Techniek

Isotopenscheiding met kooimoleculen brengt kernfusie dichterbij

Deuterium, een belangrijke grondstof voor kernfusie, is nu lastig te winnen en daarom duur.

Indertijd, in de jaren tachtig van de vorige eeuw was het groot nieuws: het bestaan van buckyballs (C60), voetbalvormige koolstofmoleculen. Met het ontdekken van buckyballs ontstond ook het concept dat atomen, ionen en kleine moleculen in deze “kooi” opgesloten konden worden. Sindsdien is het stil rond buckyballs en soortgelijke moleculen. Alleen grafeen en koolstofnanobuisjes mogen zich in blijvende belangstelling verheugen. Nu blijk er toch een spectaculaire nieuwe toepassing te zijn. Voor kernfusie is deuterium nodig. Dat verschilt van de meest voorkomende vorm van waterstof omdat er niet alleen een proton, maar ook een neutron in de kern zit. Ongeveer één van de 6240 waterstofatomen is een deuteriumatoom. (Er is nog een derde waterstofisotoop, tritium (wellicht bekend van de ’tritium lights’), een radioactieve variant met een halfwaardetijd van iets meer dan tien jaar. Daarom komt tritium van nature bijna niet voor).

Deuterium scheiden van protium, ‘normale’ waterstof, is een moeizaam proces: beide isotopen zijn chemisch namelijk vrijwel identiek. Weliswaar is deuterium door de dubbele massa iets langzamer in chemische reacties dan protium, en zijn hoge concentraties deuterium in het lichaam (denk aan vele procenten van alle waterstof) daarom giftig, maar erg groot is dit verschil niet. Erg vervelend, want nu moeten beide isotopen met behulp van kostbare technieken, zoals gasdiffusie, van elkaar gescheiden worden. Op dit moment kost pure deuterium daarom enkele duizenden euro’s per kilogram.

Met deze nieuwe techniek komt hier, mogelijk, verandering in. De speciale moleculaire structuur van de separatorlaag – met strategisch geplaatste grote en kleine holtes – versnelt de zwaardere deuteriumdeeltjes ten opzichte van de protiumdeeltjes. Op die manier ontstaat een verrijking in deuterium in het concentraat. Als deze stap maar vaak genoeg herhaald wordt, ontstaat er uiteindelijk een zeer deuteriumrijk concentraat. Als deuterium eenmaal een hoog percentage van het concentraat uitmaakt, is het veel eenvoudiger om het deuteriumgehalte nog verder op te voeren.

Deuterium is de zwaardere variant van waterstof. Deuterium is zeldzaam: slechts 1 op de 3200 waterstofatomen op aarde is een deuteriumatoom. Bron: dancingwithwater.com
Deuterium is de zwaardere variant van waterstof. Deuterium is zeldzaam: slechts 1 op de 3200 waterstofatomen op aarde is een deuteriumatoom. Bron: dancingwithwater.com

De gebruikte techniek werkt alleen bij temperaturen die ongeveer dertig graden boven het absolute nulpunt liggen. De onderzoekers hopen een variant van de isotopenscheiding te ontwikkelen, die ook bij hogere temperaturen is toe te passen.

Bron:
Ming Liu et al. Barely porous organic cages for hydrogen isotope separation, Science (2019). DOI: 10.1126/science.aax7427

Was dit een filter? Nu is het een industriële lamp. Een mooi voorbeeld van upcycling. Bron: lampenoplichters.nl

Upcycling: de oplossing voor grondstof-, milieu- en energieproblemen?

Upcycling wordt steeds populairder. Afval als grondstof om zelfs nog waardevoller producten te maken. Is upcycling een kansrijk concept?

De mensheid is rijker en welvarender dan ooit, maar dit gaat ten koste van enorme afvalbergen. Zowel het bekende, zichtbare, end of life afval, als afval dat ontstaat tijdens de productie van grondstoffen en halffabrikaten. Aluminiumblikjes, bijvoorbeeld, zijn weliswaar uitstekend te recyclen, maar wel een berucht onderdeel van het zwerfvuil langs de wegen. Minder bekend is dat voor elke kilogram aluminium die uit bauxiet, aluminiumerts, gewonnen wordt, er tot twee kilogram giftige “rode modder” ontstaat. Rode modder is het residu dat overblijft uit bauxiet: een zeer basisch, ijzerrijk goedje dat funeste gevolgen heeft voor ecosystemen waar het in terecht komt. Bij een dambreuk van een Hongaars reservoir met rode modder ontstond er een vloedgolf van modder die meer dan een vierkante kilometer land, met de Marcal, een zijrivier van de Donau, voor enkele jaren onleefbaar maakte.

Al meer dan een eeuw wordt er gezocht naar alternatieven om aluminium op een milieuvriendelijker wijze te winnen, of in ieder geval om de rode modder om te kunnen zetten in een bruikbare grondstof. Een samenwerkingsverband van de universiteit Leuven, Imperial College London en de Franse aluminiumfabriek Alteo lijkt hier in geslaagd te zijn, zij het op erg kleine schaal. Ze hebben geëxperimenteerd met 150 kg van de afvalstof en zijn er in geslaagd om er keramieken voorwerpen van te maken. Een klassiek voorbeeld van upcycling: het produceren van waardevolle dingen van restafval. Interessanter is hun onderzoek om rode modder als grondstof voor geopolymeerbeton te gebruiken. Geopolymeerbeton vereist geen portlandcement, een enorme bijdrager aan de CO2-uitstoot. Hiermee zouden grote infrastructurele werken kunnen worden gebouwd. Met meer dan 160 miljoen ton rode modder per jaar is dit een zeer veelbelovende toepassing.

Was dit een filter? Nu is het een industriële lamp. Een mooi voorbeeld van upcycling. Bron: lampenoplichters.nl
Was dit een filter? Nu is het een industriële lamp. Een mooi voorbeeld van upcycling. Bron: lampenoplichters.nl

Steeds meer bedrijven vinden ook vernuftige manieren om uit afgedankte voorwerpen persoonlijke gebruiksartikelen te maken. Dit vermindert de milieubelasting op twee manieren. Niet alleen ontstaat er minder afval, maar ook wordt afval bij de productie van een nieuw gebruiksartikel voorkomen. Een mooi voorbeeld hiervan is de Nederlandse start-up Lampenoplichters.nl. Geen voormalig mandje, industrieel filter of glazen bol is veilig voor dit tweetal, dat ze omzet in originele, en ook opmerkelijk betaalbare, designlampen. Elke lamp is uniek, omdat er steeds andere end-of-life producten als uitgangspunt worden gebruikt. Een bijkomend voordeel hiervan is dat er voor bijna elk interieur wel een bijpassende lamp is te vinden. Nadeel is dat klanten er snel bij moeten zijn. Is een lamp eenmaal verkocht, dan is ook het enige exemplaar buiten bereik.

Dit illustreert dat upcycling vooral interessant is voor het verwerken van reststromen van grondstoffen. Hier liggen grote kansen voor grote industriële bedrijven. End-of-life producten upcyclen vereist daarentegen veel handwerk, maar dat kan juist interessante mogelijkheden bieden voor kleine ondernemers.

Climeworks is één van de bedrijven die nu sterk inzet op CO2-winning uit de lucht. Bron: Climeworks

Direct air capture: de CO2 economie gaat nu echt doorbreken

Kooldioxide is een omstreden broeikasgas en wordt vaak gedemoniseerd. Steeds vaker wordt CO2 nu benut als koolstofbron. Lost direct air capture (DAC) zowel het fossiele-brandstofprobleem als de door de mens veroorzaakte opwarming op?

Kooldioxide, een gas met twee kanten
Kooldioxide is een gevreesd broeikasgas, maar afgezien hiervan is kooldioxide een waardevol en onlosmakelijk onderdeel van het aardse ecosysteem. Vanuit plantaardig standpunt heeft de mensheid een welkom einde gemaakt aan een nijpende CO2-hongersnood. Koolstof is in levende organismen en de industrie een onmisbaar element. Koolstofatomen kunnen namelijk vier stabiele covalente bindingen aangaan, zowel met sterk elektronegatieve elementen als zuurstof, als met elektropositieve elementen. Koolstof kent van alle elementen de rijkste chemie. Koolstofketens vormen daarom de ruggengraat van vetten, van koolhydraten en zijn ook in aminozuren, de bouwstenen van eiwitten, onmisbaar.

De belangrijkste tak van chemie, organische chemie, houdt zich alleen met koolstofverbindingen bezig. Op dit moment is de voornaamste bron van koolstof aardolie. Tot op heden was aardolie, met aardgas en de lastig handelbare steenkool, het goedkoopste alternatief. Daar lijkt nu verandering in te komen. De reden: DAC.

Wat is direct air capture?
Onze atmosfeer bestaat uit 78% stikstof, 21% zuurstof en 1% argon, een edelgas. Kooldioxide maakt 0,04% van onze atmosfeer uit. Direct air capture distilleert kooldioxide uit de lucht. De traditionele, maar veel energie vergende methode is lucht samen te persen en af te koelen tot het sublimatiepunt van kooldioxide: -78 graden bij atmosferische druk. Op dit moment wordt veel onderzoek gedaan naar speciale filters en chemicaliën om hiermee selectief kooldioxide uit de lucht te filteren. De theoretisch maximale efficiency voor dit proces is 250 kilowattuur per ton gewonnen CO2. Dat is extreem veel energie: de energierekening van een gemiddeld gezin voor een seizoen, of, anders uitgedrukt: om deze 250 kWh op te wekken, komt 125 kg CO2 vrij bij grijze stroom. En we spreken hier over een theoretisch optimum: in de praktijk is meer energie nodig. Tot voor kort was dit een onoverkomelijke barrière voor DAC, maar het oprukken van goedkope zonne-energie en slimmere scheidingstechnieken maakt DAC nu interessant.[1]

Climeworks is één van de bedrijven die nu sterk inzet op CO2-winning uit de lucht. Bron: Climeworks
Climeworks is één van de bedrijven die nu sterk inzet op CO2-winning uit de lucht. Bron: Climeworks

Wat doen we met deze CO2?
Sommige bedrijven pompen water met deze CO2 in een onderaardse CO2-absorberende laag, zoals poreus basalt, waarin de kooldioxide mineraliseert. Hiermee wordt de CO2 inderdaad effectief opgeborgen. Anderen gebruiken de CO2 als meststof voor tuinders (onder hoge CO2-concentraties stijgen de opbrengsten met 25% of meer) of voor het carboniseren van frisdrank.
Maar in feite is dit maar het begin van de mogelijkheden. In principe kan kooldioxide om worden omgezet in eenvoudige organische moleculen zoals methanol[2] of ethanol. Grafeen. Diamant. Of wellicht biochar, poederkool die de bodem beter water en voedingsstoffen vast laat houden.Hebben we eenmaal overvloedig energie, dan zijn de mogelijkheden bijna eindeloos.

Bronnen
1. M. Fasihi et al., Techno-economic assessment of CO2 direct air capture plants, Journal of Cleaner Production
Volume 224, 1 July 2019, Pages 957-980, DOI: 10.1016/j.jclepro.2019.03.086
2. Xiaowa Nie, Xiao Jiang, Haozhi Wang, Wenjia Luo, Michael J. Janik, Yonggang Chen, Xinwen Guo, Chunshan Song. Mechanistic Understanding of Alloy Effect and Water Promotion for Pd-Cu Bimetallic Catalysts in CO2 Hydrogenation to Methanol. ACS Catalysis, 2018; 8 (6): 4873 DOI: 10.1021/acscatal.7b04150

Vormen anti-verouderingsmedicijnen een bron van de eeuwige jeugd? Lucas Cranach, der Jungbronnen. Bron: Wikipedia Commons/Lucas Cranach

Waarom de overheid anti-verouderingsmedicijnen zou moeten vergoeden

De kosten voor gezondheidszorg rijzen de pan uit. De reden: de bevolking veroudert, maar de leeftijd waarop zich de eerste chronische ziekten aandienen, de gezonde leeftijdsverwachting, daalt licht. Daardoor wordt de periode waarin mensen medische zorg nodig hebben, gemiddeld steeds langer. Is het niet slimmer om het verouderingsproces zélf te stoppen, in plaats van aan symptoombestrijding te doen?

Gezonde levensverwachting
De gezonde levensverwachting is gedefinieerd als het aantal levensjaren, dat een gemiddeld lid van de populatie (bijvoorbeeld Nederlanders of Belgen) ziektevrij doorbrengt. Hoe ouder mensen worden, hoe groter de kans dat ze een chronische ziekte, zoals suikerziekte, hartklachten of kanker oplopen. Het gevolg daarvan is dat het aantal ziektejaren, en hiermee de kosten van de gezondheidszorg, exploderen. Waar in 1980 mannen in Nederland gemiddeld op hun 60ste ziek werden, en op hun 72e stierven (12 jaren), is het aantal ziektejaren nu toegenomen tot 15 jaren (op een levensverwachting van 80 jaar) (1): Deze trend zal bij ongewijzigd beleid, en zonder dat er ingrijpende veranderingen zullen komen, doorzetten. Kortom: willen we dat de levenskwaliteit van ouderen goed blijft, en de kosten voor gezondheidszorg beheersbaar, dan is het verstandig om ons veel meer dan nu te richten op preventie van chronische ziekten.

Het percentage gezonde jaren daalt.
Het percentage gezonde jaren daalt.

 

Chronische ziekten als symptomen van veroudering
Bij oude mensen komen chronische ziekten veel meer voor dan bij jongeren, De reden is dat ons lichaam veroudert. Dit uit zich in veranderingen in cellen, weefsels en organen. Telomeren, de uiteinden aan chromosomen, worden korter. Steeds meer cellen springen daarom in de ‘slaapstand’: ze veranderen in senescente cellen. Ons immuunsysteem verzwakt. De communicatie tussen mitochondriën en de celkern raakt ontregeld(2).  Eiwitten verliezen hun vorm en verstoppen cellen.
Uit recent wetenschappelijk onderzoek blijkt steeds meer dat typische ouderdomsziekten, zoals diabetes, kanker, dementie en reuma, in feite slechts symptomen zijn van deze processen. Kunnen we deze verouderingsprocessen stopzetten of zelfs omkeren, dan voorkomen we veel van deze ziekten.

Hebben we al effectieve medicijnen tegen veroudering?
Misschien dat we onbedoeld zelfs al enkele effectieve anti-verouderingsmedicijnen in handen hebben, die nu worden gebruikt om ouderdomsziekten te behandelen. Metformine, bijvoorbeeld, is een effectief medicijn tegen ouderdomsdiabetes. Nu bleek uit medische onderzoeken iets opmerkelijks. De levensverwachting van diabetespatiënten die met metformine werden behandeld, bleek zelfs hoger te liggen dan die van

de gezonde controlegroep(3). Metformine is overigens geen onschuldig snoepgoed en kent enkele bijwerkingen.
Een cocktail van het anti-leukemiemedicijn dasatinib en quercetine (een voedingssupplement), bleek effectief in het verwijderen van senescente cellen in patiënten met gevorderde IPF (idiopathische pulmonaire fibrose), waardoor zij in een veel beter

e conditie raakten(4). Ook dasatinib heeft de nodige bijwerkingen.

Preventie is prettiger en goedkoper dan dure pleegzorg
Als we er in slagen door een uitgekiende combinatie van medicijnen en voedingssupplementen, het verouderingsprocess flink te vertragen of zelfs om te draaien, komen er vele gezonde levensjaren bij. Ze hoeven minder een beroep te doen op verpleegzorg of ziekenhuizen en kunnen, als ze dat willen, langer doorwerken. En het allerbelangrijkste: dit vergroot het levensgeluk van ouderen sterk. Als de overheid, of ziektenkostenverzekeraars deze medicijnencocktails zouden vergoeden, betekent dat een veel langere levensduur.

1. Trends in gezonde levensverwachting, CBS, 2014
2. Nuo Sun, The Mitochondrial Basis of Aging, 2016
3. N. Barzilai et al., Metformin as a tool to target aging, Cell Metabolism, 2016
4. First in-human trials of senolytic drugs encouraging, Science Daily, 2019

Narikel Janjira, buiten Bangladesh beter bekend als Saint Martin's Island, wordt een steeds geliefdere toeristische bestemming.

Bangladesh bereidt zich voor op een toekomst op het water

Stel, je woont in een dichtbevolkt land waarvan geregeld de helft onderstroomt. Tot overmaat van ramp stijgt de zeespiegel. Komt het bekend voor? Bangladesh zit met hetzelfde probleem als Nederland. Wat kan Nederland leren van de Blauwe Economie van Bangladesh?

Bangladesh: van armste land ter wereld tot maritiem powerhouse
Toen de Bangladeshi zich met de hulp van India bevrijdden van Pakistaanse onderdrukking in 1971, leek de situatie hopeloos. Bangladesh is drie keer zo dicht bevolkt als Nederland en België: de 160 miljoen overwegend islamitische Bangladeshi  bewonen een laag liggende rivierdelta van 3,5 maal Nederland. Bij zware moessons loopt vaak meer dan de helft onder water. Het Pakistaanse leger hield wreed huis, waarbij naar schattingen van de Bengaalse overheid drie tot tien miljoen Bengalen zijn vermoord. Vooral intellectuelen moesten het ontgelden. Ook werd er veel infrastructuur vernield. Kortom: Bangladesh was na de onafhankelijkheid een ruïne. Van het ooit gouden Bengalen (shonara Bangla) was weinig over. De Bangladeshi moesten letterlijk hun land uit een moeras opbouwen.

En dat deden ze. Het uitermate wrede optreden van het Pakistaanse leger, opgehitst door extremistische Deobandi mullahs die de Bangladeshi tot koeffaar (ongelovigen) verklaarden, genas de Bangladeshi grondig van utopische idealen over een islamitische samenleving. Ze wisten dat de toekomst alleen maar beter kon worden dan het heden. De Bengaalse diaspora en buitenlandse hulp stonden de bevolking bij. Bangladesh schuilde onder de militaire paraplu van machtig buurland India, waardoor de Bangladeshi zich konden toeleggen op het opbouwen van hun land, en niet, zoals de bezetter Pakistan, miljarden hoefden te verspillen aan tanks, raketten en vliegtuigen. Bangladesh slaagt er zelfs in meer dan een miljoen Rohingya vluchtelingen op te vangen. Dat aantal is evenveel als het honderd maal zo rijke Duitsland opgevangen heeft.

Belastingen zijn laag en ondanks de hardnekkige corruptie, werd het geld dat binnenkwam grotendeels verstandig besteed. Het gevolg hiervan is dat de economie van Bangladesh groeit als kool, gemiddeld zo’n zes procent per jaar. Toch dreigen er donkere wolken aan de horizon. Het voornaamste probleem is de stijgende zeespiegel, die het landoppervlak van Bangladesh drastisch zal doen afnemen..Bangladesh besloot daarom voor de vlucht naar voren te kiezen. Succesvolle onderhandelingen met buren India en Myanmar legden de maritieme grenzen vast, waardoor het bruikbare oppervlak voor Bangladesh bijna verdubbelde. Een steeds groter deel van de economische groei komt nu uit het ontwikkelen van de zogeheten blauwe economie.

De blauwe economie: wonen en verbouwen op het water
Drijvende tuinen: Als landdieren zijn wij mensen van nature huiverig voor water. We zijn geneigd water te zien als verloren land. Dit is onterecht. Met enige aanpassingen is water prima om te toveren tot productief landbouwgebied. Zo worden drijvende tuinen in Bangladesh steeds populairder[1]. In het zuiden van het land groeit veel waterhyacint, in de subtropen een hardnekkig wateronkruid dat natuurlijk drijfvermogen  levert.  Dit wordt als ondergrond voor drijvende tuinen gebruikt. De laag met waterhyacint wordt bedekt met teelaarde. In het noorden groeit weinig waterhyacint, waardoor gebruik wordt gemaakt van plastic drijvers, zoals lege plastic vaten. Varianten die nu ook worden uitgerold zijn drijvende eendenhokken, drijvende scholen en visvijvers. De kosten voor deze drijvende tuinen zijn relatief laag: alleen arbeidsloon voor drijvende tuinen op basis van waterhyacinth, $260 (rond de tweehonderd euro) voor een drijvende tuin van honderd vierkante meter met plastic drijvers. Geen wonder dat de overheid van Bangladesh veel ziet in dit systeem en het uit wil breiden tot 20 000 vierkante kilometer oppervlak. [2] Ook in het buitenland is deze uitvinding uit Bangladesh een doorslaand succes. Onder andere Cambodja en de Filippijnen passen het concept nu toe.

Narikel Janjira, buiten Bangladesh beter bekend als Saint Martin's Island, wordt een steeds geliefdere toeristische bestemming.
Narikel Janjira, buiten Bangladesh beter bekend als Saint Martin’s Island, wordt een steeds geliefdere toeristische bestemming.

Nederland en in beperkte mate België kan dit ook. Zo kunnen we zeewier kweken, enkele proefboerderijen zijn al actief. Wanneer visteelt, intensieve varkenshouderij en sommige tuinbouw naar de zee wordt verplaatst, vermindert dit de milieubelasting enorm. Ook wordt de ziektedruk veel minder.

Het continentaal plat van Bangladesh verdubbelt de oppervlakte van het land. Bron: 3.
Het continentaal plat van Bangladesh verdubbelt de oppervlakte van het land. Bron: 3.

Zeebodem exploiteren: een overeenkomst tussen India en Bangladesh maakte de weg vrij om de zeebodem die grenst aan Bangladesh in gebruik te nemen. [3] Deze deal verdubbelt de oppervlakte van Bangladesh en maakt het mogelijk naar olie en gas te boren, voorzover nog relevant, en zeemineralen te winnen.

Toerisme: de eilanden in de Zee van Bengalen zijn omringd door koraal en kleurrijke vissen. Onder andere het eiland Saint Martin (Narikel Jinjira) wordt hierdoor steeds populairder bij toeristen. Sommige planners overwegen het creëren van nieuwe eilanden. Dit zou Nederland ook kunnen doen.

Bronnen
1. The floating gardens of Bangladesh, New York Times (2014)
2. Floating Garden Agricultural Practices in Bangladesh: A Proposal for Globally Important Agricultural Heritage Systems (GIAHS), ministerie van landbouw van Bangladesh
3. BD gets 19,467 sq km disputed area in the Bay; Exclusive economic zone and continental shelf up to 667 km in the sea, Bangladesh Chronicle, 2014

De binnenkant van een O'Neill cilinder. Bron: NASA/Don Davis via Wikimedia Commons

Terrabuilding in plaats van terraforming: de voordelen van O Neill cilinders

Overbevolking? Onzin, tenminste als we ruimtevaart voortvarend aanpakken. In het zonnestelsel is er voldoende materiaal voor het aanmaken van biljoenen malen de aardoppervlakte. Hoe? Door langzaam roterende O’Neill cilinders te maken.

Op aarde gebruiken we in het dagelijkse leven alleen maar de eerste meters van de aardkorst. De rest heeft voor ons maar één functie: zwaartekracht opwekken. Wat, als we die zwaartekracht op een andere manier kunnen opwekken? Dat kan: namelijk door de middelpuntvliedende pseudokracht, zoals aan de binnenkant van een ronddraaiende cilinder. Een cilinder met twee kilometer doorsnede moet bijvoorbeeld één maal per minuut roteren om een aardachtige “zwaartekracht” op te wekken.

Professor Gerard O’Neill werkte het idee van roterende ruimtekolonies verder uit en berekende, dat een cilinder van staal maximaal vier kilometer in diameter en dertig kilometer in lengte kan zijn. (Hier een artikel voor leken) Er ontstaat zo een “ruimte-eiland” met vierhonderd vierkante kilometer leefruimte, ongeveer de oppervlakte van Malta, Singapore, Texel of Andorra. Met koolstofnanovezels kunnen zelfs veel grotere ruimtekolonies met de grootte van een klein continent worden gebouwd. In deze video een grondige behandeling van het fenomeen O’Neill cilinders, zoals we die van Isaac Arthur gewend zijn.

De meest geschikte locaties voor O’Neill cilinders zijn de twee Lagrangepunten die tussen de aarde en de maan liggen: L4 en L5. Het kost daar geen energie om op dezelfde plek te blijven hangen. Deze vormen ook een ideale opstapplek voor vrachtverkeer richting de asteroïdengordel. Worden deze Lagrangepunten straks de overslagkades van het zonnestelsel?

Lees ook
Hoe is het leven in een ruimtekolonie?
Uitgeholde asteroïde

Sport onder gewichtsloze omstandigheden kan groot worden. Hier een bal die aan boord was van de verongelukte Space Shuttle Challenger. Bron: NASA

Hoe zullen ruimtehavens er uit zien?

De aarde vormt een diepe zwaartekrachtsput en is daarmee niet erg geschikt als haven voor ruimtevoertuigen. Waar kunnen we het beste het overslagpunt voor ruimtereizen inrichten? De maan, een van de Lagrangepunten van het aarde-maanstelsel of toch maar LEO, low earth orbit?

"Metrokaart" van het zonnestelsel met delta-v per node. Klik voor een vergroting. Bron: User: CuriousMetaphor op reddit.com
“Metrokaart” van het zonnestelsel met delta-v per node. Klik voor een vergroting. Let op: zeer groot, doe dit niet op je databundel. Bron: User: CuriousMetaphor op reddit.com

Wat is delta v en waarom is delta v zo belangrijk in de ruimtevaart?
Delta v is de totale verandering (delta in natuurkundige vergelijkingen) in snelheid (v). Delta v wordt uitgedrukt in kilometers per seconde. Als de intercity waarin je zit versnelt van 0 naar 240 km/uur en vervolgens weer stopt bij het volgende station, is de delta v (240 + 240 = 480) km/uur (oftewel: 0,133 km per seconde). Op aarde is dat niet zo belangrijk. Een trein kan afremmen op de rails en de elektromotor. In het luchtledig van de ruimte kan dat niet, je zou misschien de zonnewind of het magneetveld van de zon of de aarde kunnen gebruiken, of je snelheid verkleinen of vergroten door een “gravity slingshot” langs een planeet, maar dat is het dan wel. Dat betekent: zowel versnellen als afremmen kost evenveel raketbrandstof. Raketbrandstof die je aan het begin van je reis moet meenemen, want er zijn nog geen tankstations onderweg. En waarbij het ook weer veel brandstof kost om deze extra brandstof mee te nemen. Voor de gemiddelde interplanetaire missie bestaat maar enkele procenten van het laadgewicht uit nuttige lading. De rest, meer dan 90 tot 98 procent, is stuwstof. Kortom: de delta v van je reis wil je zo laag mogelijk hebben.

Sport onder gewichtsloze omstandigheden kan groot worden. Hier een bal die aan boord was van de verongelukte Space Shuttle Challenger. Bron: NASA
Sport onder gewichtsloze omstandigheden kan groot worden. Hier een bal die aan boord was van de verongelukte Space Shuttle Challenger. Bron: NASA

Zwaartekrachtsput
Van alle delta v die nodig is om van de aarde naar bijvoorbeeld Mars te reizen, ongeveer 20 km/s, is er maar liefst 11,1 km/s nodig om volledig aan de aarde te ontsnappen. Voor de eigenlijke reis van de aarde naar Mars zelf veel minder, ongeveer 1 km/s. De rest is nodig om op Mars tot stilstand te komen, tenzij je wilt eindigen als de zoveelste krater op het al behoorlijk geteisterde oppervlak van Mars. Dat maakt de aarde een slechte keuze als overslagstation voor interplanetaire ruimtevaart. Een retourtje aarde vanaf een Lagrangepunt komt je op meer brandstof te gaan dan een enkele reis Mars: 22 km/s. Laat staan, als die enkele reis Mars via twee strategisch geplaatste ruimtehavens op de Lagrangepunten van de aarde en Mars verloopt: rond de 1 km/s. Kortom: een snuggere ruimteveerdienst blijft ver uit de buurt van de aarde en maakt gebruik van de Lagrangepunten. Hier een video met meer details.

Leven in een ruimtehaven
In het begin zal een ruimtehaven spartaans ingericht zijn, maar dat zal niet zo blijven. Als ruimtemijnbouw en het koloniseren van de rest van het zonnestelsel echt op gang komt, zal het een komen en gaan zijn van passagiers. Ook is een ruimtestation een toeristische attractie op zich. Denk aan de vele mogelijkheden van gewichtloosheid. Of het spectaculaire uitzicht op de aarde. Fabrieken waar hoog-vacuüm of microzwaartekracht benut kunnen worden? Casino’s? Zero gravity sportzaal? De mogelijkheden zijn zo eindeloos als de ruimte zelf.

Het NASA Kilopower experiment is bedoeld voor astronauten om zelf 1-10 kilowatt stroom op te wekken. De 93% uranium-235 in de brandstofkern maakt het iets minder aantrekkelijk voor thuisgebruik. Bron: Wikimedia Commons/NASA

Hoe wek je zelf je stroom op?

De Nederlandse overheid ontdekt gas en stroom steeds meer als lucratieve melkkoe. Off grid gaan, wat is daar voor nodig? Dit stappenplan kan helpen om jezelf los te koppelen van het stroomnet..

Raak vertrouwd met je stroomverbruik en identificeer de grootste stroomslurpers. Zoek hiervoor stroomzuiniger alternatieven.
Elke dag gebruikt de gemiddelde Nederlander of Vlaming zo’n vijf kilowattuur aan stroom. Ontdek hoe hoog jouw stroomverbruik is en hoe dat over de dag verdeeld is. Zonnestroom, bijvoorbeeld, is overvloedig aanwezig overdag en in de zomer, maar niet meer zodra de zon onder is en in de winter. Uit onderzoek blijkt dat drie op zich vrij nutteloze apparaten verantwoordelijk zijn voor het leeuwendeel van het stroomverbruik. Dat zijn waterbedden, elektrische boilers en tropische aquaria. Ook apparaten als vrieskisten, koelkasten en plasmaschermen zijn bericht om hun hoge stroomverbruik. Identificeer met een stroommeter de grootste stroomvreters. Wil je onafhankelijk worden, dan kan je deze het beste uit je leven bannen. Hoe minder stroom je gebruikt, hoe makkelijker het is om zelf in je stroom te voorzien. Slaag je er bijvoorbeeld in om je stroomgebruik terug te brengen tot bijvoorbeeld één kilowattuur per persoon per dag, dan heb je vijf maal zo weinig stroomleveranciers en opslagcapaciteit nodig.

Bekijk, welke mogelijkheden er zijn voor alternatieve energie.
De meest bekende vorm van alternatieve energie is de zon. Zonne-energie kan in twee vormen benut worden: via een zonneboiler op het dak of via zonnepanelen. De zon kan enorm veel vermogen leveren – op jaarbasis levert een zonnepaneel in de Lage Landen per kilowatt geïnstalleerd vermogen (1000 Wp) dat optimaal geplaatst is (45 graden, zuiden) zo’n 950 kilowattuur op. In theorie zou dat betekenen, dat het gemiddelde huishouden met vierduizend Wp volledig zelfvoorzienend zou zijn. Het nadeel van zonne-energie is de variabiliteit, vooral tussen winter en zomer. In de winter leveren zonnepanelen ongeveer een kwart op van de energie die ze in de zomer opleveren. Wil je energie-onafhankelijk worden, dan is het -zeker met de lage prijzen voor zonnepanelen nu – te overwegen om te overdimensioneren voor de winterzon en de zonnepanelen onder een hoek van minimaal 40 graden te plaatsen, zodat de opbrengst in de winter maximaal is.

Helaas stierf de Hyperion nucleaire batterij een vroege dood. Dit kleine apparaat kan een eiland zo groot als Texel voor twintig jaar van stroom voorzien.
Helaas stierf de Hyperion nucleaire batterij een vroege dood. Dit kleine apparaat kan een eiland zo groot als Texel voor tien jaar van stroom voorzien.

Het kan zijn dat lokale omstandigheden bijzondere vormen van energiewinning mogelijk maken. Zo maken veel boeren in de polders gebruik van brongas. Beschik je over een groter stuk land, dan worden biogas, houtgas en houtkachel interessant om in de winter voor aanvullende energie te zorgen.
Zorg in het geval van biogas wel voor goede isolatie of bijverwarming om de temperatuur van de gistingstank boven de 25 graden te houden. Een kilogram GFT-afval levert genoeg biogas om een uur op te koken.

Ook kan je papier inzamelen bij vrienden en bekenden; de verbrandingswaarde van papier per kilogram is ongeveer een derde van die van benzine. Door papieren briketten op te stoken, gemaakt van eigen papier met een brikettenpers, is in ongeveer de helft van de jaarlijkse warmtebehoefte te voorzien. Houtkachels zijn mooi te combineren met een Stirlinggenerator of Seebeck effect generator. Het rendement van Stirlinggeneratoren is niet verbijsterend hoog, te vergelijken met die van een benzinegenerator, maar ze hebben alleen een warmteverschil nodig om elektriciteit te genereren. Dat maakt Stirlinggeneratoren een droom voor creatieve knutselaars. Waar je dit warmteverschil vandaan haalt, maakt namelijk niet uit. Helaas zijn er alleen speelgoedmodellen of industriële modellen te koop. Prijzen voor particulieren liggen rond de tien- tot vijftienduizend euro. Beschrijvingen van kleinschalige zelfbouwmodellen van Stirlingmotoren en Seebeck effect generatoren zijn hier te vinden.

Een minder milieuvriendelijk, maar wel betaalbaar alternatief is het kopen van een generator op fossiele brandstof. Een dieselgenerator van vijfduizend watt kan voor onder de tweeduizend euro aangeschaft worden. Dieselgeneratoren kunnen met plantaardige oliesoorten zoals zonnebloemolie, afgewerkte frituurolie of slaolie gestookt worden. 8 uur stroom kost 13,5 liter diesel. Rond de vijftien euro per dag dus, of rond de dertig cent per kilowattuur. Dit is erg veel; hierbij zijn de kosten van de generator nog niet meegerekend. Wel is dit slechts een beperkt aantal malen nodig bij een forse overdimensionering van zonnepanelen.

Energieopslag
De variabiliteit van duurzame energiebronnen maakt het noodzakelijk om te investeren in een goede elektriciteitsopslag. Bekend is bijvoorbeeld de -dure- PowerWall van autofabrikant Tesla. Deze levert 13,5 kWh opslagcapaciteit voor rond de tienduizend euro. De Velkess vliegwiel kickstarter, waarover we eerder schreven, is helaas mislukt. Als gebruik wordt gemaakt van loodaccu’s, is deze 13,5 kWh opslagcapaciteit te realiseren voor omgerekend drie- tot vierduizend euro, zij het met grote verliezen aan stroom. Waar mogelijk moet je energie-intensieve taken, zoals de wasmachine gebruiken, plannen als er een overvloed aan energie is.

Een aardig alternatief qua verwarming, voor wie beschikt over veel land, is de zonnevijver. Water is door de zeer hoge warmtecapaciteit één van de beste warmteopslagmedia die er bestaan. Wel moet deze vijver dan goed geïsoleerd worden of overdekt worden door een kas. Per slot van rekening moet de vijver meerdere maanden de hoge temperatuur behouden.

Technicus bij een prototype. Bron: Lockheed Martin

Patent aangevraagd op kernfusiereactor

De Amerikaanse wapenfabrikant Lockheed Martin, hier in de lage landen vooral bekend wegens de gelijknamige affaire, heeft patent aangevraagd op een kernfusiecentrale. Is dit een manier om investeerders te lokken, of staat er echt wat groots op stapel?

Kernfusie, het samenvoegen van twee kleine atoomkernen tot een grotere atoomkern, heeft veel in zich om de belangrijkste energiebron te worden. De energiedichtheid is iets hoger dan die van kernsplijting, er komt nauwelijks radioactief afval bij vrij en de uitgangsstoffen, de waterstofisotopen deuterium en tritium, komen op aarde veel voor. Ongeveer één op de tienduizend waterstofatomen is een deuteriumatoom. Anders dan bijvoorbeeld  zonne-energie werkt kernfusie dag en nacht, ongeacht de weersomstandigheden. Er is alleen één probleem. Het is weliswaar gelukt om kernfusie te bereiken, maar nog nooit om meer energie uit kernfusie te halen dan er in wordt gestoken: het break-even punt (uitgezonderd, uiteraard, waterstofbommen). Het wereldrecord staat op dit moment op naam van de Z-pinch van de National Ignition Facility in de VS, die er in slaagde om meer energie uit de fusieatomen te produceren, dan er door de lasers in werd gepompt. Dit klinkt indrukwekkender dan het is: lasers zetten maar enkele procenten van de toegevoerde energie om in laserstraling. Voor echte ‘ignition’ moet de efficiëntie zeker factor tien omhoog.

De kernfusiegroep van Lockheed Martin zegt, met hun ontwerp een levensvatbare kernfusiereactor te kunnen bouwen. Bijzonder aan hun ontwerp is dat het erg compact is voor de hoeveelheid vermogen die de centrale wil gaan opwekken. In sterren zoals de zon vindt kernfusie plaats door de zeer hoge temperaturen, boven de tien miljoen graden, in de kern. Ook in traditionele ontwerpen zoals de tokamak is de temperatuur van het plasma tientallen miljoenen graden. Dit is tienduizenden malen hoger dan zelfs de meest geavanceerde materialen aankunnen, dus technici maken gebruik van zeer sterke magneetvelden om het plasma opgesloten te houden. Bij kleine volumes lekt er veel energie weg. De reden dat experimentele reactoren zoals ITER meer dan tien meter in omvang zijn. Lockheed kiest voor een ontwerp dat in principe op een vrachtwagen past. Naar opgave van de fabrikant moet het uiteindelijke model een stad van 100.000 mensen van energie kunnen voorzien.

Technicus bij een prototype. Bron: Lockheed Martin
Technicus bij een prototype. Bron: Lockheed Martin

Lockheed heeft nu een patent ingediend[2]. Drie andere patenten staan op de rol.

Overigens bestaat er behoorlijk wat scepsis over de claims van Lockheed. Ook lijkt de nieuwste incarnatie van hun reactor nu een factor 100 groter volume te hebben, en hiermee aardig in de buurt te komen van low-beta concurrenten zoals ITER. To be continued.

Bronnen
Lockheed Compact Fusion Research Group
Lockheed Martin Corporation, Encapsulating magnetic fields for plasma confinement, patent

 

Voor wijlen Stephen Hawking was de langzame manier waarop zijn communicatiesapparaat woorden produceerde, een voortdurende frustratie.

Gedachtenlezen: tekst schrijven met gedachten nu mogelijk

Gedachtenlezen is nu een feit. Na jarenlang onderzoek is een team onderzoekers er in geslaagd om op basis van hersengolven, geschreven tekst te genereren. Kan straks iedereen een boek bij elkaar denken, of gaan geheime diensten misbruik maken van deze techniek?

Onze hersenen produceren een patroon van hersengolven, zeer zwakke elektromagnetische velden die met een elektroencefalometer zijn te meten. Iedere gedachte heeft een uniek patroon. Al in 2011 zijn onderzoekers er in geslaagd om dromen uit te lezen. Dit deelden ze door proefpersonen beelden te tonen en de hersengolfpatronen die optraden, op te slaan. Als dezelfde hersengolfpatronen tijdens de droom optraden, wisten de onderzoekers dat deze beelden deel uitmaakten van de droom. Nu heeft een andere groep een vergelijjkbare techniek toegepast.

Fonemen herkennen
Alle taal bestaat uit klanken, fonemen. Dit zijn klinkers en medeklinkers. Wij gebruiken het Latijnse alfabet om deze fonemen weer te geven. Het Latijnse alfabet is minder geschikt om bijvoorbeeld toontalen (Chinees, Vietnamees, Igbo) en kliktalen (Xhosa, Khoisantalen) weer te geven. Belangrijk is dat we denken in klanken. Denk je aan het woord ‘panorama’, dan hoor je als het ware dit woord in je hoofd. Of je ziet de letters. Ook dit levert een bepaald hersengolfpatroon op. Dit hersengolfpatroon kan uitgelezen worden. Weliswaar zijn onze hersenen qua structuur van mens tot mens grotendeels gelijk, de manier waarop we engrammen coderen verschilt van mens tot mens. Dat betekent dat als we denken aan een bepaald patroon, bijn ieder mens andere hersengolven ontstaan. Het gedachtenlezen moet dus per mens individueel getraind worden. Gelukkig is het aantal fonemen maar beperkt. Alle klanken in het Nederlands kunnen bijvoorbeeld beschreven worden door ongeveer veertig fonemen. Dat wil zeggen, dat je een dergelijk systeem zou kunnen trainen door veertig groepen hersengolven te kunnen onderscheiden. In het Engels, waarin dit onderzoek is verricht, zijn er een vergelijkbaar aantal klanken.

Voor wijlen Stephen Hawking was de langzame manier waarop zijn communicatiesapparaat woorden produceerde, een voortdurende frustratie.
Voor wijlen Stephen Hawking was de langzame manier waarop zijn communicatieapparaat woorden produceerde, een voortdurende frustratie. Bron: Wikimedia Commons

Negentig procent betrouwbaarheid bij gedachtenlezen
In de proef lazen de proefpersonen tien korte zinnen in hun gedachten voor. Hun hersengolven werden hierbij geregistreerd. In de proefopstelling slaagden de onderzoekers erin om in een sample van tien korte Engelse zinnen, real time, negentig procent van de ‘gedachten-fonemen’ te herkennen. Dit lukte na slechts zeven minuten training met behulp van een neuraal netwerk en een zware nieuwe Linux-gebaseerde pc. Hiervoor gebruikten ze het open source scikit-learn softwarepakket (geschreven in de taal Python), dat de opgeslagen hersengolfpatronen leerde associëren met de fonemen. Vanzelfsprekend is het relatief eenvoudig om tien zinnen van elkaar te onderscheiden. De techniek wordt pas echt interessant, als ook individuele fonemen nauwkeurig van elkaar kunnen worden onderscheiden. Dan zou ik dit artikel kunnen schrijven op denksnelheid, wat ongeveer tien keer zo snel is als mijn typesnelheid.

Redding voor verlamde patiënten
Wijlen Stephen Hawking, maar ook duizenden anderen, konden, resp. kunnen alleen communiceren door hun ogen te bewegen. Zou er een apparaat bestaan om hun hersengolven om te zetten in gesproken en geschreven tekst, dan zou dat hun isolement doorbreken. Ze zouden dan kunnen spreken en typen. In verbeterde versies kan zelfs de intonatie van de stem worden gestuurd door hersengolven. Ze zouden hun exoskelet kunnen bedienen met hun hersenen.

Drager van een aluhoedje. Na deze ontdekking worden deze waarschijnlijk een stuk populairder. Bron: Wikimedia Commons
Drager van een aluhoedje. Na deze ontdekking worden deze waarschijnlijk een stuk populairder. Bron: Wikimedia Commons

Gevaren aan gedachtenlezen
Helaas zitten er ook gevaren aan deze techniek. Die Gedanken sind frei, is een bekend Duits spreekwoord. Dat gaat nu binnen tien jaar totaal veranderen. Als geheime diensten er in slagen om deze techniek zo te verbeteren dat ze de gedachten van gevangenen kunnen lezen, verschaft dat dictatoriale regimes – in de praktijk zijn dat vrijwel alle overheden – een huiveringwekkende macht. Vanuit een futurologisch perspectief zijn onze computers op dit moment nog hopeloos primitief. Rond 2029 kan je voor duizend euro evenveel rekencapaciteit kopen als de ‘raw power’ van het menselijk brein. Computers zijn dan ongeveer duizend maal zo snel als nu, als de Wet van Moore doorzet.

Hersengolven van voldoend nauwkeurige kwaliteit kunnen nu alleen worden opgevangen door gevoelige elektroden die middels een operatie onder de schedel worden aangebracht, zoals bij de twee epilepsiepatiënten die als vrijwilligers deelnamen aan deze proef. Uiteraard draait een beetje akelig regime zijn hand niet om voor een dergelijke ingreep. Door (nog niet bestaande) kamertemperatuur SQUIDs of dergelijke extreem gevoelige meetapparatuur te gebruiken, zouden hersengolven ook op grotere afstand afleesbaar kunnen worden. Verstop een EEG-meter in een budget VR-helm en laat tijdens de intro van een gratis meegeleverde VR game testzinnen horen en voilà. Gedachtenlezen wordt dan een eitje. Zijn dragers van aluhoedjes dan toch niet zo gek als we denken? Interessante tijden…

Bron
David Al. Moses et al., Real-time classification of auditory sentences using evoked cortical activity in humans, DOI: 10.1088/1741-2552/aaab6f, Journal of Neural Engineering, 2018