natuurkunde – Pagina 8

Dit metamateriaal vervangt een zware berekening, zoals het vaststellen van de randen in een foto. Bron: Wikimedia Commons.

Rekenen met glas en licht

3 reacties / Ideeën, Ideeën en techniek, natuurkunde, Wetenschap / Door Germen Roding / 14 januari 2014 14 januari 2014

Digitale computers zijn alomtegenwoordig, maar dat was niet altijd zo. Analoge computers kennen een aantal sterke punten en versloegen tot ver na de Tweede Wereldoorlog hun digitale evenknieën bij natuurkundige simulaties met stukken. Deze nieuwe analoge computer kan letterlijk rekenen met de snelheid van het licht. Heeft de Turing-model computer zijn langste tijd gehad en zullen we een uitwaaiering van computertechnologie zien?

Het verschil tussen analoge en digitale computers
Digitale computers zijn de computers die we allen kennen uit het dagelijkse leven (en waar dit artikel ook op geschreven wordt). Digitale computers werken op basaal niveau met nul- en één toestanden, in de informatietechnologie aangeduid als bits. Acht bits vormen een byte. Digitale computers zijn gebaseerd op het manipuleren van deze elementaire aan- en uittoestanden met bijvoorbeeld AND, OR of XOR operaties.

De functie links wordt door het metamateriaal omgezet in een afgeleide functie. Bron: publicatie

Analoge computers werken fundamenteel anders. In een analoge computer wordt het wiskundige systeem waaraan berekeningen worden uitgevoerd, letterlijk nagebootst. Simpele analoge computers, zoals een rekenliniaal en het mysterieuze antieke Griekse Antikythera mechanisme vormden buiten het menselijk brein voor duizenden jaren de krachtigste computers die we kenden.

Elektrische analoge computers konden veel sneller dan digitale computers differentiaalvergelijkingen oplossen, die zo ongeveer in elke exacte natuurwetenschap het werkpaard vormen om processen te beschrijven. Een functie werd ingevoerd als een in de tijd variërende elektrische spanning, waarbij elke variabele werd ingevoerd met een eigen ingang. Het resultaat was de oplossing van de differentiaalvergelijking, in de vorm van een uitgangsspanning, die met bijvoorbeeld een oscilloscoop op een scherm werd geprojecteerd. Pas in de zestiger jaren verdwenen de elektrische analoge computers uit de onderzoekslaboratoria. De explosieve toename van de rekencapaciteit van digitale computers maakte ze overbodig: digitale computers zijn veel makkelijker te bedienen en te programmeren.

Rekenen met metamaterialen
Metamaterialen zijn materialen die opgebouwd zijn uit verschillende andere materialen en daardoor anders onmogelijke eigenschappen krijgen. Zo kan je met metamaterialen lenzen met een negatieve brekingsindex bouwen, wat met normale materialen onmogelijk is. Onderzoekers zijn er nu in geslaagd een metamateriaal te ontwikkelen, althans: theoretisch te simuleren, dat een invallende lichtgolf automatisch diffetrentieert, dat wil zeggen omrekent in zijn afgeleide. Een uitgaande lichtgolf dus, die de veranderingssnelheid van de ingaande lichtgolf voorstelt. Erg handig: dit materiaal rekent vrijwel zonder energieverbruik en letterlijk met de snelheid van het licht, zonder dat (zoals in een digitale computer) de processor roodgloeiend wordt.

Blokje materiaal vervangt zware computer
Ook andere differentiaalberekeningen die nu enorm veel rekencapaciteit kosten, zoals het berekenen van de primitieve functie (omgekeerde differentiëring) of een convolutie kunnen zo werkelijk in een fractie van een nanoseconde verricht worden. Omdat dit materiaal ook zeer klein en compact vormgegeven kan worden, betekent dat dat in enkele millimeters materiaal het rekenwerk van een zware pc overgenomen kan worden. Dit betekent weer dat er zeer kleine besturingssystemen voor zeer kleine sensoren, apparaatjes of insectachtige minirobotjes, die reageren op simpele zintuiglijke invoer, gebouwd kunnen worden. Je hoeft dan alleen deze lichtbundels te combineren en wat simpele lichtcellen op de plekken te plaatsen waar ze de stroomvoorziening voor de motoren kunnen regelen.

Bronnen
A. Silva et al., Performing Mathematical Operations with Metamaterials, Science (2014)

Video: The Universe in a Nutshell

1 reactie / Ideeën en techniek, natuurkunde, Universum, Visionair leven, Visionaire vragen, Wetenschap / Door Berny / 26 november 2013 25 november 2013

In onderstaande video legt de bekende theoretisch natuurkundige Michio Kaku op persoonlijke wijze het fundamentele belang van de natuurkunde uit. Dit doet hij door te laten zien wat de ontdekkingen binnen natuurkunde voor ons dagelijks leven hebben betekend en een korte geschiedenis te geven van belangrijkste ontwikkelingen binnen dit wetenschappelijk vakgebied. Hierbij geeft Kaku inzicht in de ontdekkingen van de 4 fundamentele natuurkrachten en het belang ervan. Ook behandelt hij zijn specialisatie de snaartheorie en geeft Kaku aan waarom volgens hem het verstandig is om natuurkunde te gaan studeren. In de video doet Kaku ook een interessante (vrij vertaalde) uitspraak: “Om de toekomst te kunnen begrijpen, moet je de natuurkunde kunnen begrijpen. Natuurkunde is de basis van technologie.”

Bron: Artikel ‘The Universe in a Nutshell’, website BigThink.com

Video: Multiversa

3 reacties / Filosofie, Ideeën, Ideeën en techniek, natuurkunde, Universum, Wetenschap / Door Germen Roding / 25 oktober 2013 25 oktober 2013

Bestaat er een heelal naast dit heelal? Gedachten over multiversa, parallelle werelden zijn al zo oud als de Kelten. Kort geleden zijn er in de kosmische achtergrondstraling concrete aanwijzingen gevonden voor heelallen die in een ver verleden met ons universum gebotst zijn. Ook de Veel Werelden Interpretatie van de kwantummechanica veronderstelt een oneindig aantal parallelle universa. In deze documentaire een overzicht van de stand van zaken nu.

De ontdekking van een parallel universum waar we naartoe kunnen reizen, nu of in de verre toekomst, zou ons mogelijk in staat stellen om in de verre toekomst te ontsnappen aan de ondergang van dit heelal. Ook kunnen we compleet nieuwe werelden ontdekken met mogelijk heel andere natuurwetten dan de onze. Wellicht kunnen we via parallelle werelden veel sneller een bestemming in dit heelal bereiken. En zo zijn er nog veel meer redenen waarom parallelle werelden de interesse wekken van steeds mer natuurkundigen en kosmologen…

Pulserende lichtknopen behouden hun vorm terwijl ze zich voortbewegen.

Lichtknopen kunnen bestaan

2 reacties / natuurkunde, Wetenschap / Door Germen Roding / 22 oktober 2013 7 januari 2015

We voorspelden het al in een van onze eerste artikelen. Wellicht is het mogelijk van licht structuren te bouwen. Nu zijn theoretici er inderdaad in geslaagd om in de theorie van Maxwell lichtknopen te introduceren. Hoe werkt dat, en wat zijn de mogelijkheden?

Wat zijn de vergelijkingen van Maxwell?
Rond 1870 vatte de Schotse natuurkundige James Clerk Maxwell de elektromagnetische kennis die in de 19e eeuw bijeengegaard was samen in vier differentiaalvergelijkingen. Deze beschrijven elektriciteit, magnetisme en de relatie tussen elektriciteit en magnetisme. Althans: de eisen waaraan een geldige beschrijving van een elektromagnetisch systeem moet voldoen. Elk verschijnsel dat aan deze eisen voldoet, kan in de natuur bestaan.

Zo voorspelde Maxwell dat er een verschijnsel zou bestaan dat bestond uit elektrische velden, die magneetvelden opwekken, die op hun beurt omgekeerde elektrische velden opwekken enzovoort. Aangezien dit verschijnsel zich voortplantte met exact de lichtsnelheid, vermoedde Maxwell dat het onbekende verschijnsel licht was. Dit klopt, werd later aangetoond. We weten nu dat licht maar één vorm is van elektromagnetische straling.

Er zijn heel veel verschillende oplossingen voor de vergelijkingen van Maxwell, die elk een bestaand, of potentieel bestaand, elektromagnetisch verschijnsel vormen.

Waarom zijn de vergelijkingen van Maxwell zo belangrijk?
Onder natuurkundigen zijn de vier differentiaalvergelijkingen van Maxwell wereldberoemd. Dat is niet voor niets. Met behulp van de kwantumversie van deze vier vergelijkingen, de kwantumelektrodynamica, kan letterlijk alles worden beschreven dat met elektriciteit en magnetisme te maken heeft. En dat is nogal wat, onder meer alle door ons waarneembare materie en licht (atoomkernen uitgezonderd, en zelfs die voor een deel).
Deze vergelijkingen zijn al anderhalve eeuw oud. Maar naar nu blijkt, hebben deze nog lang niet al hun geheimen prijsgegeven.

Knopen met licht
Met een wiskundig huzarenstukje zijn vijf natuurkundigen erin geslaagd om een knoopstructuur te creëren, die punten verbindt waar de elektromagnetische potentiaal gelijk is. Dat wil zeggen, dat een elektrische lading zonder energie op te nemen of af te geven over deze lijn kan worden verplaatst. Deze knoop structuren bestaan uit torussen (donutachtige ringen) die in elkaar vervlochten zijn. Bijzonder is, dat deze knopen hun vorm en afmetingen behouden als ze door de ruimte reizen. Tot nu toe kenden we maar één dergelijke structuur: het soliton. Met knopen van licht zijn leuke dingen te doen. Zo zou je er antimaterie in gevangen kunnen houden. Als je in staat zou zijn de knopen op dezelfde plaats te houden, zou je op die manier ook elektromagnetische energie in het vacuüm kunnen opslaan. Deze ‘puur-lichtbatterij’ zal de energiedichtheid van elke denkbare batterij, uitgezonderd antimaterie, met stukken slaan. De onderzoekers noemen verder het creëren van soortgelijke knopen in plasma’s of kwantumvloeistoffen.

Hoe kan licht in knopen gelegd worden?
De onderzoekers vermoeden dat deze knopen kunnen worden gemaakt met behulp van geconcentreerde Laguerreâ€“Gaussiaanse bundels. Er wordt veel gewerkt met deze bundels omdat ze, anders dan de meeste types lichtbundels, draaimoment met zich mee voeren (m.a.w. ze kunnen voorwerpen waar ze op schijnen, aan het draaien brengen). Zou dit lukken, dan krijgt het wetenschappelijk onderzoek, en uiteraard niet lang daarna technici, er een zeer krachtig middel bij.

Update: 7-1-2015: bij toeval stuitte ik op dit artikel in Nature. Onderzoekers zijn er daadwerkelijk in geslaagd om “lichtmoleculen” te vormen. Hiervoor stuurden ze licht door een Bose-Einstein condensaat van extreem koude rubidiumatomen. Deze fotonen vormden -met rubidiumatomen als intermediair- een binding, die behouden bleef toen de fotonen het BEC verlieten.

Lees ook
Licht als bouwmateriaal

Bronnen
Hridesh Kedia et al., Tying Knots in Light Fields, Physical Review Letters (2013) gratis versie 1 gratis versie 2

Zal perovskiet-gebaseerd materiaal voor zonnecellen de mensheid eindelijk verlossen van de wurggreep van fossiel?

Onderzoekers bereiken grote doorbraak zonne-energie

7 reacties / natuurkunde, Scheikunde, Wedstrijd / Door Germen Roding / 21 oktober 2013 21 oktober 2013

Zonnepanelen die per watt maar een vijfde kosten van de huidige generatie, maar wel met een bijna even hoog rendement worden spoedig mogelijk. Dat meldt het wetenschappelijke tijdschrift Science, op basis van onderzoek van de vooraanstaande Nanyang Technical University in Singapore. Wordt zonne-energie straks zo goedkoop dat we het niet eens meer hoeven op te slaan?

Vijf maal goedkoper per watt
De volgende generatie zonnecellen, gemaakt van anorganisch/organische hybride perovskiet-gebaseerde materialen, is ongeveer vijfmaal goedkoper dan de huidige dunne film zonnecellen door een eenvoudiger, op een oplossing gebaseerd productieproces. Van perovskiet, een in de natuur hun veelvoorkomend mineraal, was al eerder bekend dat het opmerkelijk geschikt is om zonnecellen van te bouwen: tot 15% van het zonlicht wordt in elektriciteit geconverteerd. Dit ligt dicht in de buurt van de efficiëntie van de meest verkochte commerciële zonnepanelen, rond de 17%. Onderzoekers wisten tot nu toe niet waarom.

Daarom is perovskiet zo efficiënt
In het nieuwe onderzoek, door acht onderzoekers van de NTU in samenwerking met Michael GrÃ¤tzel (bekend van zijn op fotosynthese-achtige processen gebaseerde zonnecellen), is nu ontdekt wat perovskiet zo efficiënt maakt. Op dit moment wordt deze nieuwe kennis toegepast door het Energy Research Institute @ NTU die een commercieel prototype van de perovskiet zonnecel ontwikkeld in samenwerking met het Australische bedrijf Dyesol Limited. Bij het onderzoek werd gebruik gemaakt van uiterst nauwkeurige apparatuur, waaronder een femtosecondelaser die het gedrag van elektronen en materie op femtoschaal uiterst nauwkeurig kon vastleggen. De groep ontdekte dat in perovskietmaterialen de elektronen, die los worden geslagen door de fotonen in zonlicht, veel verder kunnen reizen dan in andere materialen. Daardoor kan de perovskietlaag dikker worden, immers de elektronen kunnen verder reizen naar de elektronvangende metalen geleider. omdat de laag dikker kan zijn, wordt meer licht geabsorbeerd en produceert de zonnecel meer elektriciteit. De onderzoekers pasten een simpel productieproces toe, gebaseerd op het indrogen van een oplossing.

Bestaande zonnecellen overtroffen
Nu precies bekend is hoe perovskietmaterialen zich gedragen en wat het werkingsprincipe is, zijn technici in staat om het gedrag van de nieuwe zonnecellen af te strellen en de efficiëntie zo te verbeteren. Een van de leden van het team, Matthews, denkt dat uiteindelijk zelfs de performance van dunne-cel zonnepanelen geëvenaard en overtroffen kan worden met tot 20% efficiëntie. â€œThe excellent properties of these materials, allow us to make light weight, flexible solar cells on plastic using cheap processes without sacrificing the good sunlight conversion efficiency.â€ in zijn woorden.

Bronnen
1. NTU scientists make breakthrough solar technology, NTU Press Release, 2013
2. Nripal Mathews, GrÃ¤tzel et al., Long-Range Balanced Electron- and Hole-Transport Lengths in Organic-Inorganic CH3NH3PbI3, Science (2013)

Athene’s Theory of Everything

12 reacties / Ideeën, natuurkunde, Universum, Wetenschap / Door Douwe / 24 september 2013 23 september 2013

Een internetdocumentaire over natuurkunde, neurobiologie, bewustzijn en de basis van ruimte tijd. Het is interessant hoe deze verschillende velden hier aan elkaar worden gekoppeld. Zelf heb ik niet de capaciteiten en kunde om te kunnen beoordelen of er wat in deze theorien zitten of niet. Wellicht dat wat natuurkundigen zich hier een mening over kunnen vormen en additionele uitleg kunnen geven? De documentaire is in ieder geval populair genoeg met meer dan 2.7 miljoen youtube hits.

Iemand die hier iets van denkt te begrijpen en er lol in heeft zaken verder uit te leggen? :-)

Aanverwante artikelen en informatie:
-) Website Athene`s Theory of Everything
-) Wikipedia – Theory of Everything

Oneindigheden vormen een nachtmerrrie voor veel natuurkundigen. Wiskundigen zijn er daarentegen dol op.

Bestaat oneindigheid wel?

9 reacties / Filosofie, Ideeën, natuurkunde, Wetenschap / Door Germen Roding / 19 september 2013 7 september 2013

Oneindigheid is een handig concept, wiskundig gezien. Natuurkundigen zitten daarentegen met hun handen in hun haar met theorieën, zoals de relativiteitstheorie, die worden geteisterd door oneindigheden. Vandaar dat er steeds meer stemmen opgaan om oneindig als begrip af te schaffen. Is er een grootste eindig getal denkbaar?

Ver hoef je niet te zoeken om binnen de wiskunde op oneindigheden te stuiten. Zo liggen er oneindig veel reële getallen tussen nul en één. Meer zelfs dan het totale aantal natuurlijke getallen. Ook worden veel wiskundige en natuurkundige grootheden gedefinieerd door een limiet over een oneindig bereik te trekken. Ook in de natuurkunde komen veel oneindigheden voor. Volgens de algemene relativiteitstheorie storten sterren met een massa boven de Chandrasekharlimiet bijvoorbeeld ineen tot een punt met een oneindig hoge dichtheid, de singulariteit. Met omringende waarnemingshorizon ook wel bekend als zwart gat. Elektronen worden beschreven als puntdeeltjes. Natuurkundig beschrijf je dit met een Dirac delta-“functie”, een overigens handig gedrocht dat in feite de oppervlakte van een oneindig lange lijn op een eindige waarde (bijvoorbeeld één) stelt. Ongestraft kan dit niet. De deeltjesfysica werd geteisterd door oneindigheden. Meerdere Nobelprijzen werden uitgedeeld aan natuurkundigen die manieren uitvonden om hieraan te ontsnappen.

De oplossing, zegt de wiskundige Doron Zeilberger, is om oneindigheid als begrip af te schaffen. In plaats van oneindig stelt hij een getal voor – door hem N[0] genoemd, dat het grootst denkbare eindige getal is. Tel hier één bij op en het getal wordt gereset in nul. Ongeveer zoals in een computer; als je bij een byte-variabele met waarde 255 één optelt, springt deze weer op nul.

Er zijn inderdaad wiskundige functie waarbij oneindig snel in bijvoorbeeld min oneindig verandert: onder meer de tangensfunctie en meer in het algemeen, functies met de variabele in de noemer. De tangens neemt als de hoek de 90 graden (pi/2 rad) nadert, snel zeer grote waarden aan en is onbepaald bij 90 graden. Om hierna vanuit zeer grote negatieve waarden de nullijn weer te naderen.

Zou bijvoorbeeld de rij met natuurlijke getallen ooit ergens ophouden? Persoonlijk denk ik van niet. Er is een logisch begin aan de reeks natuurlijke getallen: de nul. Er is geen logisch einde. Wel is denk ik ruimtetijd niet wat het lijkt. Sommigen geloven dat er een elementaire minimumlengte bestaat: de Plancklengte. Er zijn proeven gedaan, waarbij het spectrum van gammaflitsen van honderden miljoenen lichtjaren weg gelegen bronnen, is vergeleken met dat van dichterbij gelegen flitsen. Is ruimtetijd korrelig, dan waren er hier veranderingen in opgetreden. Dit bleek niet het geval.Op het eerste gezixht lijkt het dus alsof de ruimte of zeer fijnkorrelig is, of helemaal niet korrelig.

Ik denk alleen dat ons vertrouwen in wat we als ruimte waarnemen, naief is. Er is alleen iets dat wij als ruimte waarnemen, omdat wij metingen kunnen doen aan deeltjes en andere objecten. De vrijheidsgraden van een golffunctie van een deeltje (bijvoorbeeld een elektron) worden bepaald door de ruimte waarin deze zich bevindt (bijvoorbeeld een doos). Door enkele kwantumfysici worden pogingen gedaan de bewegingsvergelijkingen zo te herschrijven dat ze niet meer afhankelijk zijn van ruimte en tijd, maar puur interactie-georiënteerd worden. Dit is uiteraard hallucinerend moeilijk. Wel zou dit een oplossing betekenen om te ontsnappen aan de continuïteit van de ruimte.

Video: meter verspringende kristallen

6 reacties / natuurkunde, Scheikunde, Techniek, Wetenschap / Door Germen Roding / 8 augustus 2013 8 augustus 2013

De kristallen in de video hieronder springen afstanden tot duizend maal hun lengte. De energiebron: UV-licht. Hebben we nu eindelijk een geschikte motor voor nanomachientjes gevonden? Een aantal onderzoekers van New York University denkt van wel.

Een van de grootste hinderpalen voor de doorbraak van actieve nanotechnologie is het gecompliceerde vraagstuk van de voortbeweging en aansturing van nanomachines. Ontwerpen die in het dagelijkse leven goed werken, functioneren op nanoschaal vaak niet meer. Onder meer omdat kwantumeffecten roet in het eten gooien en de materiaaleigenschappen op zeer kleine schaal sterk veranderen. Dit geldt onder meer voor elektromotoren, die de krachtbron vormen van de meeste apparaten op menselijke schaal.

Pance Naumov van New York State University, vestiging Abu Dhabi, ontdekte in 2010 dat licht op bepaalde kristallen merkwaardige effecten had. Kristallen van een bepaald groen fluorescerend eiwit bogen onder de invloed van zwakke belichting meer dan negentig graden. Hij besloot er met zijn collega’s in te duiken. Kristallen met Co(NH₃)₅(NO₂)]Cl(NO₃), een complex zout bestaande uit kobalt-, ammonium-, nitriet-, chloride- en nitraationen, bleken nog veel feller op licht te reageren. Het effect lijkt veroorzaakt te worden doordat UV-licht verstoringen in de kristallen aanbrengt, die zich ophopen en op een gegeven moment explosief ontladen. Een sterke stralingsintensiteit laat de kristallen al binnen enkele seconden springen, bij een zwakke UV-belichting duurt dit rond de 20 seconden. Bij sommige kristallen leidt dit zelfs tot het uiteenspatten. De onderzoekers verwachten dat dit mechanisme gebruikt kan worden om zeer kleine machines mee aan te drijven. Met andere woorden: ze kunnen werken als een kunstmatige spier.

Bron
Dynamic Single Crystals: Kinematic Analysis of Photoinduced Crystal Jumping (The Photosalient Effect), Angewandte Chemie (2013)m DOI: 10.1002

Aharonov-Bohm effect: ‘niet-bestaand’ veld beïnvloedt deeltjes

4 reacties / natuurkunde, Wetenschap / Door Germen Roding / 27 juli 2011 7 september 2021

Hoe kan een veld dat niet bestaat op de plaats waar deeltjes zich bevinden, toch invloed op ze hebben? Onmogelijk, oordeelden collega-natuurkundigen toen Yakir Aharonov en de in het natuurkundige wereldje zeer omstreden David Bohm hun baanbrekende artikel schreven. Nu, vijftig jaar na dato, staat het Aharonov-Bohm effect nog steeds fier overeind en is in 1986 zelfs experimenteel bewezen. Velden zijn dus niet fundamenteel. Potentieel wel.

Velden uit het niets?

Het artikel van Aharonov en Bohm stelde iets dat op het eerste gezicht helemaal niet kan. Soms kan een elektrisch of magnetisch veld een deeltje beïnvloeden, zelfs als de deeltjes nooit direct in aanraking komen met het veld. Volgens de klassieke elektromagnetische theorie is dat onmogelijk. Zonder contact met een veld kan een deeltje niet beïnvloed worden. Geen wonder dus dat hun artikel met veel scepsis werd ontvangen. Echter: er bestaat een compacte formulering van elektromagnetisme, waarin iedere plek in de ruimte een zogeheten elektromagnetische potentiaal heeft. De velden worden makkelijk wiskundig afgeleid van die potentiaal, maar van die potentiaal werd gedacht dat het alleen maar een wiskundig foefje was. Fout, zo bleek…

Onzichtbaar veld veroorzaakt potentieel
Volgens de kwantummechanica zorgt de elektromagnetische potentiaal dat de fase gaat verschuiven. Een lichtdeeltje (foton), bijvoorbeeld, bestaat uit een elektrische en magnetisch veld die elkaar beurtelings opwekken. Door de elektromagnetische potentiaal trillen beide velden iets eerder of later. Dit is gewoonlijk niet te meten (behalve met een laserinterferometer oid). In 1959 bedachten Aharonov en Bohm echter een gedachtenexperiment, waarbij er wel een verschil meetbaar is. In hun experiment wordt een bundel elektronen gesplitst. De twee deelbundels reizen beide aan een andere kant van een solenoïde, een elektromagneet in de vorm van een cilindervormige spoel. Het magnetische veld is samengeperst in het binnenste van de solenoïde en kan buiten de magneet zelfs tot vrijwel nul worden teruggebracht, als de cilinder zeer nauw wordt gemaakt. De beide elektronenbundels kunnen dus door een volledig veldvrij gebied reizen.

In dit veldvrije gebied is de elektromagnetische potentieel echter niet nul. Het verschil in potentieel zorgde bij elke elektronenbundel voor een faseverschuiving, maar dan precies de andere kant op. Met andere woorden: bij de ene bundel werden de golven naar voren geduwd, bij de andere naar achteren. Zo ontstond er een faseverschil tussen de golven. En dat is te meten, bijvoorbeeld door deze bundels elk door een andere spleet te sturen en met elkaar te laten interfereren. De conclusie: de elektromagnetische potentieel is geen rekentrucje, maar bestaat werkelijk. Niet krachten, maar potentiële energie bepaalt alles.

Supergeleider neemt laatste twijfels weg
Er stalk een storm van kritiek op, maar vijf jaar later bleek de wiskundige afleiding alle kritiek te doorstaan. Ook experimenten bevestigden deze theorie, maar werden door criticasters verworpen. Immers, wie weet kon een minuscuul zwak magnetisch veld door de spoel lekken. Hoe dat minuscuul zwakke magnetische veld dan toch dat grote effect kon hebben, konden de critici niet aangeven. Pas na een experiment in 1986 met een supergeleider, die gegarandeerd alle magnetische velden afschermt, waren de critici tevreden gesteld. Bij dit experiment werd de magneet totaal afgeschermd met een supergeleidende mantel. Er is namelijk geen enkel magnetisch veld dat door een supergeleider heen kan dringen. De spookachtige invloed bleek zelfs door een supergeleider heen te kunnen dringen…

Frame dragging
Kort geleden is een vergelijkbaar effect experimenteel aangetoond bij zwaartekracht: frame dragging. Net als een ronddraaiende stroom in de spoel het Aharonov-Bohm effect veroorzaakt, vertraagt of versnelt een snel rondtollend hemellichaam ook de tijd. Dit effect is aangetoond met de satelliet Gravity Probe B.

Bronnen
1. Y. Aharonov and D. Bohm, Significance of Electromagnetic Potentials in the Quantum Theory, Physical Review, 1959
2. N. Osakabe, T. Matsuda, T. Kawasaki, J. Endo, A. Tonomura, S. Yano, and H. Yamada, “Experimental Confirmation of Aharonov-Bohm Effect Using a Toroidal Magnetic Field Confined by a Superconductor,” Phys. Rev. A 34, 815 (1986)

Cerenkovstraling rond een reactorkern. Deze straling, veroorzaakt door subatomaire deeltjes doe sneller reizen dan het licht in (hier) water, komt vaak vrij bij de opwekking van kernenergie.

Kernenergie: redder uit de energie-nood?

10 reacties / Geopolitiek, Maatschappij, Mensheid, natuurkunde, Wetenschap / Door Germen Roding / 23 februari 2011 21 augustus 2021

Fossiele brandstoffen raken nu in hoog tempo op. Vooral op hogere breedtes, wil het nog niet erg opschieten met zonne-energie. Kan kernenergie ons redden uit de nood?

Wat is het principe van kernenergie?

Kernenergie maakt gebruik van de energie in atoomkernen.
De kracht waarmee deeltjes in de atoomkern elkaar aantrekken en afstoten is de sterke kernkracht. Deze kracht is vele ordes van grootte groter, dan de krachten die verantwoordelijk zijn voor chemische reacties. Daarom komt er miljoenen malen meer energie vrij als een kilo uranium wordt gesplitst, dan als een kilo uranium wordt verbrand tot uraniumoxide.

IJzerkernen, die met bijna zestig kerndeeltjes middelzwaar zijn, zijn energetisch gezien het gunstigst.

Er komt dus energie vrij als grote kernen (zoals die van uranium met 235 of 238 kerndeeltjes) gesplitst worden in kleinere (kernsplijting). Of als kleine kernen (zoals die van waterstof met maar één of twee kerndeeltjes) samensmelten tot grotere (kernfusie). In beide gevallen komen de nieuwe kernen dichter in de buurt van ijzer. Kernfusie is zeer lastig onder controle te brengen. Zestig jaren van intensief onderzoek hebben nog steeds geen werkende kernfusiecentrale opgeleverd. In de praktijk is kernsplijting de enige vorm van kernenergie die we kunnen gebruiken. Als je waterstofbommen niet meerekent, dan.

Instabiele kernen

Van sommige zware atoomsoorten (zoals uranium-235) zijn de kernen metastabiel. Als er een extra kerndeeltje zoals een neutron bij komt, dan valt de kern snel uit elkaar. Namelijk, in kleinere kernen en in neutronen, die de reactie op gang houden. Hierbij komt veel energie vrij. Dit gebeurt in kerncentrales en, in een kettingreactie, in atoombommen.

Kerncentrales moeten dus de hoeveelheid neutronen indammen om te voorkomen dat de centrale verandert in een atoombom. Bijvoorbeeld, door neutronen absorberende cadmiumstaven in de kern te laten zakken. Daarom zijn moderne kerncentrales passief ontworpen. Namelijk, als de stroom om elke reden dan ook uitvalt, zakken de staven direct. Deze staven vegen alle vrijkomende neutronen op. En stoppen zo de kernreacties.

Naar schatting is de EREOI tien. Er komt namelijk ongeveer tien keer zoveel energie uit een kerncentrale als het kost om de centrale te bouwen en de uranium te winnen. Dit is te vergelijken met een kolencentrale.

Kerncentrales en hergebruik van uranium

Kerncentrales zijn oorspronkelijk door de Amerikanen ontworpen om kernwapens mee te kunnen maken. Daarom wordt een lastig, energievretend proces gebruikt om uranium te verrijken tot een splijtbare 3-5% (van nature bevat uranium maar 0,72% uranium-235). Want dat proces is handig om uranium geschikt te maken voor gebruik in atoombommen, denk dan aan 70-80% U-235. Met het verarmde uranium (dat vrijwel zuiver U-238 is) maken Amerikaanse wapenfabrikanten mooie dingen voor het Amerikaanse leger. Denk aan sterke tankpantsers en alles doordringende kogels. Wat niet alleen de vijand, maar ook de eigen soldaten en Iraakse kindertjes erg ziek maakt. Want uranium is naast zwak radioactief, ook extreem giftig.

Niet alleen erg wreed, ook erg dom

Dit is niet erg mensvriendelijk, zacht uitgedrukt. Maar ook nogal dom. Want als je een kilo uranium helemaal zou splijten, komt er 80 terajoule (22 miljoen kilowattuur) aan energie vrij. Een gram uranium is dus in theorie genoeg om een Nederlands huishouden tien jaar (!) van elektriciteit te voorzien. In Irak is in de oorlogen van 1991 en 2003 in totaal 440 000 kg verarmd uranium gedumpt. Met andere woorden: 11 biljoen kilowattuur. Een rekensommetje leert dat dit, bij 100 procent efficiëntie, voldoende is om de Amerikaanse bevolking, die niet bekend staat om haar energiezuinige levensstijl, bijna vier jaar volledig van elektriciteit te voorzien.

Uiteraard is net als in bijvoorbeeld kolencentrales maar een fractie van deze energie uiteindelijk in elektriciteit om te zetten. Kerncentrales werken met een stoomturbine. De hitte die vrijkomt bij de kernreactie verdampt water of een andere vloeistof, waarvan de damp een dynamo aandrijft. Kerncentrales bereiken ongeveer 30% rendement.

CANDU: kernenergie zonder atoombommen

De Canadese noorderburen hadden niet zoveel geld en ook geen behoefte aan atoombommen. Ze vonden daarom de energiezuiniger, en veel veiliger, CANDU-reactor uit. Deze werkt op niet-verrijkt, natuurlijk uranium. CANDU, een aanmerkelijk slimmer concept, is 30-40% zuiniger dan bijvoorbeeld Borssele. Sterker nog: het afval van Borssele kan in een CANDU opgestookt worden. Een CANDU kan ook thorium (dat drie keer zo veel voorkomt als uranium) opstoken. Reken er alleen niet op dat er een CANDU in Nederland komt. We hebben hier één van de grootste uraniumverrijkende fabrieken ter wereld, Urenco, die zoals bekend veel aan ontwikkelingssamenwerking deed.

Kweekreactoren: meer lol van je uranium

Van nature wordt een paar procent van het U-238 in een reactor ook getroffen door neutronen.

In deze verarmd-uranium granaat zit evenveel kernenergie als in duizenden vaten olie. Toch wordt dit gebruikt om oliebronnen mee te veroveren. Hoezo dom? — In deze verarmd-uranium granaat zit evenveel kernenergie als in duizenden vaten olie. Toch wordt dit gebruikt om oliebronnen mee te veroveren. Een beetje dom.

Dit verandert dan in plutonium (Pu-239), dat net zo makkelijk splijt als uranium-235. Ook met plutonium kan je dus atoombommen maken. En, omdat dit chemisch verschilt van uranium, is het makkelijker uit het kernafval te halen. Stel, je bent in staat om alle U-238 in een reactor om te zetten in Pu-239. Dan zou dat de opbrengst in energie meer dan 100x groter maken.

Dat kan met een kweekreactor. Dat is een kernreactor, die meer splijtbaar materiaal produceert dan deze consumeert. Een kweekreactor verwerkt eerst een beginlading van verrijkt uranium of plutonium, Dit om de reactie op gang te brengen. Daarna volgt een vulling met uranium-238 en/of thorium. Nadeel van kweekreactoren is dat de kernreactie lastiger te beheersen is. Er zijn hoge neutron dichtheden nodig om veel nieuwe kernbrandstof te produceren. Dat brengt het systeem dichter bij een snel uit de hand lopende kettingreactie. Dit maakt kweekreactoren ingewikkeld, duur en storingsgevoelig.

Thoriumreactoren

India beschikt over ongeveer een derde van de thoriumvoorraad in de wereld. Thorium, een zwaar, hard grijswit metaal, komt drie keer zo veel voor als uranium. Geen wonder dat vooral India onderzoek doet naar kernreactoren waarin thorium een belangrijke rol speelt. Een andere prettige kant aan thorium is dat vrijwel alles reageert en dat thorium vrijwel geheel voorkomt als thorium-232, de splijtbare vorm. Een thoriumreactor is dus in feite al een kweekreactor. Op dit moment wordt door de Indiërs veel onderzoek gedaan naar thorium. India onderzoek de mogelijkheden om thorium-gebaseerde reactoren werkend en winstgevend te krijgen. Als dit lukt, zal er voor vele honderden jaren voldoende energie zijn voor de gehele wereld. Tijd genoeg dus om nieuwe energiebronnen zoals fusie te ontwikkelen.