Het antwoord op een vraag binnenkrijgen zodra je hem in gedachten formuleert? Een extreem lastige differentiaalvergelijking in een fractie van een seconde oplossen? Een herinnering uploaden naar een computer om hem met je vriend of vriendin te kunnen delen of zelfs je complete geest van het ene lichaam naar het andere overhevelen? Het klinkt als krankzinnige science-fiction, maar recent onderzoek toont aan dat het mogelijk is om hersencellen met chips te laten communiceren.
Hersen-computer interface
Het zou enorm veel mogelijkheden opleveren als we er op de een of andere manier in zouden slagen computerchips met menselijke neuronen te laten communiceren.
Brein-computerinterface, schematisch.
De hersen-computer interface, of wetware, zoals transhumanisten dit concept noemen, is één van de meest veelbelovende technologieën om de menselijke capaciteiten op te voeren. Onze menselijke brein heeft een aantal unieke capaciteiten die nog niet door computers zijn geëvenaard. Daarentegen bezitten computers een aantal vaardigheden die voor mensen jaloersmakend zijn. Computers hebben bijvoorbeeld niet het minste probleem om dingen als getallen of een complete encyclopedie als teksten te onthouden en kunnen rekenen met letterlijk de snelheid van het licht. Waarom niet het beste van twee werelden samenvoegen? Helaas zijn er nog veel problemen met het uitvoerenvan dit idee. Zo is nog verre van duidelijk hoe het menselijke brein op grotere schaal functioneert.
Neuronen en computers praten totaal andere taal
Begrijp je je computer niet? Geen wonder. De tegenwoordige generatie computers werkt met stroomstootjes die in twee varianten voorkomen: ‘uit’ en ‘aan’. De computer moet exact gesynchroniseerd blijven om zo te bewerkstelligen dat er geen communicatiestoornissen optreden: de inwendige klok. Neuronen werken op een heel andere manier. Om te beginnen heeft ons brein meer weg van een extreem complex driedimensionaal spinnenweb dan van het strak geregelde inwendige van een computer. Neuronen zijn zowel rekeneenheden als doorgeefmiddelen voor informatie. Je kan ze misschien nog wel het beste vergelijken met de futuristische memristoren. Ook de signaaloverdracht tussen neuronen is totaal anders dan tussen computeronderdelen. Weliswaar wisselen neuronen stroomstoten via de lange, uitgestrekte dendrieten, maar ook de snelheid waarmee deze worden afgevuurd is van belang. Kortom: samenwerking tussen computers en hersencellen is erg lastig.
Kunstmatige dendrieten gebouwd
Het is al langer bekend dat zenuwcellen hun lange uitlopers laten zoeken naar andere zenuwcellen. Tot nu toe was nog niet opgehelderd of dit het resultaat is van toevalsprocessen of dat er een bepaald signaal is waardoor deze worden geprikkeld.
Soms laten neuronen hun dendrieten door kleine buisjes groeien. Kan je op die manier mensen met een dwarslaesie weer laten lopen?
Op grond van eerdere experimenten werd al vermoed dat elektrische spanning hier iets mee te maken heeft. Het is onderzoekers nu voor het eerst gelukt om zenuwcellen van een muis hun dendrieten in een buisje te laten groeien en het parcours van het buisje te laten volgen – naar een andere zenuwcel. In principe kan je op die manier een neuraal netwerk van zenuwcellen bouwen, verwachten de onderzoekers. De onderzoeker hopen de onderlinge communicatie tussen zenuwcellen af te kunnen luisteren en er zo achter kunnen komen hoe zenuwcellen onderling communiceren. Als eerste praktische toepassing zou een computer signalen die binnenkomen van één kant, kunnen versterken en doorgeven aan de andere kant. Een uitkomst voor patiënten met een dwarslaesie, waarbij de zenuwbaan tussen hersenen en onderste ledematen is doorgesneden. Mogelijk wordt het in een later stadium ook mogelijk om informatie uit te wisselen met het menselijk brein.
Als materie en antimaterie elkaar ontmoeten ontstaat er een enorme explosie. Bestaan er grote hoeveelheden antimaterie in het heelal? Als dat zo is, weten we nu hoe we dat uit kunnen vinden.
Antihelium-4 werd gevormd door een miljard goudatoomkernen op elkaar te beuken.
Naast materie bestaat er ook antimaterie. Voorspeld door kwantumgrootheid Paul Dirac als een ‘gat’ in de Diraczee van elektronen, was het positron, een anti-elektron, het eerste antimateriedeeltje ooit dat is ontdekt. De Diraczee wordt nu als model wat minder elegant gevonden, maar het positron bleek een blijvertje. Er volgden snel meer ontdekkingen: ook protonen en neutronen blijken antimaterie-tegenhangers te hebben. Antiprotonen en antineutronen zijn opgebouwd uit antiquarks. Er bestaan ook antineutrino’s. Het foton is zijn eigen antideeltje.
Totale vernietiging
Als materie en antimaterie elkaar ontmoeten, vernietigen ze elkaar totaal. Letterlijk alle massa wordt compleet omgezet in energie in de vorm van elektromagnetische straling. Zelfs bij kernfusie, het energierijkste proces dat we in de praktijk kennen, wordt ‘maar’ 0,7% van alle massa in energie omgezet. Als één gram materie en antimaterie in energie wordt omgezet, komt evenveel energie vrij als bij de kernexplosie in Hiroshima.
Anti-atomen
Uit antimateriedeeltjes zijn atomen te bouwen, waarin positronen met antiprotonen (en eventueel antineutronen in de kern) een atoom vormen. Het kost extreem veel energie om antimaterie te produceren. Als gevolg hiervan zijn antimateriedeeltjes extreem heet en is het zeer lastig om ze samen te laten voegen tot atomaire materie. Het is in 2010 gelukt met antiwaterstof, bestaande uit een antiproton met een positron.
Antihelium: zeer lastig te fabriceren, toch geslaagd
Antimaterie moet letterlijk vanaf de basis, kerndeeltje bij kerndeeltje, worden opgebouwd. Vooral twee geladen antiprotonen bij elkaar brengen is extreem lastig. Antihelium bestaat uit twee antiprotonen en twee antineutronen. Met “gewone” materie is dit al uiterst lastig – de reden dat kernfusie nog steeds niet als energiebron kan worden gebruikt.
Dus werd door de onderzoekers besloten domweg uiterst bruut geweld toe te passen. Helaas kost elk extra antiproton of antineutron in een antimateriekern die op deze manier wordt vervaardigd, duizend keer zoveel energie.
Een miljard goudkernen werd met bijna de lichtsnelheid (een energie van 200 miljard elektronvolt per goudkern) op elkaar gebeukt in de Relativistic Heavy Ion Collider van het Amerikaanse onderzoekslaboratorium Brookhaven. Het brute geweld had resultaat: achttien antihelium-4 kernen. Daardoor weten we dat antihelium bestaat en hoe het zich fysisch gedraagt.
Sterren van antimaterie?
Dat laatste is belangrijk. Volgens sommige (overigens niet erg populaire) theorieën bevinden zich elders in het heelal grote concentraties antimaterie. De aanwezigheid hiervan zou je kunnen vaststellen uit kosmische straling. We weten nu dat antihelium-4 bestaat en dat het een biljoen maal minder voor moet komen dan antiwaterstof, als er in dit heelal alleen materie op grote schaal voorkomt.
Bestaan er ook antimateriesterren en -planeten, dan moet deze verhouding in de kosmische straling hoger zijn, want ongeveer een kwart van alle massa in atomen is helium. Dat zou ook voor antimaterie gelden. Het bestaan van grote hoeveelheden antimaterie zou kosmologisch en natuurkundig grote consequenties hebben. Ook weten we dan in de verre toekomst waar we aan werkelijk onvoorstelbare hoeveelheden energie kunnen komen.
Vergeet huisdieren die tot handtas worden verwerkt en de vloer ondersmeren met pindakaas. Een echte kunstenaar doet aan genetische manipulatie als kunst. Een paar voorbeelden. Grensverleggend of is dit pas echt entartete Kunst?
Opgloeiend konijn De Braziliaanse kunstenaar Eduardo Kac bouwde met behulp van een bevriende biogeneticus al in het jaar 2000 het gen voor Green Fluorescent Protein, GFP, in in het albinokonijn Alba.
Het gen was afkomstig van de fluorescerende zeekwal Aequorea Victoria. Het konijn is zonder bijzondere belichting kleurloos.Pas op het moment dat het konijn wordt beschenen met blauw licht, begint het groen te fosforesceren.
Kac wilde hiermee een discussie uitlokken. Er zijn in de VS vrij weinig publieke bezwaren tegen genetisch gemanipuleerde organismen zoals die in Europa wel heersen, maar het bestaan van Alba leidde direct tot felle discussies.
Klaarblijkelijk vinden fatsoensrakkers dat het genetisch manipuleren van een plant of dier wel mag als dat voordelen als meer winst, een betere groei of effectievere medicijnproductie voor de mens oplevert, maar niet als kunstproject. Wat dat betreft is Kac uitstekend in zijn missie geslaagd.
Het albinokonijn Alba gloeide groen op als het met blauw licht werd beschenen. Connecticut College
Hij heeft ook anderen op een idee gebracht. In Oost-Azië is een lichtgevend zebravisje, de GloFish nu een grote hit. Invoer van genetisch gemanipuleerde organismen, dus ook GloFish, is verboden in de EU.
Genesis Transgene kunst is een vorm van bio-art: kunst met biologische organismen. Deze kunstvorm is uiterst omstreden. In een ander kunstobject, Genesis uit 1999, liet Kac in het DNA van bacteriën als morsecode een bijbelvers inbouwen (Genesis 1:26) waarin de mens toestemming wordt gegeven om met de schepping te doen wat deze goeddunkt. UV-straling veroorzaakt mutaties in bacteriën. Door de UV-lamp aan te zetten kan de bezoeker dus de boodschap vernietigen, maar grijpt dan zelf in de natuur in…
Kunstenares Patricia Piccinini stelde met dit kunstwerk de filosofische vraag: waar ligt de ethische grens van genetische manipulatie?
Mensvarkens Kunstenares Patricia Puccinini waagt zich niet in het laboratorium, maar toont de gevolgen als we diep ingrijpen in de natuur. In haar kunstwerken, vervaardigd van siliconen, toont ze bizarre mengvormen van mensen en dieren.
In één van haar beroemdste werken geeft een wezen dat een hybride is tussen een mens en een varken, borstvoeding aan een stel nakomelingen. Toeschouwers worden het meeste geraakt door de haast menselijke blik in het gezicht van het wezen. Hoe ver mogen we gaan met het overschrijden van de soortgrenzen?
De elektronenmicroscoop krijgt er een stevige concurrent bij. Opticus Allard Mosk van de Universiteit Twente heeft een techniek ontwikkeld om met een goedkope omgebouwde lichtmicroscoop details tot minder dan honderd nanometer, enkele honderden atomen breed, te ontwaren. Komt goedkope laboratoriumapparatuur voor de Derde Wereld dichterbij?
Duivels dilemma
Zichtbaar licht heeft golflengtes van vierhonderd tot zevenhonderd nanometer. Dat betekent dat hoe we ook ons best doen, we hiermee geen details kleiner dan vierhonderd nanometer kunnen zien. Licht buigt domweg om kleinere voorwerpen heen. Daarom moeten voor kleinere afmetingen andere dingen dan zichtbaar licht worden gebruikt. De nieuwste chips worden bijvoorbeeld gebakken met behulp van ultraviolette straling of zelfs röntgenstraling met een golflengte van enkele tientallen nanometers. Elektronen bieden een nog scherpere resolutie. Kwantummechanisch gezien hoort bij elk deeltje (zoals een elektron) een golf. Hoe zwaarder of energierijker het deeltje, hoe korter de golf. Bij elektronen praten we dan over groottes kleiner dan een nanometer. Helaas zijn elektronenmicroscopen peperdure en nogal logge apparaten, hoewel er tegenwoordig modellen zijn die op een bureautafel geplaatst kunnen worden. Ook zijn zowel röntgenstraling als elektronen nogal destructief. Levende organismen zijn hierdoor out of the question. Vervelend, want juist deze herbergen nog veel raadsels op nanoschaal.
De nanometermicroscoop in actie. Laserlicht wordt verstrooid en vervolgens met de lichtmodulator zo geconcentreerd, dat er een optisch onmogelijk scherp brandpunt ontstaat. Door het object met dit brandpunt af te tasten, ontstaat een 3D beeld op nanoschaal.
Kijken op nanoschaal
Met de ontdekking door opticus Allard Mosk van de universiteit Twente lijkt hieraan een einde gekomen te zijn. Het blijkt namelijk dat door het oppervlak van de lens op een bijzondere manier te etsen, met de golf veel kleinere details waar zijn te nemen dan volgens de klassieke optica mogelijk is. Mosk slaagde er in om met laserlicht van 561 nm golflengte details van 97 nm zichtbaar te maken, bijna zes keer kleiner dan optisch mogelijk dus. Het systeem werkt door gebruik te maken van verstrooiing. Laserlicht bestaat uit licht dat exact in fase is. Kleine verstoringen, ook obstakels van enkele nanometers groot, verstoren dit en leiden tot diffractiepatronen.
Bouw van de nanomicroscoop
Mosk maakt gebruik van een systeem in twee stappen. In de eerste fase wordt laserlicht door een lens met een onregelmatig, oneffen oppervlak verstrooid. Dit licht vormt een oneffen diffractiepatroon dat wordt uitvergroot, door een lichtgevoelige CCD-chip wordt opgevangen en teruggerekend naar de vorm van de oorspronkelijke bundel. Nu het diffractiepatroon exact bekend is, kan aan de hand daarvan worden berekend hoe de ruimtelijke lichtmodulator moet worden aangepast om de lichtbundel zich te laten concentreren in een brandpunt. De microscoop is vanaf dan klaar voor gebruik.
Gebruik zonder al te veel bewegende onderdelen
Als een object in het brandpunt geplaatst. Van dit object kunnen hierdoor details ruim onder de honderd nanometer worden waargenomen. Door de objecten punt voor punt te scannen krijgt een microscopist een driedimensionaal beeld van het object met een zeer hoge resolutie. Door de lichtmodulator aan te passen kan het brandpunt namelijk worden verschoven. Mosk en de zijnen verwachten met deze proefopstelling de brandpuntsgrootte te kunnen laten dalen tot 72 nm.
Toepassingen
Deze techniek is erg goedkoop en zeer breed toe te passen. Niet alleen zal het kunnen leiden tot een kleine revolutie op microbiologisch terrein, ook is de techniek uitstekend te gebruiken voor het etsen van nanostructuren. Voor massafabricage is de techniek weliswaar minder geschikt, maar er kunnen natuurlijk wel zeer nauwkeurige mallen op nanoschaal mee kunnen worden uitgeëtst. Wordt gekozen voor ver-ultraviolet met golflengtes tot tien nanometer, dan kan de resolutie (afhankelijk van wat de minimale golflengte is die nog volledig verstrooid kan worden door een UV-equivalent van een ruwe grenslaag) zelfs nog veel meer omhoog. Kortom: deze doorbraak brengt de nanowereld veel dichterbij, op den duur zelfs voor de gewone man en vrouw.
In plaats van menselijke astronauten te sturen, kunnen ook robots de eerste voor mensen bewoonbare structuren bouwen. Weinig heroïsch, maar wel veiliger en goedkoper dan mensen op pad te sturen.
Robots zijn namelijk veel beter dan mensen tegen de gevaarlijke kosmische straling bestand. Ook vereisen robots geen zuurstof, voedsel en water, zoals mensen.
Wel jammer van de romantiek…
Robots zullen we behoorlijk slim moeten zijn om zelfstandig te kunnen werken – communiceren met de aarde duurt een kwartier of meer.
Roodgloeiende lavastromen, sissende stoomwolken en tot duizenden kilometers verderop asregens. IJsland? De Vesuvius? Nee, de Vulkaaneifel, op minder dan honderd kilometer van de Nederlandse grens, bijna dertienduizend jaar geleden. De Eifelvulkanen barsten elke tien- tot twintigduizend jaar uit. Tot nu toe ontsprongen we de dans. Wat zijn de gevolgen als deze slapende vulkaan weer uitbarst?
Noord-Europa lijkt veilig te zijn voor vulkanisme. De dichtstbijzijnde actieve vulkanen, de Siciliaanse Etna en de IJslandse Katla en Eyjafjällajökull, liggen op een comfortabele tweeduizend kilometer afstand. Niets aan de hand dus. Echter: schijn bedriegt. Bij de laatste uitbarsting werd er maar liefst drie vierkante kilometer rots uitgeblazen.
Vulkaaneifel
Vlak over de grens ligt de Duitse Vulkaaneifel, een natuurgebied dat wordt gekenmerkt door kleine ronde meertjes, laachen (van het Latijnse lacus, meer), golvende heuvels en warme bronnen. De Duitsers kunnen hier hun obsessie voor Heilbronnen en andere kuuroorden maximaal uitleven. Maar weinig mensen staan er bij stil dat hier al vele miljoenen jaren een actief vulkaangebied ligt dat elke tien- tot twintigduizend jaar Europa bedekt met een fijne aslaag. In teegenstelling tot vulkanen als de IJslandse Katla en de Italiaanse Vesuvius, die keer op keer op dezelfde plaats uitbarsten, wurmt de hot spot die het vulkanisme in Centraal-Europa veroorzaakt, elke keer op een andere plaats omhoog. Diep onder de aarde verzamelt zich magma, dat zodra de onderaardse druk voldoende is om de aardkorst te doorboren, een enorme magmaontploffing veroorzaakt waarbij de magmakamer de lucht in vliegt.
De gevolgen van een vulkaanuitbarsting in het hart van West-Europa
Tienduizend jaar geleden was Europa nog dun bevolkt door jager-verzamelaars en een enkele neolithische landbouwer. In heel Nederland woonden misschien vijftigduizend mensen. De uitbarsting had dan ook weinig destructieve gevolgen.
12.900 jaar geleden zag de Vulkaaneifel vlak over de grens er zo uit. Staat de volgende uitbarsting er aan te komen?
Nu is dat wel anders. Vlak bij de Vulkaaneifel ligt het dichtbevolkte Ruhrgebied, Limburg, Luxemburg en de oostelijke Belgische provincies, waar samen meer dan tien miljoen mensen wonen. Besluit de hotspot zich weer een weg naar de oppervlakte te banen, dan betekent dat de inwoners van het dichtstbevolkte gebied in Europa te maken zullen krijgen met zware aardbevingen, dodelijke pyroclastische stromen die alles op hun weg verschroeien, lavastromen en een bombardement met vulkanische bommen. De dikke asafzettingen blokkeren de Rijn, waardoor enorme overstromingen ontstaan (12.900 jaar geleden leidde dit tot de vorming van en stuwmeer en, toen de natuurlijke dam doorbrak, een vele meters hoge vloedgolf).
Gelukkig is dit gebied vrij arm aan kerncentrales, maar vlak bij de Limburgse grens staat de centrale van Jülich. Ook vlakbij het vulkanische gebied staat de centrale van Mülheim. Toch dateert de laatste zeer zware aardbeving in Limburg nog van enkele eeuwen terug (een lichtere aardbeving sloeg in 1992 toe). Als deze niet bestand zijn tegen de enorme aardschokken die de vulkanische eruptie met zich mee zal brengen, zal dit mogelijk leiden tot een meltdown. Ontwerpers beschouwen het westelijk deel van Duitsland als een lage-risicogebied voor aardbevingen.
Hoe groot is de kans?
De Eifelvulkaan kan morgen uitbarsten. De vulkaan kan ook nog bijna tienduizend jaar een slapend bestaan blijven leiden. Duitse geologen klagen steen en been over de nonchalante houding van de Duitse autoriteiten. Eén ding is zeker. Vroeg of laat zal de vulkaan in de Eifel weer ontwaken en dood en verderf zaaien. Mogelijk heeft het niets bijzonders te betekenen, maar de grond in de Eifel komt elk jaar enkele millimeters omhoog…
Er zijn drie fundamentele natuurconstanten: de lichtsnelheid, de constante van Planck en de sterkte van de zwaartekracht. Samen vormen ze de drie dimensies van een magische kubus. Zeven van de acht hoekpunten krijgen (of kregen) veel aandacht van wetenschappers. Wat verbergt zich achter de achtste hoekpunt?
Newtons twee hoekpunten
Alle grote natuurkundetheorieën die met ruimte, tijd en kwantummechanica te maken hebben, zijn onder te brengen in een kubus. Je gaat uit van de klassieke theorie van Isaac Newton die je van de middelbare school kent: krachten, versnellingen en dergelijke.
Alle fundamentele natuurkundige theorieën bevinden zich in één van de zeven gebruikte hoekpunten. Wat ligt er in de ontbrekende hoekpunt?
Newton “ontdekte” de zwaartekracht (althans: was de eerste die zich afvroeg waarom voorwerpen omlaag vallen). Vandaar dat de twee achterste hoekpunten onder, Newtons mechanica en Newtons zwaartekrachtstheorie, voor zijn rekening komen. Als je aan Newtons klassieke theorie de zwaartekrachtsconstante G toevoegt, krijg je namelijk Newtons zwaartekrachtstheorie. Een aantal eeuwen voldeed deze heel aardig en voor het alledaagse leven in feite nog steeds.
Einstein en de lichtsnelheid
Eind negentiende eeuw werd ontdekt dat licht een (in het vacuüm) onveranderlijke snelheid heeft: c. Einstein werkte deze gedachte in 1905 verder uit in de speciale relativiteitstheorie, die beschrijft wat er met dingen in de buurt van de lichtsnelheid gebeurt. Enkele jaren later volgde de algemene relativiteitstheorie, waar ook de zwaartekracht in is verwerkt. Dit zijn de twee voorste hoekpunten beneden. Atoomklokken en GPS werken alleen omdat rekening wordt gehouden met de speciale en algemene relativiteitstheorie. Deze vier hoekpunten zijn de klassieke natuurkunde.
Kwantumraadsels
Omstreeks die tijd dook ook de constante van Planck, h, op. De consequenties van het bestaan van quanta (h is hierin de elementaire eenheid) brachten natuurkundigen totaal tot wanhoop. Uiteindelijk ontstond de kwantummechanica, nog steeds een slecht begrepen en moeilijk te bevatten theorie die geregeld nieuwe absurditeiten oplevert. Wel is bijvoorbeeld kwantumelektrodynamica de nauwkeurigste theorie ooit.
Alle theorieën waar de constante van Planck een rol in speelt, bevinden zich in het bovenste vlak van de kubus. Toen de kwantummechanica werd uitgebreid met Einsteins speciale relativiteitstheorie, ontstond bijvoorbeeld het Standaardmodel, dat alle bekende deeltjes in de natuur beschrijft, het hoekpunt linksboven.
Snaartheorie of snaarsciencefiction?
Volgens veel natuurkundigen hebben ze een theorie van alles gevonden die ze snaartheorie noemen. Deze verenigt het standaardmodel en de algemene relativiteitstheorie, althans: dat is de bedoeling. De resultaten zijn niet echt denderend: er is na veertig jaar gereken en wiskunstig geworstel nog steeds geen voorspelling met de snaartheorie gedaan die je met bijvoorbeeld een deeltjesversneller kan toetsen. In de meeste wetenschappen is dit een doodzonde. Niettemin is de theorie nog steeds erg populair onder de beoefenaars er van.
Het onbekende hoekpunt
Oplettende lezers hebben al gezien dat er één hoekpunt in de nevels verborgen blijft. Geen enkele natuurkundige heeft geprobeerd om een theorie te beschrijven die kwantummechanica en zwaartekracht (zonder relativistische effecten) met elkaar in overeenstemming brengt. We weten daarom nog steeds niet wat zwaartekracht op kwantumniveau precies voorstelt. Wat is de kwantummechanische oorzaak van massa? En zijn er misschien meer kwantummechanische effecten die in het dagelijks leven optreden, maar die onopgemerkt blijven? Waarom wordt hier geen onderzoek naar gedaan? Is dit geen slimmere route naar de theorie van alles?
Bron: De natuurwetten, iconen van onze kennis, Sander Bais (ISBN 90 5356 714 3, NUR 616/754)
Fundamenteel wetenschappelijk onderzoek heeft, zo heeft het verleden uitgewezen, per saldo een enorm positief effect op de wereld en de mensheid. We kunnen alleen niet voorspellen wie het meeste zal profiteren.Zou je fundamenteel-wetenschappelijk onderzoek niet moeten zien als een vorm van ontwikkelingshulp?
Fundamenteel-wetenschappelijk onderzoek: geen direct nut, op de langere termijn de beste investering denkbaar
Toen een Britse hoogwaardigheidsbekleder de Engelse negentiende-eeuwse onderzoeker Michael Faraday vroeg wat het nut van onderzoek naar elektrische stroom was, antwoordde hij naar verluidt snibbig: u zult er op een dag belasting over kunnen heffen.
Norman Borlaug, de vader van de Groene Revolutie, redde waarschijnlijk miljarden mensen het loeven.
Met de invoering van de energieheffing op elektriciteit bleken Faradays woorden profetisch. De ontdekkingen op het gebied van elektromagnetisme brachten de Britten veel winst, maar oud-kolonie Verenigde Staten nog veel meer. Dit geldt ook voor andere fundamentele wetenschappelijke doorbraken, die vaak in heel andere landen dan waar het onderzoek verricht is, voor voordelen heeft gezorgd.
Ontwikkelingshulp
In feite is fundamenteel-wetenschappelijk onderzoek dus een soort ontwikkelingshulp aan de landen die het best in staat zijn de resultaten van dit onderzoek te vertalen in winstgevende producten. Pasteurs ontdekkingen en de Groene Revolutie van Borlaug hebben bijvoorbeeld meer levens gered dan decennia van bilaterale hulp. Misschien is het een verstandig idee om fundamenteel-wetenschappelijk onderzoek ook zo te behandelen. Als je het zo bekijkt doen landen als de Verenigde Staten en Japan behoorlijk veel aan ontwikkelingshulp, heel wat meer dan de 0,13% die ze aan rechtstreekse ontwikkelingshulp geven.
Wetenschappelijk onderzoek redde miljarden levens
Een bekende kritiek op grote prestigeprojecten als de Large Hadron Collider is dat dat geld veel beter kan worden besteed om de arme kinderen in Afrika te helpen. In feite wordt dit geld besteed voor deze kinderen, want tegen de tijd dat deze kinderen opgegroeid zijn, zijn er door de experimenten m et o.m. de LHC allerlei fundamenteel-natuurkundige ontdekkingen gedaan die het armoedeprobleem tot iets van het verleden maken. in feite is armoede nu al een veel kleiner probleem dan het in de jaren vijftig was. Waar vroeger in landen als India of China hongersnoden schering en inslag waren, is er nu genoeg te eten. De reden: fundamenteel-wetenschappelijk en praktisch wetenschappelijk onderzoek naar onder meer verbetering in landbouw en informatietechnologie, waardoor er veel goedkoop voedsel op de markt kwam en veel Indiërs als telewerker aan de kost komen.
Geen betere ontwikkelingshulp dan wetenschappelijk onderzoek
Wetenschappelijke kennis is onvernietigbaar, groeit en ontwikkelt zich steeds verder. Het kost vrijwel niets om eenmaal verworven wetenschappelijke kennis te verspreiden. Ook vormt beschikbare kennis een bouwsteen voor nieuwe ontdekkingen en technologieën. Dus ben je een wereldverbeteraar, heb dan wat meer geduld met die wereldvreemde figuren met foute brillen in labjassen. Waarschijnlijk zijn ze je probleempje al aan het oplossen, al beseffen ze zelf nog van niet…
Een lek. Op aarde een klein ongemak, op de maaan een kwestie van leven en dood.
Hoe zou het zijn als je een maanbasis zou moeten besturen? De meest serieuze kolonisatieplannen zijn die van onze naaste kosmische buur, de maan. Waterijs in poolkraters en de nabijheid tot de aarde maken de maan een realistische bestemming voor ruimtekolonisatie, al zorgt de lage zwaartekracht vermoedelijk voor veel gezondheidsproblemen.
NASA heeft een educatief spel ontwikkeld. Helaas wel een monsterlijke grote download, bovendien moet je de opdringerige game engine Steam downloaden.
Eén ding is duidelijk: failure is NOT an option in space…
Duurzame energie, bijvoorbeeld wind en zon, is er genoeg. Het probleem is dat de aanvoer van energie heel ongelijkmatig is. Dit wordt op dit moment opgevangen met gascentrales. Supergeleiders slaan de energie in een magneetveld op. DE oplossing voor onze energie-opslagproblemen?
Wat zijn supergeleiders? Supergeleiders, ontdekt door de Leidse natuurkundige Kamerlingh Onnes in 1911, zijn materialen die onder een bepaalde kritische temperatuur al hun weerstand voor elektrische stroom verliezen. In theorie kan een stroom in een supergeleidende ring dus letterlijk oneindig lang, tot het einde van het heelal in de huidige vorm, blijven doorcirkelen.Een andere bekende eigenschap is het Meissner-effect: supergeleiders drukken alle magneetvelden binnen de supergeleider weg. Een magneet blijft boven een supergeleider zweven. Immers elke verandering in magneetveld wekt een elektrische stroom op die de verandering tegenwerkt; door die nooit stoppende stroom, ontstaat er een tegen-magneetveld dat door nieuwe interacties (technisch gesproken kan een magnetisch veld geen arbeid verrichten) zorgt voor de afstoting.
Alle bekende supergeleiders moeten hiervoor extreem worden gekoeld: het temperatuurrecord staat op bijna 130 kelvin, dat is 140 graden onder nul, voor hoge-temperatuur supergeleiders. Helaas kan er door deze groep materialen maar weinig stroom vloeien: voor echt hoge stroomsterktes, zoals nodig zijn voor energieopslag, moeten technici uitwijken naar conventionele supergeleidende materialen zoals niobium of kwik die pas ruim onder de twintig kelvin, het kookpunt van waterstof, supergeleidend worden (de uitzondering: magnesiumboride met 39 K, de vraag is alleen of dit wel een conventionele supergeleider is). De vervelende consequentie is dat schaars en duur vloeibaar helium nodig is om lage-temperatuur supergeleiders tot onder de twintig kelvin te koelen, hoewel er alternatieve methoden zijn, denk aan magneetkoeling. Uiteraard wordt er voortdurend gezocht naar supergeleiders die minder te lijden hebben van deze beperkingen. Inderdaad zijn er nu enkele bulk-hoge temperatuur supergeleiders bekend.
Wat veroorzaakt supergeleiding?
Onderzoekers denken dat elektronen zogeheten Cooperparen vormen die weerstandsloos door het metaal kunnen vloeien (de BCS-theorie). Boven de kritische temperatuur worden deze paren uiteengeslagen door warmtetrillingen. Enige twijfels aan deze theorie rezen toen Müller en Berdnoz een materiaal ontdekten dat boven de maximale kritische temperatuur van de BCS-theorie supergeleiding toonde en er steeds meer hoge-temperatuur supergeleiders werden ontdekt. De theorie is sindsdien aangepast.
Misschien is het beter de tegenovergestelde vraag te stellen: wat veroorzaakt weerstand in een materiaal? Dit zijn de ongelijkmatigheden in de invloeden die elektronen ondervinden als ze door het atoomrooster zwerven en waarop ze botsen. Al weten we nu meer dan Kamerlingh Onnes, precies honderd jaar na de ontdekking is supergeleiding nog steeds een raadsel.
SMES: energie opslaan in een magneetveld
Een ijzeren wet is: waar stroom loopt, ontstaat een magneetveld. Minder bekend is dat er energie opgeslagen kan worden in een magneetveld.
In sommige SMES-systemen worden de spoelen in een ring geplaatst.
Elke keer als een zware elektromotor aan- of uit wordt geschakeld, ontstaat daarom een enorme vonk. Dit is de magnetische energie die vrij komt. Door een zeer sterke stroom op te wekken en die door te laten lopen, ontstaat een permanent magneetveld dat energie opslaat. Als de stroom vermindert, dumpt het magneetveld de energie weer voor een deel terug in de stroom. Dit is het principe van de SMES: de supergeleidende magnetische energieopslag. In een supergeleider zijn de verliezen nul, dus dit systeem is verreweg de efficiëntste accu die we hebben: in de praktijk (er zijn verliezen door de overige onderdelen en door radiostraling) kan 95% van alle ingaande energie er weer uit worden gehaald. Een SMES ziet er uit als een enorme platte spoel.
Hoeveel energie kan een SMES opslaan?
Drie factoren bepalen hoeveel energie de SMES opslaat: de stroomsterkte (kwadratisch, zelfs; een verdrievoudiging van de stroomsterkte betekent negen keer zoveel energie), het aantal windingen van de draad (ook een kwadratisch effect) en de oppervlakte van de spoel. Om een idee te geven: een SMES, bestaande uit één vierkante meter spoel met duizend wikkelingen waar één ampère stroom doorheen gaat, slaat ongeveer zestig joule op (je bewegingsenergie als je wandelt).
Helaas kan de stroomsterkte niet ongestraft extreem worden opgevoerd. Per supergeleidend materiaal is er een maximale stroomsterkte en maximale magneetveld-sterkte die het materiaal aankan zonder de supergeleidende eigenschappen te verliezen. Om een miljoen kilowattuur in een spoel op te slaan moet de spoel ongeveer honderdzestig kilometer omtrek hebben. Mede gezien de enorm sterke magnetische velden die een SMES genereert, wat minder geschikt voor dichtbevolkt gebied, maar in woestijngebieden of diep onder de grond of zeebodem zou dit goed kunnen. Helaas zijn de materialen waaruit het supergeleidende materiaal van de SMES wordt vervaardigd nogal schaars en duur, maar wordt een goedkope bulk-supergeleider ontdekt die boven het kookpunt van waterstof nog blijft werken, dan is dit probleem opgelost.
