlaag schaalt in smartphones. Zodat consumenten een dure, nieuwe smartphone moeten kopen. Dit laatste concept is “planned obsolescence” (geplande overbodigheid) genoemd.

De “Centennial Light Bulb” brandt al meer dan een eeuw onafgebroken, maar geeft nu veel minder licht dan in het begin. Planned obsolescence maakt dat gloeilampen korter, maar feller branden. Bron: Wikimedia Commons/LPS.1

Waarom bestaat planned obsolescence?

Voor een belangrijk deel is dit aan fabrikanten te wijten. Maar ook aan ons, de consumenten. Keer op keer kiezen we voor modeartikelen in plaats van voor kwaliteit die een leven lang meegaat. En vooral aan ons economische model. Verandering registreren we als groei. Een economie waar in hoog tempo de natuur wordt omgezet in een afvalberg, kent veel hogere groeicijfers dan een Eldorica-achtige economie, waar bijvoorbeeld auto’s honderd jaar lang meegaan en huizen een kleine eeuwigheid.

Wat zijn de gevolgen?

Voor fabrikanten is er natuurlijk een enorm voordeel: meer verkopen. Maar ook de extra werkgelegenheid die planned obsolescence oplevert doet het goed in de werkloosheidscijfers. En voor de belastinginkomsten.

De prijs die de aarde, en dus wij, hiervoor betaalt is echter erg hoog. Veel meer afval en luchtvervuiling door het fabricageproces. Een lagere levenskwaliteit. Uitputting van moeilijk vervangbare grondstoffen.

Een einde aan planned obsolescence?

Geen wonder dat ook overheden met duurzame doelstellingen nu steeds meer proberen in te grijpen. Zo heeft de Franse Assemblée in de jaren tien een boete van 300.000 euro vastgesteld voor bedrijven die zich schuldig maken aan planned obsolescence. De Europese Unie bereidt nu wetgeving voor die het verplicht stelt, om apparaten repareerbaar te maken. Dus smartphones waarvan de batterij niet meer vervangen kan worden, zullen dan tot het verleden gaan behoren.

Ook is het de vraag of er geen slimmere manieren zijn om publieke goederen als werkgelegenheid en bestaanszekerheid te produceren, dan overconsumptie met een eindeloze berg afval.

En de eeuwigdurende gloeilamp? We hebben nu iets dat in alle opzichten beter is. LED-lampen zijn vier maal zo zuinig als gloeilampen en gaan rond de 100.000 branduren mee. Dat is ongeveer een mensenleven. Honderd maal zo lang als gloeilampen in de tijd van planned obsolescence.

2D wordt 3D met pen

Een pen als 3D-printer. Kijk hoe een 2D-tekening van een bloem op een steen, na de onderdompeling in een oplossing van kalium-persulfaat verandert in een driedimensionale bloem.

3D-pennen bestaan al langer. Ze vormen een soort hand-3D printer, gevoed met een rol 3D-filament dat gebruikt kan worden om vormen in de lucht mee te tekenen.

Deze techniek werkt anders en wel met twee soorten materiaal. De ene soort, de ‘lijm’ (hier: de zwarte inkt), hecht zich zowel aan de ondergrond als aan de tweede soort. De tweede soort, hier rood, bevat een waterafstotend middel en maakt zich daarom los, als de oplossing zich onder de inkt wurmt.

In de oorspronkelijke vorm was de inkt te slap en verloor het voorwerp zijn vorm. De uitvinders verhielpen dit, door ijzer toe te voegen aan de waterafstotende inkt. Deze reageert met de persulfaationen in de oplossing en vormt een hard laagje aan de buitenkant. Dankzij dit laagje behoudt de bloem zijn vorm.

Collega’s elders in de wereld van de Zuid-Koreaanse uitvinders Sumin Lee en Seo Woo Song noemen de ontdekking een doorbraak. Het wordt nu mogelijk om 3D-voorwerpen per briefpost te versturen. De ontvanger kan deze in een ontwikkel-oplossing leggen en het 3D-voorwerp laten drogen. Ook voor de fabricage van elektronica zien ze veel toepassingen. Als het tenminste lukt om elektronische schakelingen mee te printen.

En voor creatieve kunstenaars natuurlijk.

Dit is nog maar een eenvoudig voorbeeld. In de bron staan veel complexere ontwerpen. Zoals vlinders die met hun vleugels kunnen klappen onder invloed van een magnetisch veld.

Bron

Sumin Lee en Seo Woo Song, Direct 2D-to-3D transformation of pen drawings, Science Advances, 2021

Onzichtbare rijkdom moet verboden worden

Van het grootste deel van de bezittingen op aarde weet maar een klein aantal mensen van wie ze eigenlijk zijn. Ze vormen onzichtbare rijkdom. Waarom is dit toegestaan?

Zichtbare rijkdom

De welvaartsverschillen in een kleinschalige samenleving zoals een dorp zijn relatief klein. De reden is eenvoudig. Van iedere dorpsbewoner is bekend wat hij bezit en waar die rijkdom vandaan komt. Dus als een dorpsbewoner erg rijk is, zullen de overige dorpsbewoners de rijke vaker vragen om zijn verantwoordelijkheid te nemen. Bijvoorbeeld om arme dorpsbewoners, of een gemeenschappelijk project te sponsoren. Van nature houden mensen van gelijkheid. Alle rijkdom voor jezelf houden, maakt je als rijke weinig geliefd bij de rest. Vandaar, dat pas als bezit anoniem wordt, de verschillen in welvaart te hoog worden.

Vaak zien neoliberalen arme mensen als parasieten, die netto niets bijdragen aan het systeem. Dat is onzin. Als een schoonmaker en een vuilnisman tien keer zoveel zouden verdienen met hun werk als nu, dan waren ze “grote bijdragers”. Althans, volgens de boekhouder, dan. In de Covid-19 crisis zagen we hoe belangrijk het werk van juist de laagstbetaalde werkenden is. Vakkenvullers bleken onmisbaar. Zakkenvullers niet.

Onzichtbare rijkdom beheerst de wereld. Wat doen we er aan? – Predjama Castle, auteur: Stephen Colebourne from London, UK

Waar is de onzichtbare rijkdom?

Een bekende manier om rijkdom onzichtbaar te maken is de trust, voluit: trust of foundation. Het recept is simpel. De rijke “trustor” kiepert zijn vermogen in een stichting. En vanaf dat moment is de rijkdom onzichtbaar. Ondertussen staat deze stichting onder beheer van bewindvoerders, de trustees. De trustees beheren het vermogen van de trustor. Deze heeft officieel niets te zeggen. Wel geniet hij van de voordelen van het bezit. Deze trusts komen veel voor. Niet alleen voor particulieren, maar ook voor multinationals.

De trust is maar één voorbeeld van een rechtspersoon. Een rechtspersoon is een uitvinding uit de negentiende eeuw. De lokale supermarkt is niet het eigendom van een persoon, maar van een BV (bvba) of NV. Als deze BV failliet gaat, kunnen de schuldeisers naar hun geld fluiten. Een geliefde truc is om één BV met schulden vol te laden. Deze BV gaat vervolgens failliet. En simsalabim, weg zijn de schulden. Ondertussen is de belastingdienst wijzer geworden, maar dit soort fraude komt nog steeds geregeld voor.

Onzichtbare rijkdom, macht zonder controle

Grote bedrijven zijn nu in handen van een wereldwijd web aan beleggingsfirma’s en hedge funds. Deze fondsen hebben vaak ook aandelen in elkaar. Het is een onontwarbaar kluwen geworden. Een geldmachine, die een groot deel van de wereld afperst en de opbrengsten uitkeert aan een klein groepje superrijken. Niemand is verantwoordelijk. Ze betalen steeds minder belasting, maar maken wel gratis gebruik van de bescherming van de staten waar ze actief zijn.

Als bijvoorbeeld iemand in een StarBucks café de orde verstoort, of de zaak leeg komt roven, komt de politie. Als jij een restaurant begin onder de naam “StarBucks”, komt de politie aan de deur wegens schending van het merkenrecht van StarBucks. Dat kost de Nederlandse en Belgische staat, en dus ons, geld. Toch betaalt Starbuck nauwelijks belasting, door een uitgekiende constructie[1]. Dat betekent dat het bedrijf parasiteert op de samenlevingen waar ze hun dure, van ongezonde suikers bol staande koffie pluggen.

StarBucks is hierin niet uniek. Wereldwijd parasiteren bedrijven als Starbucks en Action op samenlevingen en verrijken hiermee hun eigenaars immens. Ze drukken de lonen en verhogen de kosten door steeds hogere prijzen voor hun producten en licenties te vragen. Zo ontvangt Microsoft voor bijna elke verkochte Android telefoon vijf tot tien dollar[2]. De reden: het pakket aan softwarelicenties, waarmee Microsoft smartphonemakers dreigt plat te procederen. Het gevolg is dat smartphones steeds duurder worden.

Hoe kan deze onzichtbare rijkdom aangepakt worden?

Eigendom is een negatief recht. Het geeft namelijk één persoon of groep personen exclusief recht op een bepaald item, bijvoorbeeld het patent op een bepaalde techniek, of land, met uitsluiting van anderen. Tegenover dit recht staan bepaalde plichten. Bijvoorbeeld de plicht, bij te dragen aan het land waar het eigendom in wordt erkend via het betalen van belasting. Op dit moment ontkomen de bezitters aan deze plicht, door zich te verstoppen. Ze profiteren wel van de rechtsbescherming voor hun eigendom, maar betalen hier niet voor. Ze schenden het sociale contract.

Tijd dus, om ons deel van het sociaal contract ook niet meer na te komen. Als een dakloze in StarBucks stennis schopt, kan de politie thuisblijven. Als Warda en Joost “illegaal” een nieuw Starbucks café beginnen zonder licentie, laat dan de burgemeester de opening verrichten en van harte aanbevelen in het lokale sufferdje.

Uiteraard zijn ook patenten van bedrijven die geen belasting betalen, niet meer geldig. We nodigen smartphone fabrikanten uit om hier in Nederland en België zonder royalties te gaan produceren. Wedden dat deze bedrijven voortaan bidden en smeken om netjes hun belasting te betalen?

Bronnen

  1. Zo ontwijkt Starbucks belasting, Arjan Noorlander, NOS, 2014
  2. Analyst: Microsoft gets $5 for every HTC Android phone, ZDNet, 2011

Links en rechts onderscheid nu mogelijk via gezichtsherkenning

Onderzoekers ontwikkelden een AI-algoritme dat in 70% van de gevallen aan een gezicht links en rechts in stemgedrag kan onderscheiden.

De verkiezingsstrijd tussen links en rechts in Usa liep eind 2020 hoog op. Bron: Wikipedia

In discussies tussen links en rechts lijkt het vaak, alsof twee verschillende menssoorten met elkaar aan het praten zijn. Links en rechts praten tegenwoordig steeds meer langs elkaar heen.

Ze zien de ander als alien. Vooral links heeft hier een handje van en reageert meer emotioneel. Een belangrijk onderscheid is ook dat linkse kiezers in hun gezicht meer emoties laten zien dan rechtse kiezers.

Niet duidelijk, waarom links en rechts er anders uit zien

Vervelend aan neurale netwerken is dat ze wel een redelijk nauwkeurige voorspelling kunnen doen, maar niet op grond waarvan ze die voorspelling doen. De onderzoekers waren daarom niet in staat om precies vast te stellen wat voor soort gezichtskenmerken hun systeem correleerde met politieke overtuiging, maar ze vonden wel enkele trends. Zoals de houding van iemands hoofd.

Ook de mate, waarin op de foto’s een vorm van gezichtsuitdrukking te zien was, leek enkele aanwijzingen te geven. Mensen die bijvoorbeeld direct in de camera keken, overigens een geliefde hobby van de om zijn conservatisme bekend staande ex-VVD politicus Wiegel, beoordeelde het algoritme gewoonlijk als progressiever. Degenen die wegkeken en walging toonden, kwamen daardoor juist op het stapeltje “conservatief” terecht.

Moeilijk te repliceren

Herhalen van dit onderzoek door anderen, een absoluut vereiste in de wetenschap, is lastig. De foto’s en politieke voorkeuren waarop hun algoritme is getraind, bevatten immers behoorlijk privacy-gevoelige informatie. Andere onderzoekers zullen dus hun eigen collectie van links- en rechtsstemmers moeten aanleggen en hier het algoritme op los laten.

Dat gaat alleen lastig worden, nu de verhoudingen zo gepolariseerd zijn. En mogelijk klopt deze correlatie buiten de (Californische) doelgroepen waar de onderzoekers hun data vandaan haalden, niet…

Hoe kan je deze kennis gebruiken als spin doctor?

De bedoeling is, om kiezers van jouw politieke voorkeur te laten stemmen, en anderen juist te ontmoedigen om te stemmen. Zo zou je door middel van gezichtsherkenning linkse en rechtse kiezers kunnen identificeren. Als je wilt dat vooral linkse kiezers gaan stemmen, kan je die aanspreken en aanmoedigen om te gaan stemmen. Rechtse kiezers wil je dan juist met cynische grappen over de “zakkenvullende politici” de lust ontnemen om te gaan stemmen.

Bron
Michal Kosinski. Facial recognition technology can expose political orientation from naturalistic facial images, Scientific Reports (2021). DOI: 10.1038/s41598-020-79310-1

Natrium uit zout vervangt lithium – lithiumschaarste voorbij?

Lithium, dat geheel gevormd werd tijdens de eerste paar seconden dat het heelal bestond, wordt steeds schaarser. Maar we zwemmen letterlijk in natrium, uit keukenzout. Is dit de oplossing voor het steeds grotere tekort?

Licht en schaars metaal

Lithium is het lichtste metaal dat in dit universum bestaat. Een blokje van het metaal blijft op water drijven, terwijl het borrelend en fel sissend reageert met het water. Ook met de zuurstof in de lucht reageert het snel. Daarom moet je dit metaal onder olie bewaren.

Tot einde van vorige eeuw was lithium vooral bekend (in de vorm van lithium carbonaat) als geneesmiddel bij patiënten met een bipolaire stoornis. Tot de lithium-ion batterij uitgevonden werd. Het gevolg: de vraag naar het vrij zeldzame alkalimetaal explodeerde. En daarmee de prijs.

Nu is er een probleem. Makkelijk winbare lithium begint schaars te worden. Dat geldt ook voor kobalt, een onmisbaar onderdeel van lithium-ion batterijen. Dus als we elke aardbewoner van een oplaadbare stekkerauto willen voorzien, moeten we een nieuwe bron van deze metalen zien te vinden. Of… een vervanger.

Natrium vervangt lithium

In een batterij of accu springen elektronen over naar een atoom, waaraan ze sterker binden. Als bijvoorbeeld een elektron overspringt van een lithiumatoom naar een chlooratoom, levert dit ongeveer twee volt op. 3,15 volt (chloor) min 0,98 volt (lithium) geeft 2,17 volt spanning. We kunnen die elektronen weer terug geven aan lithium, door er 2,17 of meer volt spanning op te zetten. Zo laad je de accu weer op. Chloor is niet zo praktisch. Het is immers een gas. Daarom werken de meeste lithium ion accu’s met vaste stoffen, zoals kobaltoxide.

– Werkingsprincipe lithium-ion batterij

Als we een stapje omlaag gaan in het periodiek systeem, staat direct onder lithium, het metaal natrium. Weliswaar is natrium veel zwaarder dan lithium, maar chemisch gezien lijken de twee metalen erg op elkaar. Het goede nieuws is: we zwemmen in dit metaal. Letterlijk. Want elke liter zeewater bevat twaalf gram puur natrium. Het zout in onze keuken zelfs 2/5 deel.

Natrium reageert erg heftig met water. Bron: Wikimedia Commons

Grotere massa niet zo erg

Nadeel is, dat een kilo natrium meer dan drie keer zo weinig atomen bevat als een kilo lithium. Dus, in theorie, kan er veel minder energie uitgehaald kan worden. Gelukkig blijkt dit in de praktijk mee te vallen. De anionen, dat wil zeggen: de negatieve ionen waarmee lithium en natrium zijn verbonden, zijn dezelfde. En deze anionen zijn zwaarder dan het lithium, of natrium. In totaal maakt het natrium maar hooguit 20 procent uit van de totale massa van het ontwerp. De elektrolyt (dat is het medium waar de ionen door heen reizen van de ene pool naar de andere pool), het materiaal van de polen en de negatieve ionen (anionen), zijn qua gewicht samen belangrijker.

Ook is natrium nog actiever dan lithium, waardoor 0,93 volt al genoeg is om een elektron los te wrikken. Bij lithium is veel meer nodig: 0,98 volt[1]. Dit maakt veel goed. Dit verhoogt namelijk de energie van de reactie. Natrium batterijen zijn ook veiliger dan die van lithium, kunnen tegen veel lagere en hogere temperaturen en geven hun vermogen veel sneller af. Waarom dan nog lithium, en geen natrium, in onze smartphones en laptops?

Voornaamste technische bottleneck nu opgelost

Een probleem is dat natriumatomen (en dus natriumionen) veel groter, en dus logger, zijn dan lithiumatomen. En dus moeilijker door de accu kunnen reizen. Het materiaal van de elektrode moet dus een soort “snelwegen” voor natriumionen bevatten. Twee ontdekkingen, in 2014 door een groep Japanners en in 2020 door een Zwitsers team, maken dit nu mogelijk. Beide teams hielden zich bezig met natrium-hydroboraten als elektrolyt. De Japanners slaagden er in 2014 in, dit goedje zo te verbeteren dat het Na+-ionen soepel door laat. [2] Helaas werkte dit mengsel alleen bij een zeer hete 250 graden C (523 K). Wat minder handig op je schoot, natuurlijk. Tenzij je Chuck Norris heet.

Gelukkig slaagde het Zwitserse team er in om het bereik op te rekken tot 100-700 kelvin. Dat wil zeggen, deze accu werkt zowel op de ijskoude grootste maan van Jupiter, Ganymedes, als op Mercurius. Dag en nacht. De temperatuur in huis is hiermee zeker geen probleem [3]. Nog meer goed nieuws is dat zowel boor, waterstof als natrium op aarde niet schaars zijn. Dus hebben we eenmaal een goede manier , dan kunnen we deze accu’s voor bijna niets maken.

Op dit moment werken twee Zwitserse instituten samen om een prototype van deze accu te ontwikkelen. Gaat dit lukken? En vinden zij en hun collega-onderzoekers een goedkoop productieproces uit? Dan betekent dit een grote doorbraak voor de goedkope opslag van zonne- en windenergie.

Bronnen
1. Elektronegativiteiten (tabel) – Wikipedia
2. Terrence A., Udovic et al., Sodium superionic conduction in Na2B12H12, Chemical Communications, 2014, DOI: 10.1039/c3cc49805k
3. Matteo Brighi et al., Closo-Hydroborate Sodium Salts as an Emerging Class of Room-Temperature Solid Electrolytes, Cell Reports Physical Science, 2020, DOI: 10.1016/j.xcrp.2020.100217

Rydbergontvanger kan alle radiofrequenties ontvangen

Stel je voor, een radio waarmee je alle mogelijke radiogolven kan ontvangen, van extreem-lage frequentie, tot 20 gigahertz. Dat is nu mogelijk met de Rydbergontvanger.

Rydberg-atomen. Door steeds meer energie toe te voegen, springt het buitenste elektron van een atoom naar een hogere baan. Er is steeds minder energie nodig om een baan hoger te springen, tot die energie bijna nul is. Dat is de Rydberg-toestand. Omdat het elektron nu bijna nul energie nodig heeft om te ontsnappen, is de Rydbergontvanger extreem gevoelig. Bron

Wat is een Rydbergontvanger?

De werking van een Rydbergontvanger berust op Rydbergatomen, in dit geval van het element rubidium. Rydbergatomen zijn atomen die veel groter zijn dan normale atomen, omdat het buitenste elektron heel veel extra energie bezit. Daarom bevindt dit elektron zich in een erg wijde baan om de atoomkern. Dat maakt Rydbergatomen erg labiel. Er is immers maar heel weinig energie nodig om het elektron te laten ontsnappen. En dus gevoelig. Zelfs het zwakste signaal is bij Rydbergatomen al voldoende om het elektron weg te laten springen, en dus een elektrisch stroompje te geven. Bijvoorbeeld, het zwakke signaal van een radiogolf.

Rydbergontvangers kunnen dankzij extreem-gevoelige Rydberg-atomen zeer veel verschillende frequenties ontvangen. Bron: leger USA

In deze ontvanger worden de rubidium-atomen opgepompt met een laser tot Rydberg-atomen en bij een microgolfcircuit geplaatst. Dat microgolfcircuit versterkt de signalen die door de antenne worden ontvangen. Rydbergatomen zijn zo gevoelig dat ze op alle golflengtes reageren – van extreem lange golflengtes (denk aan tienduizenden kilometers of meer) tot centimetergolven.

Erg handig in het leger natuurlijk, als er weer eens ergens een olie- of grondstofrijk landje van een anti-westerse dictator, of democratisch gekozen president, bevrijd moet worden. Hun stoorzenders gaan ze dan niet meer baten, want de Rydbergontvanger kan elke frequentie ontvangen, ook de niet-gestoorde frequenties.

Verwacht voorlopig geen Rydberg-modem waarmee je online Space Invaders kan spelen terwijl je trein door een tunnel rijdt. Het Usaanse leger wil eerst hun nieuwe speeltje doorontwikkelen tot een volwassen communicator. We zullen hier nog van horen.

Bron:

  1. David H. Meyer et al, Waveguide-Coupled Rydberg Spectrum Analyzer from 0 to 20 GHz, Physical Review Applied (2021). DOI: 10.1103/PhysRevApplied.15.014053
  2. David H Meyer et al, Assessment of Rydberg atoms for wideband electric field sensing, Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics (2019). DOI: 10.1088/1361-6455/ab6051

Toekomstige technologie, van 2022 tot het jaar 4000

Sommige toekomstige technologie is er nu al in rudimentaire vorm. Denk aan kwantum computers en wetware, de interface tussen brein en machine. Voorspellen dat deze technologie effectiever en goedkoper wordt, is dus vrij veilig. Of dat deze nieuwe toepassingen krijgt.

Moeilijker te voorspellen is echt disruptieve technologie. Dat is technologie, die de mens vermogens geeft die deze tot nu toe nog niet had. Vooral technologie, die het gevolg is van nieuwe wetenschappelijke doorbraken. Toch doen de makers van deze video, een moedige poging. Dit op basis van bestaande trends en de bekende natuurkundige wetten.

De voorspelling in de video dat de Alcubierre drive werkt, is omstreden. Het effect waarop deze drive berust, is nog niet in een experiment aangetoond. Al vormt het warpveld waarop de Alcubierre drive berust een geldige oplossing van de algemene relativiteitstheorie.

Dat wil zeggen, geldig, als er negatieve energie bestaat op onze schaal, niet alleen maar op de schaal van kleine deeltjes. En er een methode is om deze te scheppen. We kunnen dan ook zelf wormgaten aanleggen. Daarmee zou je in principe zelfs tijd kunnen reizen.

Wormgaten en warp drives zijn nog onbewezen toekomstige technologie, maar in theorie mogelijk. Bron: Genty/Pixabay

Vind je nanotechnologie klein? Welnu, het kan nog kleiner. Stel je voor, een complete fabriek opbergen in de ruimte van een atoom. Dat kan in theorie met femtotechniek. Technologie op de schaal van een atoomkern. Mogelijk kunnen we in de toekomst de sterke kernkracht net zo manipuleren als de elektromagnetische kracht nu. Dan zouden er compleet nieuwe technieken ontstaan. En nieuwe kansen. Nieuwe dingen om mee te maken en te onderzoeken. Denk aan een bezoekje aan het binnenste van de zon, of de aarde, bijvoorbeeld. Dat, en nog veel meer, zou dan mogelijk zijn.

Nieuwe natuurwetten, toekomstige technologie

Alles staat of valt met de vraag, of onze natuurkundige wetten, de enige wetten zijn die bestaan. Of dat er mogelijk nog nieuwe wetten bestaan. Inderdaad zijn er dingen die we nog niet kunnen verklaren met de wetten die we nu kennen. Zo hebben we geen flauw idee, wat donkere materie precies is. En waar die enorme ringen vandaan komen in de hemel. Zo groot, dat ze haast wel het restant van een botsing met een ander heelal lijken te zijn. Ontdekken we nieuwe natuurwetten, dan ontdekken we ook enorm veel nieuwe potentiële apparaten.

Vervanger van koper gevonden

Koperdiefstallen zijn een steeds hardnekkiger plaag. Daar zou wel eens verandering in kunnen komen. Met deze revolutionaire ontdekking zijn onderzoekers er in geslaagd, een vervanger van koper te vinden: koolstof.

Natuurlijk voorkomend koper. Wordt koper vervangen door koolstofnanobuisjes in stroomdraad? Bron

Kopervervanger dringend nodig

Koper is een erg goede elektrische geleider. Van alle metalen geleidt alleen het nog schaarsere zilver, stroom nog beter. Geen wonder dat koper heel veel gebruikt wordt voor elektronica en stroomkabels. Vooral de sterke vraag uit China maakt nu dat een kilo koper al gauw meer dan zes euro kost en geen koperhoudend voorwerp meer veilig is voor het dievengilde.

Onderzoekers zijn er nu voor het eerst in geslaagd een vervanger voor koper te vinden.[1] Een materiaal dat stroom beter geleidt dan dit steeds schaarser wordende metaal dus. Het materiaal in kwestie is koolstof, dat in de vorm van steenkool, kooldioxide en carbonaten zeer veel op aarde voorkomt. Het wordt een stroomgeleider in de vorm van een oude bekende: koolstofnanobuisjes, die veel weg hebben van een opgerold stukje grafeen. Koolstofnanobuisjes houden ook al een andere record: het materiaal met de hoogste treksterkte ter wereld.

Jarenlang moeizaam onderzoek levert vervanger

Na jarenlang moeizaam werk zijn onderzoekers zo ver dat de stroomdichtheid van koolstofnanobuisjes even groot is als die van koper. Dat wil zeggen: per volume-eenheid. Per kilo scoort het materiaal zelfs zes keer beter omdat het veel lichter is. Individuele buisjes geleiden zelfs tien keer zo goed stroom als koper, maar technisch was het tot nu toe niet mogelijk uit koolstofnanobuisjes een dikke stroomkabel te maken. De experimenten zijn uitgevoerd met dubbelwandige buisjes, die makkelijker te maken en te bewerken zijn. De onderzoekers willen nu een stroomkabel ontwikkelen die veel beter stroom geleidt dan koper. Daarvoor moeten ze enkelwandige koolstofnanobuisjes tot een stroomkabel ziet samen te vlechten. Een lastige uitdaging.

Voordelen

Naast een einde aan het kopertekort, besparen de nieuwe, lichte kopervervangers ook veel gewicht. Goed nieuws dus voor vliegtuig- en ruimteschip bouwers. Koolstof is zeer resistent tegen corrosie, dus de koolstof stroomkabels kunnen ook in chemisch zeer vijandige omgevingen gebruikt worden. Als de onderzoekers de belofte van een veel beter geleidend alternatief voor koper waar kunnen maken, wat ze gaan proberen,  betekent dit dat de zeven procent energie die nu als transportverliezen verloren gaat in het hoogspanningnet, wordt gehalveerd of nog beter. Dit geldt des te sterker nog voor de stroomkabels in huis. De kans is dus aanwezig dat deze kabels overal in huis zullen opduiken en dat het koper weer wordt omgesmolten tot mooie standbeelden of munten. Wat moet je er anders mee?

Langzame opmars koper vervangers

De opmars van koolstofnanobuisjes als geleider bleek in de praktijk minder soepel te lopen dan eerst gedacht. Het is nog steeds erg duur om koolstofnanobuisjes in grote hoeveelheden te produceren, al dalen de prijzen. Begin 2021 liggen deze rond de 200 euro per kilogram. Dit is nog steeds vele malen meer dan koper. Wel is de dichtheid van koper veel hoger is dan die van koolstofnanobuisjes. En nog niet alle problemen zijn opgelost. Onderzoekers worstelen nog steeds met het aan elkaar aan laten sluiten van de buisjes. Zolang dat niet lukt, blijft er veel interne weerstand in de kabels zitten. Waarschijnlijk worden de eerste toepassingen die in ruimtevaart en vliegtuigen. Hier is gewichtbesparing erg belangrijk.

In 2019 was de “technical readiness level” bijna 3. Dat betekent, dat is aangetoond dat het principe werkt, maar er nog geen in het lab gevalideerd prototype is. [3] Ga dus voorlopig geen kopermijnen shortsellen. Maar op iets langere termijn zal koper waarschijnlijk de weg van het bakeliet gaan. Zeker, nu een grote fabrikant, Yazaki, al koolstofnanovezels in aluminium kabels verwerkt om deze even goed stroom te laten geleiden als koper [4].

Bron:
1. Yao Zhao, Jinquan Wei, Robert Vajtai, Pulickel M. Ajayan en Enrique V. Barrera, Iodine doped carbon nanotube cables exceeding specific electrical conductivity of metals, Nature Scientific Reports (2011)
2. Can Carbon Nanotubes Replace Copper?, Assembly magazine, 2016
3. George Slenski, Replacement of copper wiring with carbon nanotubes in aerospace applications, 2019
4. Danielle Szatkovski, How do you replace all that copper wiring, Automotive News, 2019

Dutch