natuurkunde

Technicus bij een prototype. Bron: Lockheed Martin

Patent aangevraagd op kernfusiereactor

4 reacties / natuurkunde, Techniek, Visionaire projecten / Door / 6 april 2018

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

 

Een golf plant zich voort door excitonium. Bron: Peter Abbamonte, U. of I. Department of Physics and Frederick Seitz Materials Research Laboratory

Excitonium, een nieuwe materievorm

9 reacties / natuurkunde, Techniek, Wetenschap / Door / 13 december 2017

Excitonium is een vreemde vorm van materie, die 50 jaar geleden voorspeld is maar nu pas ontdekt is. Maar wat is excitonium precies?.En wat zouden er er mee kunnen doen?

Wat is excitonium?
Excitonium bestaat uit excitons.
Excitons zijn pseudodeeltjes, die bestaan uit een elektron en het gat, dat het elektron achter heeft gelaten in het kristalrooster. Meestal verwijderen elektronen zich ver van het gat dat ze achterlaten. Bij excitonen is dat anders. De elektronen blijven rond het gat hangen en vormen, met het gat, een soort pseudo-atoom. Kwantumeffecten zijn afhankelijk zijn van de massa – de onzekerheidsrelatie van Heisenberg stelt onder meer dat hoe groter de bewegingssnelheid, hoe kleiner de onzekerheid van de plaats. (er zijn andere relaties, bijvoorbeeld die tussen massa en tijd, maar die vallen buiten het bestek van dit artikel). De lage snelheid van de elektronen en gaten in de exciton-pseudo-atomen, betekent dat ze een enorme grootte hebben – denk aan tientallen malen de grootte van een ‘normaal’ atoom. Nu wordt het interessant. Want als kwantumsystemen elkaar overlappen, vormen ze een condensaat. Dat wil zeggen, dat ze zich gaan gedragen als een enkel systeem. Als het systeem groot is, kan je kwantumeffecten op macroscopische schaal ontdekken. Het bekendste voorbeeld van een kwantum condensaat is een supervloeistof.

Bijzonder aan deze ontwikkeling is, dat dit een driedimensionaal excitonium is. Het is onderzoekers al eerder gelukt, om excitonium te produceren, maar dan alleen plat, op een oppervlakte. Ook interessant is, dat deze, zaten zich vormen op relatief hoge temperatuur: 190° boven het absolute nulpunt (190 kelvin, -83 graden). Dit is hoger dan de temperatuur van vaste kooldioxide, droge ijs. Als het lukt om deze temperatuur nog verder op te schroeven, worden toepassingen op kamertemperatuur mogelijk. Condensaten op kamertemperatuur zijn erg interessant, omdat hiermee kwantumeffecten in het dagelijks leven zijn toe te passen.

Excitonium

Wat kan je er mee?
Bijzonder aan deze ontwikkeling is, dat dit een driedimensionaal excitonium is. Het is onderzoekers al eerder gelukt, om excitonium te produceren, maar dan alleen in platte vorm, als oppervlakte. Dit is het eerste bulk-excitonium ooit. Ook interessant is, dat dit excitonium zich vormt op relatief hoge temperatuur: (190 kelvin, -80 graden). Dit is de temperatuur van vloeibare kooldioxide. Als het lukt om deze temperatuur nog verder op te schroeven, komen toepassingen op kamertemperatuur dichterbij. Condensaten op kamertemperatuur zijn erg interessant, omdat hiermee kwantumeffecten in het dagelijks leven zijn toe te passen. Theoretische voorspellingen lopen nogal uiteen over de eigenschappen van de substantie. Volgens sommigen is het een perfecte geleider, volgens anderen een isolator. In het eerste geval hebben we supergeleiding op kamertemperatuur. Ook superwarmtegeleiding zou een erg interessante toepassing zijn. Dan zou je warmteleidingen kunnen aanleggen, waarbij het niet meer nodig is om vloeistoffen te laten stromen. Voordat hier iets met zekerheid over te zeggen, moeten er experimenten worden gedaan met het nieuwe materiaal. Dat is nu eindelijk mogelijk. De ervaring leert dat ook fundamentele ontdekkingen die op het eerste gezicht niet nuttig lijken, vaak later een goudmijn voor nieuwe technologieop te leveren. Zo werd van de laser, die nu in tienduizenden producten is terug te vinden, gezegd dat het een vinding was dat wachtte op een toepassing.

 

Bron
A. Kogar et al., Signatures of exciton condensation in a transition metal dichalcogenide, Science 08 Dec 2017:
Vol. 358, Issue 6368, pp. 1314-1317 DOI: 10.1126/science.aam6432 Arxiv

Het aardmagnetisch veld wordt opgewekt door stromingen in de aardkern. Als deze stoppen, hoe vervangen we die dan? - NASA

Kunstmatig magnetisch veld om de aarde te redden?

8 reacties / Ideeën, natuurkunde, Wereld, Wetenschap, Zonnestelsel / Door / 1 november 2017

In de verre toekomst, rond de 2 miljard jaar na nu, zal de convectie in de aardkern tot stilstand komen en het aardmagnetisch veld verdwijnen. Met de aarde zal dan gebeuren wat eerder met Mars gebeurde: een genadeloos bombardement van zonnewind zal de atmosfeer langzaam maar zeker uitputten en de aarde uitdrogen. Kan een kunstmatig magnetisch veld de aarde redden? Hoe sterk zou dit moeten zijn?

Hoe ontstaan magnetische velden?
Magnetisme bestaat alleen omdat de speciale relativiteit bestaat. Sterker nog: de speciale relativiteitstheorie is rechtstreeks af te leiden uit de vier fundamentele vergelijkingen van Maxwell die alle elektromagnetisme beschrijven. Een elektrische lading die beweegt, wekt een magnetisch veld op. Ook bestaan er elementaire magneetjes in de vorm van ijzeratomen of microstructuren, zoals in keramische magneten van neodymium en samarium. Deze wekken ook een magnetisch veld op: de reden waarom permanente magneten bestaan.
Op deze schaal zijn permanente magneten niet praktisch. We richten ons daarom op elektromagneten.

Het aardmagnetisch veld wordt opgewekt door stromingen in de aardkern. Als deze stoppen, hoe vervangen we die dan? - NASA
Het aardmagnetisch veld wordt opgewekt door stromingen in de aardkern. Als deze stoppen, hoe vervangen we die dan? – NASA

Hoe sterk is het aardmagnetisch veld?
Het aardmagnetisch veld heeft op de aardoppervlakte een sterkte van 25 tot 65 microtesla’s. Dit is op het eerste gezicht niet erg sterk: het veld van een sterke neodymiummagneet is tienduizenden malen sterker. Echter: dit veld omvat de gehele aarde. Om de zonnewind af te weren, moet een veld worden geconstrueerd dat minimaal dezelfde grootte en sterkte heeft.

Hoe vervangen we dit aardmagnetisch veld?
De eenvoudigste oplossing is een elektrisch supergeleidende spoel die om de aarde zweeft. Denk bijvoorbeeld aan een locatie op tienduizend kilometer van de aardkern, dus rond de 3 500 km boven de aardoppervlakte. Dit betekent een totale lengte per winding van rond de 62 800 km. Deze ring is in principe instabiel, dus moet voortdurend worden bijgestuurd en in de juiste baan worden gehouden.

Hier moet vervolgens een sterke stroom doorheen worden gestuurd. Voor een te bereiken veldsterkte van 50 microtesla en tienduizend windingen is dan in principe een stroom van 50 000 ampère toereikend om dit veld op te wekken. Japanse wetenschappers zijn er in 2014 in geslaagd om 100 000 ampère op te wekken en door een supergeleidend circuit te laten vloeien.

In theorie is deze oplossing dus zeker mogelijk. Echter: de bouw van 620 miljoen kilometer supergeleidende kabel die nooit mag haperen, zal zeer veel grondstoffen vergen. Wellicht is het dan slimmer om ionkanalen te openen – in de ruimte heerst vacuüm – die door richtringen worden gestuurd. Zeg maar een soort deeltjesversneller rond de aarde.

Oplossing voor Mars en Venus?
Deze techniek kan nu al worden gebruikt om een toekomstig geterraformeerd Mars te beschermen tegen de zonnewind. Omdat Mars veel kleiner is dan de aarde en de flux van de zonnewind maar de helft is, zou dit systeem kleiner kunnen.
Voor Venus zal een twee keer zo sterke veldsterkte, en hiermee stroomsterkte, nodig zijn om hetzelfde effect te bereiken.
Venus zal grondiger aangepakt moeten worden: zo moet de planeet weer in rotatie worden gebracht en verlost van de verstikkende deken koolstofdioxide. De hoeveelheden energie die hier voor nodig zijn, vereisen een Kardashev-II beschaving en liggen nog ver buiten ons bereik.

Computergegenereerd beeld van de koude woestijn van proxima Centauri b. Bron: SpaceEngine

Bevinden buitenaardsen zich in een winterslaap?

7 reacties / Analyses, biologie, Ideeën, natuurkunde, Universum, Visionaire vragen, Wetenschap / Door / 4 juni 2017

In een recente publicatie van futuroloog Anders Sandberg en exobioloog Milan Ćirković opperen de twee denkers een nieuwe verklaring voor de Fermi Paradox. Aliens houden zich schuil, omdat ze daarmee energie sparen voor de toekomst. Is dit inderdaad een waarschijnlijke verklaring?

De toekomst als energie-walhalla
Het heelal zet uit, en dit (althans volgens de huidige stand van inzicht), steeds sneller. Op het eerste  gezicht lijkt dit uitermate slecht nieuws voor een beschaving op kosmisch niveau. Energiebronnen, zoals sterren en gaswolken, raken steeds verder van elkaar verspreid. Daardoor zijn op een gegeven moment alleen de lokale galactische supercluster, voor de beschaving te benutten. De rest verwijdert zich sneller dan de lichtsnelheid van hen af.

Toch heeft dit toekomstige heelal een erg aantrekkelijke kant. Het is erg koud. Op dit moment is de achtergrondstraling 2,7 kelvin. In de echt verre toekomst (we praten dan over duizenden miljarden jaren na nu) is deze achtergrondtemperatuur enkele nanokelvins. Dat is erg fijn, want dan kan je veel meer entropie dumpen dan nu. En wel hierom.


Fotonen bevatten per foton dezelfde hoeveelheid informatie, maar een verschillende hoeveelheid energie. Dat betekent dat je met 2 elektronvolt één lichtfoton kan maken, maar duizenden radiofotonen. Heb je een computer die zijn entropie met deze radiofotonen kan dumpen, dan kan deze per kilowattuur energie duizenden malen meer berekeningen uitvoeren dan een computer die zijn entropie met lichtfotonen dumpt. Hoe lager de kosmische achtergrondtemperatuur, hoe minder energie fotonen hoeven te hebben om entropie mee te dumpen. Met andere woorden: computers worden in de verre toekomst veel zuiniger dan nu.

Deze aliens hebben hun lichaam verlaten, maar bestaan slechts in een virtuele wereld, als informatie. Zo kunnen ze in de verre toekomst veel zuiniger leven dan wij nu. De redenen dat we weinig van aliens merken, aldus deze theoretici, heeft alles met thermodynamica te maken. Tot de omstandigheden elders in het heelal beter, lees: veel kouder worden, zouden ze zich schuilhouden rond de enorme, zeer koude, zwarte gaten in het centrum van sterrenstelsels, waarin de supercomputers waarin ze leven hun entropie kunnen dumpen. Thermodynamisch gezien is er geen speld tussen te krijgen. Maar hebben ze gelijk?

Probleem: exopolitiek en de Singulariteit
De winterslaap is ook op aarde een geliefde overlevingsstrategie onder dieren om de ongunstige winteromstandigheden in koude gebieden te overleven. Echter; een geavanceerde beschaving is geen dier. De voornaamste existentiële bedreiging voor een buitenaardse beschaving is niet de kosmische winter, maar een andere buitenaardse beschaving op een superieur technisch peil. Vraag de nakomelingen van de Inca’s en de Azteken maar. Om een superieur technisch peil te bereiken, moet de exobeschaving veel energie verbruiken voor wetenschappelijk onderzoek. In ieder geval in de eigen galactische supercluster moet de beschaving er zeker van zijn dat er geen concurrerende beschavingen zich ontwikkelen, die hun beschaving de kant van de Azteken en Inca’s op laat gaan.

Het venster waarbinnen concurrerende beschavingen kunnen worden waargenomen tot het moment dat ze een Singulariteit doormaken – het punt waarop machines slimmer worden dan biologische wezens en de collectieve intelligentie explodeert – is naar kosmische maatstaven klein: ongeveer 150 jaar. In principe zal een geavanceerde beschaving daarom in elk planetenstelsel waarbinnen zich mogelijk hogere levensvormen kunnen ontwikkelen,  luisterposten inrichten, zodat een gevaarlijke bedreiging in een vroeg stadium uitgeschakeld kan worden, dan wel geïntegreerd in een intergalactische federatie voor zich deze gevaarlijke en onvoorspelbare technologische singulariteit ontwikkelt.

Bronnen
1. Anders Sandberg en Milan Ćirković, That is not dead which can eternal lie: the aestivation hypothesis for resolving Fermi’s paradox, ArXiv preprint server, 2017

Een moleculair zwart gat slorpt alle elktronen op en spuwt ze uit. Bron: SLAC

‘Moleculair zwart gat’ gecreëerd met extreem krachtige röntgenlaser

5 reacties / Ideeën en techniek, natuurkunde, Scheikunde, Techniek, Wetenschap / Door / 3 juni 2017

Een onderzoeksgroep van SLAC (Stanford Universiteit) slaagde er in om een ‘moleculair zwart gat’ te creëren in een klein molecuul. Goed nieuws dus voor medicijnontwikkelaars en andere chemici, en hiermee ook ons.

Stel je voor: alle zonlicht dat de aarde bereikt, geconcentreerd in een gebiedje ter grootte van een peperkorrel. Dit is de intensiteit die gedurende 30 femtoseconden bereikt werd met de röntgenlaser die voor dit experiment ingezet werd, de Coherent X-ray Imaging instrument, CXI. De laserbundel van de CXI werd geconcentreerd in een gebiedje met een doorsnede van 300 nanometer.

De gebruikte harde röntgenstraling heeft een energie per foton van 8300 elektronvolt. Ter vergelijking: licht heeft minder dan 2 elektronvolt energie per foton. 8300 elektronvolt is de ionisatie-energie van de twee elektronen in de (binnenste) K-schil van een jodiumatoom, precies voldoende om deze selectief weg te slingeren. .

Deze bundel werd afgevuurd op xenonatomen en van jodiumatomen die onderdeel uitmaakten van een klein molecuul, methyljodide (CH3I). Zoals verwacht, werden de elektronen van de binnenste atoomschillen totaal gestript. Het atoom werd als het ware uitgehold. Daardoor ontstond er een enorme zuigkracht van de positief geladen atoomkern naar de rest van de elektronen in het atoom. Omdat dit binnen femtoseconden gebeurt, werden ook deze elektronen door de laserbundel weggestript tot het molecuul, dat bijna alleen nog uit positief geladen atoomkernen bestond, explodeerde.

Een moleculair zwart gat slorpt alle elktronen op en spuwt ze uit. Bron: SLAC
Een moleculair zwart gat slorpt alle elektronen op en spuwt ze uit. Bron: SLAC

Onverwacht was dat er minimaal 54 elektronen werden weggeslingerd uit het jodiumatoom. Het atoomnummer van jodium is 53. Dit betekent dat ook elektronen uit het nabijgelegen koolstofatoom, en mogelijk ook de waterstofatomen betrokken werden in de cascade. Dit had dus veel weg van een moleculair zwart gat, waarbij de positief geladen atoomkern van het jodiumatoom alle elektronen in het molecuul aantrok. Een opmerkelijk technisch staaltje, waarmee het research team het befaamde wetenschappelijke tijdschrift Nature wist te halen.

Sloopwerk is natuurlijk altijd een interessant doel op zich, maar de voornaamste wetenschappelijk waardevolle uitkomst is hier dat het measured pulse model het juiste blijkt te zijn, niet het concurrerende Gaussiaanse pulsmodel. De voorspellingen van het measured pulse-model bleken tot op 2% nauwkeurig. Goed nieuws voor bijvoorbeeld medicijnontwikkelaars, die nu veel nauwkeuriger het gedrag van moleculen kunnen voorspellen. Ook dient dit experiment als voorbereidend werk voor een belangrijke upgrade van de laser. Hiermee kunnen tot 1 miljoen pulsen per seconde worden afgevuurd (nu 250 per seconde).

Bronnen
1. The World’s Most Powerful X-ray Laser Beam Creates ‘Molecular Black Hole’, SLAC Communications, 2017
2. A. Rudenko et al., Femtosecond response of polyatomic molecules to ultra-intense hard X-rays, Nature (2017). nature.com/articles/doi:10.1038/nature22373

Het gebied met negatieve massa is grijs. De uitbreiding stokt in dit gebied Bron: 1.

Negatieve massa geproduceerd

4 reacties / natuurkunde, Wetenschap / Door / 18 april 2017

Massa is altijd positief. Er zijn in de natuur geen verschijnselen bekend die een negatieve massa hebben. Althans: tot nu toe. Nu is een groep onderzoekers er voor het eerst in geslaagd om materie zich te laten gedragen als negatieve massa.

Wat is massa?

Massa lijkt een van de eenvoudigste begrippen in de natuurkunde. Schijn bedriegt hier. Hoewel Newton zijn mechanica al meer dan vier eeuwen geleden opstelde, is massa nog steeds niet geheel begrepen. Om enkele voorbeelden te geven: fotonen, lichtdeeltjes, hebben geen massa. Het is echter wél theoretisch mogelijk om licht op te sluiten in een volmaakt spiegelende bol en dan blijkt licht wel degelijk massa te hebben; het is de opsluiting van energie die massa produceert. Het meest raadselachtige aan massa is misschien wel dat het zowel traag als zwaar is, dat de verhouding traagheid/zwaarte altijd gelijk blijft. Een massa van 1 kg valt daarom even snel  als een massa van 10 kg.

Hoe gedraagt negatieve massa zich?

In theorie is het mogelijk om een minteken achter het massagetal te zetten. Je beschrijft dan negatieve massa. Op dit moment zijn er geen echte voorbeelden van negatieve massa bekend – het ‘leger dan leeg’ quantumvacuüm tussen twee platen dat het Casimireffect veroorzaakt komt er wellicht het dichtste in de buurt. Negatieve massa versnelt tegengesteld aan de richting van de versnellende kracht. Een trap tegen een bal met negatieve massa betekent dat deze jouw kant op komt vliegen. Natuurkundigen berekenden dat de ‘klassieke’ variant van negatieve massa, waarbij positieve massa alles aantrekt en negatieve massa alles afstoot, tot onzinnige uitkomsten leidde en hiermee logisch onmogelijk is. Als negatieve massa bestaat, moet deze andere negatieve massa aantrekken, maar positieve massa afstoten. Dit type is wel theoretisch mogelijk.

Het gebied met negatieve massa is grijs. De uitbreiding stokt in dit gebied Bron: 1.
Het gebied met negatieve massa is grijs. De uitbreiding stokt in dit gebied Bron: 1.

Bose-Einstein condensaat

Een ijzeren natuurwet is het onzekerheidsprincipe van Heisenberg. Als bijvoorbeeld de snelheid zeer nauwkeurig bekend is, wordt de positie zeer onnauwkeurig. Van een atoom in de buurt van het absolute nulpunt is de snelheid zeer nauwkeurig bekend: vrijwel nul. Dat maakt dat de positie zeer onnauwkeurig wordt: het atoom is overal tegelijk, m.a.w. verandert in een ijle waarschijnlijkheidswolk. In een Bose-Einstein condensaat overlappen de waarschijnlijkheidswolken van bosonische atomen (even aantal sub-deeltjes, zoals bij een helium-4 atoom) elkaar. Kwantummechanisch gezien is er geen onderscheid meer tussen deze atomen; ze gedragen zich als één geheel. Dit punt bereiken vereist nanokelvins, m.a.w miljardsten van graden boven het absolute nulpunt.

Hoe ontstond de negatieve massa?

Een Bose-Einstein condensaat is een extreem koud wolkje dat door middel van bijvoorbeeld lasers op zijn plaats gehouden wordt. Zo ook in dit experiment met rond de honderdduizend rubidiumatomen. Met een tweede verzameling lasers brachten de onderzoekers het condensaat in de gewenste spin- en baantoestand. Het condensaat werd in één dimensie vrijgelaten, waardoor het condensaat zich uitbreidde in deze dimensie. Hierbij ontstond er een gebied met pseudo-negatieve massa. Zodra het condensaat zich in dit gebied uitbreidde, gedroeg het zich alsof het negatieve massa had. Dat wil zeggen: het ging versnellen in de tegenovergestelde richting. Op de afbeelding is dit te zien omdat in de onderste opname de uitbreiding plotseling stopt, als door een onzichtbare kracht.

Wat is het praktische nut?

Dit is een fundamenteel-wetenschappelijke doorbraak. Als we experimenten kunnen doen met negatieve massa, al is het dan in een pseudo-vorm zoals hier, kunnen we het gedrag van het werkelijke goedje voorspellen, mochten we er in slagen deze te produceren. We kunnen nu ook gerichter zoeken naar verschijnselen waarin het mogelijk een rol speelt. Hebben we eenmaal negatieve massa verkregen, dan zouden we er bijvoorbeeld een wormgat mee open kunnen houden. Wormgaten zijn één van onze beste kanshebbers om sneller dan licht te kunnen reizen, of zelfs naar een ander universum te kunnen reizen. Dit zou het praktisch nut bijna oneindig groot maken, omdat het heelal zo eenvoudig bereisbaar voor ons wordt.

Bron
M. A. Khamehchi et al, Negative-Mass Hydrodynamics in a Spin-Orbit–coupled Bose-Einstein Condensate, Physical Review Letters (2017). DOI: 10.1103/PhysRevLett.118.155301
 (budgetoplossing)

Enkele Prins Rupert druppels. Bron: Wikipedia

Vensterglas verbrijzelt kogel

6 reacties / Ideeën en techniek, natuurkunde, Wetenschap / Door / 27 maart 2017

Glas staat bekend als een zeer breekbaar materiaal. Als vloeibaar glas stolt in de vorm van een druppel met een lange staart, de zogenoemde Prins Rupert-druppel, in Engeland ook wel bekend als ‘Dutch tear’, krijgt het echter bijzondere eigenschappen.

Het is bijvoorbeeld mogelijk, om een harde hamerslag tegen de kop van de druppel te geven, zonder dat deze versplintert. De druppel heeft echter een achilleshiel: het puntje van de staart. Breekt dit af, dan vernietigt de druppel zichzelf.  Al meer dan vier eeuwen fascineert dit bizarre voorwerp wetenschappers.

Enkele Prins Rupert druppels. Bron: Wikipedia
Enkele Prins Rupert druppels. Bron: Wikipedia

Prins Rupert druppels worden gewoonlijk gemaakt door een beetje vloeibaar glas in water te laten druipen. Het glas stolt van buiten naar binnen. Door te stollen krimpt glas. De oppervlakte wordt naar binnen gezogen door het krimpende glas en hiermee op elkaar geperst.  Daardoor ontstaat er binnen de druppel een onderdruk, terwijl aan de oppervlakte juist een overdruk ontstaat.

Hierdoor komen er in de kop van de druppel extreme spanningen te staan, die samen een sterke weerstand bieden tegen uitwendige druk. Wil je zelf Prins Rupert druppels maken, dan is een acetyleenbrander handig – het smeltpunt van glas ligt iets onder de duizend graden. In onderstaande video is er een druk van 20.000 kg, het gewicht van een truck, nodig om dit nietige glasdruppeltje te verpletteren.

In onderstaand filmpje wordt een kogel op de kop van een druppel afgevuurd, gefilmd door een extreem snelle filmcamera (150 000 opnames per seconde). Geloof het of niet, maar de kogel wordt in vele stukken geblazen door de botsing. Het glas blijft nog een fractie va een seconde intact, tot de schokgolf de staart bereikt…

Dit laat zien dat er in alledaagse materialen vaak opmerkelijke geheimen verscholen liggen. Er zijn waarschijnlijk nog wel de nodige verrassingen te ontdekken.

Zwarte gaten vormen de droom voor iedere energietechnicus. Vrijwel alle massa die je er in gooit levert 30% of meer pure energie op, tientallen malen meer dan kernfusie, en het zwarte gat is zo koud, dat het thermodynamisch rendement vrijwel 100% is. Bron: Wikimedia Commons

Zwart gat ideaal voor energievoorziening

5 reacties / Ideeën, natuurkunde, Techniek, Visionaire projecten, Wetenschap / Door / 21 oktober 2016

Het dichtstbijzijnde zwarte gat, A0620-00, bevindt zich op ongeveer 3000 lichtjaar afstand. Een verre reis dus, zelfs met de snelheid van het licht. Maar als zich daar eenmaal kolonisten hebben gevestigd, vormt een zwart gat de dankbaarste plaats voor een Kardashev-II level beschaving.

Daar zijn enkele goede redenen voor. Ten eerste, is een zwart gat zo ongeveer de efficiëntste energieomzetter die we kennen. Op massabasis haalt kernsplitsing ongeveer 0,1%, kernfusie haalt ongeveer 1,5% omzetting in energie. Zwarte gaten zijn  in staat om tientallen procenten van de massa in pure energie om te zetten. In tegenstelling tot kernfusie of kernsplitsing zijn zwarte gaten weinig kieskeurig wat betreft brandstof. Je kan evenveel energie uit ijzer, de energiearmste atoomkern, halen als uit waterstof of plutonium.

Zwarte gaten vormen de droom voor iedere energietechnicus. Vrijwel alle massa die je er in gooit levert 30% of meer pure energie op, tientallen malen meer dan kernfusie, en het zwarte gat is zo koud, dat het thermodynamisch rendement vrijwel 100% is. Bron: Wikimedia Commons
Zwarte gaten vormen de droom voor iedere energietechnicus. Vrijwel alle massa die je er in gooit levert 30% of meer pure energie op, tientallen malen meer dan kernfusie, en het zwarte gat is zo koud, dat het thermodynamisch rendement vrijwel 100% is. Bron: Wikimedia Commons

Ook de afvalenergie in de vorm van infrarood- en radiostraling kan je in het zwarte gat dumpen, waardoor je een enorm hoge thermodynamische efficiëntie kan bereiken. Zwarte gaten hebben namelijk een zeer lage temperatuur: voor een zwart gat zo groot als de zon, een tienmiljoenste kelvin. Dat is ongeveer zo koud als we met pijn en moeite in een geavanceerde opstelling met laserkoeling, magnetische confinement en gecontroleerde verdamping kunnen bereiken.  Kortom: hiermee kan je een extreem hoog thermodynamisch rendement bereiken. Vrijwel 100% van alle energie die vrijkomt, kan je nuttig gebruiken.

Een andere prettige kant van zwarte gaten is dat ze door relativistische effecten in de buurt van de waarnemingshorizon de tijd sterk vertragen. Als de Big Rip hypothese klopt, die zegt dat in de verre toekomst het heelal steeds sneller gaat uitzetten, kan je aan dit lot ontsnappen door steeds dichter tegen de waarnemingshorizon van het zwarte gat aan te kruipen.

Kortom: misschien is dat de reden dat we geen aliens zitten. Ze bevinden zich in orbit rond zwarte gaten en dumpen al hun afvalwarmte in het zwarte gat, wat ze voor ons vrijwel onzichtbaar maakt. Dysonsferen, waarbij alle straling van een ster wordt opgevangen, hebben vergeleken hiermee een zielig laag rendement.

 

Tijdkristallen bestaan in feite in vier dimensies. Hier afgebeeld: aluinkristal met voorzover bekend geen tijdkristal-eigenschappen. Bron: Wikimedia Commons

Eerste tijdkristallen ooit gebouwd

3 reacties / natuurkunde, Techniek, Wetenschap / Door / 13 oktober 2016

Tijdkristallen bewegen zonder energie. Een paar jaar na de theoretische voorspelling dat tijdkristallen mogelijk zijn, is het een groepje natuurkundigen gelukt om een echt tijdkristal te bouwen. Wat is een tijdkristal, en wat kan je ermee?

Nulpuntenergie
Ook als er geen enkele energie meer in een systeem aanwezig is, bezit het toch nog energie, nulpuntenergie. Dit heeft te maken met de zogeheten Diraczee. Volgens het model dat wijlen Dirac ontwikkelde, is de ruimte zoals we die kennen geheel gevuld met virtuele deeltjes. De energietoestand van die deeltjes, die de Diraczee vormen, is nul. Reële deeltjes hebben een hogere energie. Een virtueel deeltje kan een reëel deeltje worden door er energie aan toe te voeren. In dat geval wordt tegelijkertijd het antideeltje gevormd.

Tijdkristallen maken hier gebruik van. De atomen in een tijdkristal bewegen periodiek – de reden waarom tijdkristallen ook wel vierdimensionale kristallen worden genoemd. De beweging in een tijdkristal is energieloos, want niet aan het systeem te onttrekken. Dit soort systemen kan in enkele bijzondere gevallen functioneren.

Tijdkristal
Zoals bij dit experiment. Een ring van ytterbiumionen -elk ion met een eigen spin (een kwantumeigenschap die ruwweg te vergelijken is met draairichting) – werd met behulp van een laser, ion voor ion in een andere spin gebracht. Daardoor ontstond een trilling die periodiek door de ring golfde. Opmerkelijk was nu dat de trilling twee keer zo langzaam plaatsvond als op basis van klassieke natuurkunde te verwachten was. Dit kon alleen, als de tijdsymmetrie verbroken was. M.a.w., er is een tijdkristal ontstaan. Tijdkristallen hebben enkele vergaande eigenschappen, die ze uitermate interessant maakt. We zullen ze hieronder opnoemen.

Tijdkristallen bestaan in feite in vier dimensies. Hier afgebeeld: aluinkristal met voorzover bekend geen tijdkristal-eigenschappen. Bron: Wikimedia Commons
Tijdkristallen bestaan in feite in vier dimensies. Hier afgebeeld: aluinkristal met voorzover bekend geen tijdkristal-eigenschappen. Bron: Wikimedia Commons

Wat kan je met tijdkristallen?
Tijdkristallen beloven een vorm van kwantumgeheugen op te leveren. Een groot probleem met kwantumcomputers is het opslaan van de kwantumtoestand. Deze is namelijk extreem gevoelig voor verstoringen. Tijdkristallen beschikken niet over vrije energie, waardoor zij langere tijd in stand blijven (gesteld uiteraard dat ze sterk gekoeld worden). Hiermee zou je dus een werkend kwantumgeheugen kunnen bouwen. Kwantumcomputers met enkele duizenden qubits, die nu binnen bereik liggen, kunnen op enkele gebieden sneller rekenen dan zelfs een digitale computer met de grootte van het bekende universum. Een van de voornaamste bottlenecks is geheugen om de qubits in op te slaan. Hiervoor zijn tijdkristallen uitermate interessant.

Volgens sommige voorspellingen zal het heelal in de zeer verre toekomst de hittedood sterven: een toestand bereiken waarin er geen vrije energie meer is. Alle sterren zijn dan veranderd in levenloze sintels of door Hawkingstraling verdampende zwarte gaten. Omdat tijdkristallen een periodieke beweging vertonen maar geen vrije energie meer bezitten, zijn ze tot het einde der tijden stabiel. Wellicht dat onze verre nazaten – of een andere technisch geavanceerde levensvorm – zal overleven door zich hierin op te sluiten.

Bronnen
J. Zhang et al., Observation of a discrete time crystal, ArXiv preprint server, 2016

De proton-proton kernfusiereactie in de zon.

‘Zon kan met grote waterstofbom opgeblazen worden’

3 reacties / Analyses, Ideeën, Ideeën en techniek, natuurkunde, Techniek, Visionaire projecten, Wetenschap / Door / 3 oktober 2016

Op het eerste gezicht lijkt alleen al de gedachte krankzinnig. De zon is een geelgloeiende gasbol met alleen al zonnevlekken groter dan de aarde. Ter geruststelling voor onze lezers: voorlopig is dit technisch ook niet mogelijk. Toch maakte een aantal natuurkundigen een verontrustende berekening. Het blijkt volgens hen in theorie namelijk wel degelijk mogelijk, met een in verhouding met de afmeting van de zon zelf, relatief kleine waterstofbom de zon op te blazen…

De zon: een langzaam ontploffende waterstofbom
In de kern van de zon vindt kernfusie plaats. Erg snel gaat dit niet: per kilogram massa wordt slechts enkele milliwatt vermogen geproduceerd. Het menselijk lichaam, bijvoorbeeld, produceert per kilogram bijna duizend maal  meer.

De proton-proton kernfusiereactie in de zon.
De proton-proton kernfusiereactie in de zon.

Dit komt omdat – gelukkig voor ons – in de zon een evenwicht heerst tussen zwaartekracht, dichtheid en energieproductie. De zon produceert helium uit waterstof via drie belangrijke wegen en een vierde, marginale weg. De bottleneck bij deze reacties is de proton-protonreactie. Omdat protonen, gestripte waterstofkernen, positief geladen zijn stoten ze elkaar sterk af. Protonen moeten met precies de juiste energie met elkaar botsen – is deze energie te hoog, dan kaatsen de protonen van elkaar weg voor ze samen hebben kunnen smelten tot deuterium en een positron (elektron van antimaterie) uit hebben kunnen stoten. En zonder deuterium kunnen de volgende fusiestappen tot helium niet plaatsvinden.

De temperatuur in de zon is aan de lage kant voor kernfusie – rond de 14 miljoen graden. Dit komt, omdat bij hogere temperaturen de kernfusiereactie snel uit de hand zou lopen (waardoor het plasma uitzet, de dichtheid daalt, er veel minder deuterium wordt gevormd en de kernfusie weer stilvalt). Dit houdt de zon in evenwicht. Zou dat evenwicht om welke reden dan ook duurzaam verbroken worden, dan zou de zon exploderen als supernova.

Di is ook de reden waarom kernfusie wel lukt in waterstofbommen. De schil van uranium of plutonium explodeert naar buiten en naar binnen. De fusiebrandstof (deuterium, tritium ed.) wordt door de kernexplosie samengedrukt, waardoor zeer hoge temperatuur en hiermee fusie ontstaat en de neutronflux (er komen veel neutronen vrij bij de fusie) een veel groter percentage van het uranium en plutonium laat ontploffen.

De zon aansteken met een lont
De zon blijft vrij constant miljarden jaren kernfusie ondersteunen door het hiervoor beschreven evenwichtsmechanisme. Uit de berekeningen van Alexander Bolonkin en Joseph Friedlander, twee natuurkundigen, blijkt echter, dat door op een vrij kleine, lokale plaats een extreem hete kernfusiereactie plaats te laten vinden, er geen tijd meer is om het evenwicht zich door voorgaand proces te laten herstellen. De verstoring is dan domweg te snel en te groot – denk aan vrijwel de lichtsnelheid. Er ontstaat dan een detonatie, waarbij op de plek van de schokgolf het waterstof massaal gaat fuseren tot helium. Je praat dan niet over milliwatts per kg, maar megawatts. Kortom: de zon verandert in een enorme waterstofbom. Met een yield waar Ulam en Teller erg jaloers op zouden zijn.

De gevolgen – als de berekeningen kloppen
De hoeveelheid energie die vrijkomt – te vergelijken met een waterstofbom zo groot als de zon – is zo overweldigend groot, dat de zon en de rest van het zonnestelsel weg zal worden gevaagd door een explosie die in lichtkracht overeen komt met een supernova. Deze zou zo krachtig zijn dat zelfs aliens die zich in planetenstelsels op enkele lichtjaren bevinden, er ernstig onder te lijden zouden hebben.

Het gaat hier om een wetenschappelijk journaal, SCIRP, dat in wetenschappelijke kringen de status heeft van een tabloid. Artikelen zijn peer reviewed, ook bevinden zich er enkele goede artikelen tussen, maar de meeste zijn volgens critici van erbarmelijke kwaliteit. De hoofdauteur, Alexander Bolonkin, is een vooraanstaande Russische emeritus hoogleraar en een van de drijvende krachten achter het Sovjet-ruimtevaartprogramma. Hij zal niet snel zijn goede reputatie te grabbel gooien met een uit de lucht gegrepen artikel.

Niettemin is het punt van beide natuurkundigen duidelijk. Het materiaal in de kern van de zon bevindt zich in de buurt van het detonatiepunt. Het is niet uit te sluiten dat een kernwapen uit de verdere toekomst dat de reis door de fotosfeer van de zon overleeft en de kern induikt, dit aan kan richten en een kettingreactie in gang gaat zetten, zoals een lucifer in een droog bos. Op dit moment bestaat deze techniek gelukkig niet, maar in theorie is het mogelijk met behulp van bijvoorbeeld een extreem sterk magnetisch veld en lasers, door het hete plasma van de fotosfeer heen te boren, zodat dit niet in aanraking komt met het ruimtewapen. Het goede nieuws: dit ligt ver buiten het bereik van de techniek nu of in de eerstkomende tientallen jaren.

Toch is dit natrekken geen overbodige luxe, want dit zou een einde betekenen aan het voortbestaan van de mensheid en de andere levensvormen op onze planeet en de rest van het zonnestelsel. Een kunstmatige intelligentie die die van de mens overtreft zou voornoemde technische moeilijkheden op kunnen lossen, met uitermate nare gevolgen. Eventueel in opdracht van een gewetenloze dictator, denk aan het geval-Hitler, met de rug tegen de muur, of om voor eens en voor altijd van de lastige aardbewoners af te komen. Ook zou een geavanceerde buitenaardse “beschaving” deze genocide kunnen uitvoeren.

Bron:
Alexander Bolonkin, Joseph Friedlander, Exploding Sun, SCIRP, 2013