Wetenschap – Pagina 5

CO2 op de maan erg waarschijnlijk: NASA

Laat een reactie achter / Wetenschap, Zonnestelsel / Door Germen Roding / 20 november 2021 20 november 2021

Hier op aarde hebben we de nodige problemen doet veel kooldioxide, maar CO2 op de maan is meer dan welkom. Kooldioxide is namelijk niet alleen lastig maar het is ook erg nuttig. Vandaar dat mensen die dromen van een toekomst voor de mensheid op de maan erg blij zijn met deze nieuwe ontdekking van NASA. Het blijkt namelijk dat op plekken waar het zonlicht nooit komt er grote voorraden kooldioxide liggen. De maan heeft geen atmosfeer zoals de aarde. Dat betekent dat als de zon een bepaalde plek op het maanoppervlak niet kan bereiken, deze altijd extreem koud blijft. Dat is de reden dat er in de Shackleton krater op de zuidpool van de maan enorm veel ijs ligt. Daar komt de zon namelijk nooit, waardoor het ijs daar ongestoord kon blijven liggen.

Een dergelijke plaats wordt een koudeval oftewel cold trap genoemd. Het is een soort diep gaat of spleet in de korst van de maan, waar het zonlicht nooit komt. Er waar vluchtige stoffen zoals water of kooldioxide veilig zijn voor het genadeloze zonlicht overdag. Dan bereiken de temperaturen op de oppervlakte van de maan meer dan 100 graden.

Koudevallen bevatten CO2 op de maan

Ook deze koude vallen bevinden zich in de buurt van de zuidpool van de maan. De temperaturen daar zijn zelfs lager dan die op de koudste plaatsen op Pluto. Dus zelfs als we op de maan hoogzomer is, blijven deze plaatsen stijf bevroren omdat ze al hun warmte uitstralen in de gapende diepte van het heelal.

Dat komt omdat er geregeld meteorieten en asteroïden inslaan op de maan die vaak kooldioxide bevatten. Een belangrijk deel van deze kooldioxide komt dan op deze extreem koude plekken terecht. Ook vonden er op de maan heel af en toe vulkanische uitbarstingen plaats, de laatste zelfs slechts enkele tientallen miljoenen jaren geleden. Volgens berekeningen van de onderzoekers komen er in extreme gevallen zelfs tot 100 kg kooldioxide per vierkante meter per miljard jaar neer als kooldioxide-ijs.

Het zuidpoolgebied van de maan, vanaf 80 graden ZB. Op de blauwe plekken – kan – veel CO2 zitten. Bron: Norbert Schorghofer et al.

Om deze extreem koude plekken te vinden hebben de onderzoekers elfjarige waarnemingen verzameld en geanalyseerd van een infraroodcamera aan boord van de satelliet Lunar Reconaissance orbiter. In de buurt van de Amundsen krater blijken de temperaturen dermate laag te zijn dat zich hier waarschijnlijk kooldioxide bevindt.

Het gaat om kleine plekjes in de kraters Amundsen, Haworth en De Gerlache. De grootste koude trap bevindt zich in de Amundsen krater en is ongeveer 100 km² groot. Dit is iets minder dan de helft van een kleine driehonderd vierkante kilometer koudevallen. Het is dus niet helemaal zeker dat zich daarop echt kooldioxide bevindt, maar de kans daarop is wel heel erg groot.

Ook kleine hoeveelheid CO2 op de maan erg waardevol

Niet een heel overvloedige hulpbron dus, zelfs als de meest optimistische schatting uitkomt. Maar op de levenloze maan zijn zelfs kleine hoeveelheden kooldioxide zeer waardevol omdat je die voor verschillende toepassingen kan gebruiken. Bijvoorbeeld in kassen en andere biologische toepassingen, maar je kan het ook gebruiken om staal mee te maken.

Kortom, dankzij deze ontdekking is de kans een stuk groter geworden dat er levensvatbare koloniën op de maan kunnen worden gesticht. En dat betekent weer een mandje extra waarbij de eieren van de mensheid in kunnen leggen.

Bron

Norbert Schorghofer, Jean-Pierre Williams, Jose Martinez-Camacho, David A. Paige, Matthew A. Siegler, Carbon dioxide cold traps on the moon, Geophysical Research Letters, 2021, https://doi.org/10.1029/2021GL095533

Geen armoede na invoeren van energieconstante!

30 reacties / Economie, Filosofie, Ideeën, Wetenschap / Door Roelof / 17 november 2021 17 november 2021

Energie is de valuta van de natuur. Dus een op zonne-energie gebaseerde valuta ligt voor de hand. Bron: Micha Jost/Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0

Het kapitalisme is gebaseerd op geld dat eigenlijk geen waarde heeft. Dit betekent dat al ons geld eigenlijk waardeloos papier is. Wie kijkt op een bankbiljet, zal zien dat er geen enkele verwijzing naar waarde opstaat. De waarde van geld wordt puur bepaald door de hoeveelheid die er van in de omloop is. Met behulp van dit mechanisme bepaalt de Europese Centrale Bank (ECB), wat jouw inkomen is en jouw koopkracht.

Problemen

Dit economische systeem zorgt voor veel problemen. Ze heeft als nadeel dat prestaties niet worden beloond naar dat ze werkelijk waard zijn. Een bouwvakker verdient veel minder dan een autoverkoper, terwijl het beroep bouwvakker veel meer lichamelijke inspanning vergt dan het beroep verkoper. Daarbij komt nog kijken dat als de autoverkoper meer tevreden klanten gemaakt heeft deze nog een extra bonus krijgt bovenop zijn al goede salaris omdat hij zijn baas hier erg blij mee maakt. Als de bouwvakker zijn baas blij maakt door ipv. in 2 uur een muurtje te metselen dit in 1 uur te doen dan zal hij hooguit een tientje extra krijgen, maar hij zal hierom niet gouw 2 keer zoveel gaan verdienen. De onderste laag van een kapitalistische maatschappij zijn de mensen die het minst verdienen, maar wel de meeste arbeid (W) per euro/dollar verichten.

Natuurkunde

Iemand met enig verstand van natuurkunde zal hieruit moeten concluderen dat iets hier niet klopt! Hij concludeert dat het geld zoals we het nu kennen niet gerelateerd is aan energie. Dit aan de hand van een paar formules om de energetische waarde van een gebeurtenis uit te rekenen.

Deze luidt: W= F x S (Arbeid is kracht keer afstand).

in dit geval moet de factor, tijd (T) ook worden meegerekend:

W= F x S /T (T in kwadraat) (arbeid= kracht keer afstand gedeeld door tijd in het kwadraat.

Daarnaast nog de formule voor de bewegingsenergie, Alhoewel deze formule geldt voor een beweging met een bepaalde versnelling, staat deze dus gelijk aan de werkdruk in een bedrijf.

E bew= 1/2 x M x V (V in het kwadraat rekenen) (energie is 1/2 van de massa keer versnelling in het kwadraat. De uitkomsten van de formules worden opgeschreven in de eenheid van energie, de joule.

Bij de laatste 2 formules komt er dus een afwijking in de benodigde energie voor een prestatie. Zodra de werkdruk 2x zo hoog wordt kost dit dus 4x meer energie. Hierbij kan het huidige geld dus geen SI-eenheid zijn.

Economie op basis van energie.

Als we de waarde van ons geld relateren aan energie/arbeid dan zal het verschil in rijk en arm snel kleiner worden. De rijkdom van ons zal dan worden beslist door de hoeveelheid energie die voor handen is. Dit zal er dus voor zorgen dat niet slechts enkelen rijker worden en de meesten armer, maar juist zorgen dat we met zijn alle rijker worden. De ene misschien iets meer dan de ander alhoewel en dat is ook niet verkeerd zolang iedereen een beter welzijn heeft. Het zal de maatschappij stimuleren en motiveren duurzamere en betere energie bronnen te gaan benutten. We zullen dan met zijn alle van de Aarde en het zonnestelsel een optimale plek maken voor de mens maatschappij en natuur.

Het molecuul. Wit is waterstof, geel is fluor en zwart koolstof. De atoomkernen van deze drie atomen vormen magneetjes.

Universum onthoudt alles

6 reacties / Filosofie, Universum, Wetenschap / Door Germen Roding / 16 november 2021 16 november 2021

In ons dagelijks leven kan informatie worden gecreëerd, worden gekopieerd en worden vernietigd. Op kwantumschaal is dat niet zo, het universum onthoudt alles. Zo verbiedt het ‘no cloning theorem’ dat kwantumtoestanden (wat je als kwantuminformatie kan zien) van één kwantumdeeltje naar een ander kwantumdeeltje wordt gekopieerd zonder dat de kwantumtoestand van het eerste deeltje verdwijnt. Een experiment bevestigde dat ook het vernietigen van informatie is op kwantumniveau onmogelijk. Wat je ook doet, er blijven altijd sporen van achter…

Kopiëren en vernietigen bestaat niet in de kwantumwereld, universum onthoudt alles

Er zijn twee fundamentele stellingen in de kwantummechanica: naast het ‘no cloning theorem’ ook het ‘no deleting theorem’: een kwantumtoestand kan niet worden vernietigd. Hij kan slechts overgedragen worden aan een ander kwantumdeeltje (of groep deeltjes). De bekende onzekerheidsrelatie van Heisenberg, bijvoorbeeld: de onzekerheid in energie maal de onzekerheid in tijd is groter dan de constante van Planck, zegt niets over de onzekerheid van kwantumtoestanden. Hij zegt slechts iets over de onzekerheid van de koppeling van onze klassieke wereld aan de kwantumwereld. Kwantumtoestanden onderling, in wisselwerking met elkaar, zijn volledig deterministisch.

Ook verstoppen kan niet meer

Aan dat rijtje fundamentele stellingen kan nu definitief een derde stelling worden toegevoegd: het ‘no-hiding theorem’.

universum onthoudt alles — Papierversnipperaars, al dan niet hamster-powered zoals deze van een Engelse student, bestaan niet in de kwantumwereld.

Theoretisch natuurkundigen Samuel L. Braunstein en Arun K. Pati bewezen deze al in 2007. Volgens het ‘no hiding theorem’ kan een kwantumtoestand zich niet verstoppen in de interacties tussen een kwantumsysteem en de rest van de wereld. De kwantumtoestand moet zich of in het kwantumsysteem, of in de rest van de wereld bevinden. Er is domweg geen andere mogelijkheid. Met uitzondering van de twijfelachtige snaartheorie is het in de natuurkunde een goede traditie dat een theoretische bewering slechts zoveel waard is als door middel van experimenten kan worden ondersteund, althans: pogingen tot falsificatie kan overleven.

Arun Pati en twee collega’s, de ondertussen overleden Jharana Rani Samal die op haar zevenentwintigste verjaardag overleed en alle experimentele werkzaamheden verrichte, en Anul Kumar van het Indian Unstitute of Technology in Bangalore, hebben nu door middel van een experiment aangetoond dat een voorspelling, gedaan met behulp van het ‘no-hiding theorem’, klopt.

Hoe werkte het experiment?

De experimentatoren maakten gebruik van moleculen monofluordibroommethaan.

Een koolstofatoom, isotoop C-13 (dus een oneven aantal kerndeeltjes, waardoor de kern in een magneetje verandert) dus waaraan één fluoratoom (ook fluor-19 kent een oneven aantal kerndeeltjes, net als waterstof met zijn ene proton) en twee broomatomen (met een even aantal kerndeeltjes (80), dus niet magnetisch) hangen.

Met die drie atoomkernmagneetjes vormt dit molecuul, overigens berucht wegens de effecten op de ozonlaag, een minuscule kwantumcomputer met drie zogeheten qubits (de magnetische atoomkernen). Elke atoomkern kan de ene kant of de andere kant om “draaien”, de spin. Magneetjes die tegen elkaar in gericht staan (zoals gebeurt als niet alle drie atoomkernen dezelfde spin hebben) stoten elkaar af. Dit is energetisch ongunstiger en dat effect kan je meten in een NMR, waarin een extreem sterk magneetveld is aangebracht, de reden dat je geen metalen voorwerpen bij je moet hebben in een ruimte waarin een NMR staat.

In dit molecuul staat het waterstofatoom tegenover het fluoratoom, het koolstofatoom bevindt zich in het midden. Bij de meting werd eerst de koolstofkern in een bepaalde kwantumtoestand gebracht. Vervolgens werd deze toestand gewist, door het monster met moleculen bloot te stellen aan een volstrekt toevallige reeks van magnetische pulsen. Daarna werden de kwantumtoestanden van de drie atoomkernen in de moleculen weer gemeten. Het bleek dat de kwantumtoestand van de koolstofkern zich “verplaatst” had naar de twee naburige atoomkernen, maar niet verdwenen was, precies zoals voorspeld door het no-hiding theorema.

Informatie leeft eeuwig, universum onthoudt alles

Het universum onthoudt dus alles en informatie gaat nooit verloren. Ook als je in een zwart gat valt en vele noniljarden jaren stukje bij beetje uitgebraakt wordt als Hawkingstraling, kan iemand die alle kwantumtoestanden registreert, hier in principe al je informatie weer in terugvinden. Hiermee is de informatieparadox van het zwarte gat opgelost. Het no-deleting theorema en het no-hiding theorema samen zeggen dat er alleen voortdurende overgangen zijn maar dat er niets is wat er niet was en niets zal zijn wat er niet op dit moment is. Zouden de kwantumtoestanden van ons lichaam en onze hersenen ook worden overgedragen op dingen om ons heen? De kwantummechanica beantwoordt deze vraag nu bevestigend: er blijft altijd iets van ons bestaan. In hoeverre het betekenis heeft, is dan wel de vraag…

Bronnen
Physorg
Arxiv

Microbe kan op Jupitermaan Europa overleven

7 reacties / Wetenschap, Zonnestelsel / Door Germen Roding / 16 november 2021 16 november 2021

Absoluut vacuüm. Daarbij gevoegd temperaturen ver onder nul en een onbarmhartig stralingsbombardement. Dit zijn, in het kort, de leefomstandigheden op de Jupitermaan Europa. Biologen zijn er nu toch in geslaagd bacteriën te vinden die het onder deze barre omstandigheden uithouden. Is dat de verklaring voor de merkwaardige rode kleuren op Europa?

In een eerder artikel schreven we al dat brokstukken van een inslag van een asteroïde op de aarde waarschijnlijker op Jupiter terecht komen dan op Mars, tenminste in sommige scenario’s. Het is dus mogelijk dat het leven vanaf de aarde is verspreid naar bijvoorbeeld de Jupitermaan Europa. Astronomen geloven dat Europa een grote zoutwateroceaan onder de oppervlakte heeft. Dit is uiteraard alleen mogelijk als aardse microben de lange reis door de vijandige ruimte kunnen overleven. Astrobiologen hebben op deze manier al de manier vastgesteld waarop veel organismen in ruimte-achtige omstandigheden overleven. Hierbij hebben ze bacteriën onderzocht, virussen, schimmels en zelfs DNA. Sommige bacteriën overleefden zelfs de reis naar de maan en terug.

Hierbij is echter één belangrijk domein van het leven verwaarloosd: archaeae. Deze bacterieachtige organismen doen het vooral goed in extreme omstandigheden op aarde. Aan deze verwaarlozing is nu een einde gekomen. Ximena Abrevaya van de universiteit van Buenos Aires en enkele collega’s brengen daar verandering in. Ze creëerden een vacuüm zoals dat ook op het oppervlak van Europa bestaat. Ze plaatsten hier drie soorten eencelligen in: de in zout levende archae Natrialba magadii en Haloferax volcanii en de stralingsresistente bacterie Deinococcus radiodurans. Om de behandeling compleet te maken ontvingen de bacterie en archaeae een behandeling met ultraviolette straling. Haloferax volcanii legde het loodje, maar kleine aantallen Natrialba en Deinococcus overleefden. Tot nu toe werd gedacht dat alleen D. radiodurans het stralingsbad kon overleven, maar naar nu blijkt, geldt dat dus ook voor de archaea Natrialba magadii, afkomstig uit het zoutmeer Magadi in Kenia. Archeae zijn interessant omdat ze meer verwant zijn met eukaryoten (waaronder wij en alle andere dieren en hogere planten) dan bacteriën.

De experimenten duurden echter slechts drie uur. Reizen door de ruimte van meteorieten duren veel langer: duizenden jaren. Het is de vraag of je deze resultaten straffeloos kan extrapoleren naar eerdere asteroïdeinslagen. Wel vestigt dit de aandacht op een ander probleem. Misschien hebben wij andere hemellichamen, zoals Mars, al besmet met taaie rakkers als Deinococcus. Zouden mensen de manier zijn waarop Gaia zich voortplant?

Bron:
Ximena Abrevaya et al., Comparative Suvival Analysis Of Deinococcus Radiodurans and The Haloarchaea Natrialba Magadii And Haloferax volcanii, Exposed To Vacuum Ultraviolet Irradiation, Arxiv.org (2011)

De vampierbacterie (geel) valt een Pseudomonas-cel aan. Bron: UNJ

Vampierbacterie als antibioticum

Laat een reactie achter / Mensheid, Wetenschap / Door Germen Roding / 15 november 2021 15 november 2021

Met de ene na de andere bacterie waartegen geen enkel antibioticum meer helpt, zijn onderzoekers koortsachtig op zoek naar een alternatief. Bioloog Martin Wu en zijn student Zhang Weng zijn een vampierbacterie op het spoor gekomen, die enkele gevaarlijke soorten ziekteverwekkende bacteriën leegzuigt.

Resistentie tegen antibiotica snelgroeiend probleem

Het wijdverspreide misbruik van antibiotica in de veeteelt en ook menselijke geneeskunde heeft er toe geleid dat resistentie hand over hand toeneemt. Het gevolg er zijn nu veel hogere concentraties antibioticum nodig dan vroeger, we moeten overstappen op gevaarlijke antibiotica met zeer vervelende bijwerkingen of er helpt zelfs geen een antibioticum meer. Geen wonder dat nu ook alternatieve therapieën steeds populairder worden. In Rusland werd veel onderzoek gedaan naar faagtherapie. Fagen zijn virusdeeltjes die bacteriën aanvallen. Biologen willen nu een andere natuurlijke vijand tegen ziekteverwekkers inzetten: de vampierbacterie Micavibrio aeruginosavorus.

Vampierbacterie in kaart gebracht

Deze bacterie werd al rond 1980 ontdekt in afvalwater, maar bleek uiterst lastig te kweken of te onderzoeken met traditionele microbiologische technieken. Twee biologen, verbonden aan de University of Virginia’s College of Arts & Sciences, Martin Wu en aio Zhang Wang, hebben het DNA van de bacterie ontcijferd en zijn nu aan het onderzoeken hoe de eencellige leeft.Ze hebben al een aantal nieuwe dingen ontdekt.

De bacterie gaat op zoek naar een prooi – bepaalde andere bacteriën – hecht zichzelf aan de dikke celwand en zuigt voedingsstoffen uit het slachtoffer. Dit doodt de prooi, wat de vampierbacterie een zeer interessant wapen tegen ziekteverwekkers maakt.

Verdedigende slijmlaag baat Pseudomonas niet meer

Een van de bacteriën waar het organisme op jaagt is Pseudomonas aeruginosa, de voornaamste oorzaak van zware longontstekingen bij patiënten met de erfelijke taaislijmziekte. Deze bacterie vormt koloniën die beschermd zijn door een slijmlaag die antibiotica tegenhoudt. Micavibrio wurmt zich zonder problemen door de slijmlaag en neemt de dicht opeengepakte Pseudomonas-cellen te grazen. Wu en Weng zijn vooral geïnteresseerd in de technieken die de bacteriën gebruiken om hun prooi op te sporen en aan te vallen. Ze maken hierbij dankbaar gebruik van de nieuwste technieken.

Precisieaanval laat nuttige bacteriën ongemoeid

Wu wijst er op dat traditionele antibiotica, die werken door de celdeling lam te leggen of het bouwen van een celwand blokkeren, zogeheten ‘superbugs’ laten ontstaan die resistent zijn tegen deze behandeling. Hij denkt dat we nieuwe geneesmiddelen moeten vinden die voorkomen dat zich resistentie ontwikkelt. M. aeruginosavorus is zo kieskeurig, dat de duizenden soorten onschadelijke bacteriën in de natuur en in ons lichaam, met rust worden gelaten. Wu ziet dan ook grote mogelijkheden om de bestaande antibiotica aan te vullen met dit biologische antibioticum dat alleen één soort bacterie aanvalt en de rest ongemoeid laat.

Reiniging afvoerpijpen en implantaten

Bacteriën vormen ook in andere omgevingen dan ons lichaam biofilms. Meestal zijn deze nuttig, denk aan waterzuivering en dergelijke, maar soms zeer ongewenst. In afvoerpijpen en op het oppervlak van implantaten, bijvoorbeeld. Ook hiertegen kan de vampierbacterie ingezet worden.

Genetische manipulatie van de vampierbacterie

Wu denkt dat er meer onderzoek nodig is naar het exacte mechanisme waarmee de bacterie prooi zoekt en aanvalt. Door dit mechanisme genetisch te tweaken zou de bacterie ook op andere gevaarlijke soorten bacteriën kunnen worden losgelaten. Hun collega en medepublicist Daniel Kadouri was eerder betrokken bij onderzoek naar vampierbacteriën[2].

Meer informatie:
1. Martin Wu et al., Genomic insights into an obligate epibiotic bacterial predator: Micavibrio aeruginosavorus ARL-13, BioMedCentral Genomics (2011; gratis volledig leesbaar)
2. Fighting fire with fire and bacteria with bacteria, Daniel Kadouri, Universiteit van New Jersey (2007)

Hondenbrokkentaks is beter dan vleestaks

Laat een reactie achter / Analyses, Ideeën, Nederland, Wetenschap / Door Germen Roding / 14 november 2021 13 november 2021

Veeteelt is verantwoordelijk voor veel stikstofuitstoot. Daarom gaan er steeds meer stemmen op om een vleestaks in te voeren. Maar opmerkelijk genoeg blijft één stikstofbron buiten beschouwing. Tijd voor een hondenbrokkentaks.

We houden in Nederland veel huisdieren. De meest voorkomende, en ook de meest milieuvervuilende huisdieren zijn honden, 1,7 miljoen, en katten, 2,9 miljoen. Ook de 450 000 (vegetarische) paarden betekenen een enorme bron van milieuvervuiling, dit door hun grootte.

Hond vormt enorme stikstofbron

De twee grote honden van “milieu-commissaris” Frans Timmermans stoten evenveel stikstof uit als een gemiddelde Nederlander. Bron: Frans Timmermans, Facebook pagina

Elke hond produceert gemiddeld 110 kg uitwerpselen en 255 l urine per jaar, die in de vorm van hondenpoep voornamelijk in het milieu terechtkomen. Dat komt neer op 5,26 kg stikstofbelasting per jaar. [1] Als een hondenliefhebber elke dag met zijn hond een rondje door het natuurgebied maakt, betekent dat dus per hond een enorme stikstofbelasting voor dit kwetsbare natuurgebied. .
Per Nederlander stoten we ongeveer 10 kg stikstof uit, en dat is inclusief de landbouw. Dus een hond is disproportioneel belastend voor het milieu.

Een groot deel van het vlees komt in hondenbrokken terecht, dus dit betekent nog extra uitstoot. Immers niet alle biomassa die dieren produceren is eetbaar en koeien en varkens produceren natuurlijk ook uitwerpselen en urine. Hondenbrokken bestaan voor 50-70% uit vlees. Tot overmaat van ramp voerden veel hondenbezitters tegenwoordig vers vlees, zoals biefstuk aan hun dieren. Dus we kunnen als mensen wel minder vlees gaan eten, maar als de 1,7 miljoen overvoerde honden in Nederland volop hondenbrokken naar binnen schrokken, rond de 300 miljoen kg vers vlees per jaar schiet dat natuurlijk weinig op. Ter vergelijking, wij Nederlanders eten zelf 75,9 kg vlees per persoon per jaar. En daar wordt schande van gesproken door progressief Nederland.

Hondenbrokkentaks, rechtvaardig en effectief

Bosintang, Koreaanse soep van hondenvlees, is in veel opzichten de meest ecologische maaltijd.

Daarom denk ik dat het effectiever is om in plaats van een vleestaks een hondenbrokken taks in te voeren. De milieubelasting van een hond is proportioneel aan hoeveel hondenbrokken deze eet. Dus is het logisch en rechtvaardig om een belasting op hondenbrokken in te voeren net zoals er een belasting op gas en elektra is per eenheid.

Dit zal een aantal fijne gevolgen hebben. Wil je een hond, dan is het interessanter om een dwergras aan te schaffen. Immers een kleine hond eet veel minder dan een grote hond. En is daarmee ook veel minder milieubelastend dan de grote hond. Zo kunnen we met gemak voldoen aan de stikstofnorm.

Ook katten vormen groot probleem

Dezelfde regels moeten ook voor katten gelden. Katten zijn in feite in veel opzichten een nog groter probleem. Katten lopen los en vangen gemiddeld 20 vogels per jaar. Ook kattenbrokken bevatten veel vlees. Zelfs bijna geheel vlees omdat katten obligate carnivoren zijn. Daarom kunnen we beter wat minder huisdieren houden en als er dan toch een huisdier houden kiezen voor een konijn of een ander klein vegetarisch dier.

J,G, de Molenaar en D.A. Jonkers, De invloed van stikstof in de ontlasting van honden op de vegetatie in voedselarme bos- en natuurterreinen, Instituut voor Bos- en Natuuronderzoek Wageningen, 1993

Galactisch GPS systeem ontdekt

6 reacties / Techniek, Universum, Zonnestelsel / Door Germen Roding / 13 november 2021 14 november 2021

Overal in het bekende deel van de Melkweg kunnen ruimtevaarders in principe hun positie bepalen tot op vijf kilometer precies. Pulsars, de resten van uitgebrande sterren, blijken een onvermoede kwaliteit te hebben als gids.

Pulsars

Onderzoekers van het Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik in het Duitse Garching hebben een methode ontwikkeld om de positie in de ruimte zeer precies te bepalen, waarbij gebruik wordt gemaakt van röntgenstraling van pulsars.

Deze dichte overblijfselen van geëxplodeerde sterren draaien extreem snel, waardoor hun straling als relatief smalle bundel over het heelal wordt verspreid. Pulsars draaien zo stipt dat ze atoomklokken evenaren.

Vijf kilometer nauwkeurig

Kortom: uitstekend te gebruiken als interstellair GPS systeem, aldus het team. Als een ruimtevaartuig de middelen aan boord heeft om de pulsen te detecteren, kan deze hun aankomsttijd vergelijken met de tijd die voorspeld is op de referentielokatie. Dit zou het ruimtevaartuig in staat stellen overal in de Melkweg waar de pulsars bekend zijn, het grootste deel, de positie tot op vijf kilometer nauwkeurig te bepalen. Als we ooit iets als hyperdrive uitvinden, zou de positie na de sprong exact bekend zijn.

Een toekomstig interstellair ruimteschip (Stanford Torus model) op weg door het Melkwegstelsel. bron: Heineken11, Wikimedia Commons

Ter vergelijking: bereikten we relatief dezelfde nauwkeurigheid met het huidige GPS systeem, dan zouden we op aarde tot ongeveer een atoomdikte nauwkeurig kunnen navigeren. Wel moeten ingenieurs dan röntgentelescopen flink verkleinen, tot minder dan een honderdste van de tegenwoordige grootte.

Bemande missie naar Mars

Prof. Werner Becker van het Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik is ervan overtuigd dat zijn navigatiesysteem erg handig is missies naar andere planeten en wellicht voor een bemande missie naar Mars. High-performance systemen zijn dan een absolute must, zeker als de mensheid zich op een dag op zal maken voor een reis naar een andere ster.

Bron:
Dead stars to guide spacecrafts, BBC, 2012
How interstellar beacons could help future spacecraft find their way across the universe, MPE News, 2012

Cyanobacteriën floreren op licht rode dwerg

4 reacties / Wetenschap / Door Germen Roding / 10 november 2021 7 november 2021

Naar blijkt, kunnen bepaalde soorten cyanobacteriën het licht van een rode dwergster gebruiken als voeding. Dat licht bestaat voornamelijk uit infrarode straling. Opmerkelijk want de planten die wij hier op aarde kennen kunnen dat niet. Wat betekent dit voor de oorsprong van het leven op aarde en de evolutionaire geschiedenis van het leven?

Ongeveer 80% van alle sterren is een rode dwergster. Rode dwergsterren zijn veel lichter dan de zon, maar hun bewoonbare zone is veel kleiner dan die rond onze zon. Om een indruk te geven: de bewoonbare zone rond onze zonlicht iets binnen de baan van de aarde tot ongeveer de baan van Mars. Dat is dus iets van 130 miljoen km afstand tot 250 miljoen km van de zon, de aarde bevindt zich op 150 miljoen km afstand. Bij rode dwergsterren is de zone waarbinnen vloeibaar water voorkomt veel kleiner. Denk dan aan afstanden tot de ster tussen de twee en 20 miljoen km. Dat komt omdat deze sterren veel minder licht afgeven, waardoor een planeet om warm te blijven veel dichter bij de ster moet blijven.

Artist impression van een “tidally locked” aardachtige planeet rond een rode dwerg. Geïnspireerd op Aurelia (NGC)

Toch hebben rode dwergsterren twee voordelen ten opzichte van sterren zoals onze zon. Het zijn er veel meer, en ze leven ook veel langer. Onze zon wordt over 1 miljard jaar zo heet dat het leven op aarde niet meer kan voortbestaan. Over 5 miljard jaar wordt de zon een rode reus, die mogelijk de aarde op zal slokken. Een rode dwerg, daarentegen, wordt veel ouder, denk dan aan 100-1000 miljard jaar. Vele malen langer dan de zon, dus.

Dat geeft natuurlijk veel tijd waarin het leven zich kan ontwikkelen. Dat is de reden waarom onderzoekers naar buitenaards leven toch erg geïnteresseerd zijn in rode dwergen. Zou het mogelijk zijn dat leven zich ontwikkelt op een planeet met vloeibaar water rond een rode dwerg? Er is maar één manier om daar achter te komen, en dat is te experimenteren met aards leven. Zou aards leven het vol kunnen houden op een planeet, die rond een rode dwerg draait?

Een tweede probleem voor het leven zoals wij dat kennen op een planeet rond een rode dwergster is dat het licht veel roder, en dus veel minder energierijk is dan het licht van de zon. Bij de zon is het meeste licht blauwgroen. Wij zien de zon als geel doordat onze ogen daar gevoeliger voor zijn. Bij een rode dwerg ligt de piek van het spectrum rond de 1000 nm, dat is infrarood. Planten kunnen hier weinig mee, waardoor aardse planten op een rode dwergwereld niet zouden kunnen overleven. Maar naar blijkt, kunnen dus bepaalde cyanobacteriën dat wel.

Hoe komt het dat cyanobacteriën het zo goed kunnen doen op dit infrarode licht?

Wetenschappers doen niet vaak aan speculatie, behalve als ze sciencefiction boeken schrijven. Maar als visionaire site kunnen wij op visionair.nl natuurlijk wel naar hartenlust speculeren. Er zijn twee verklaringen waarom deze cyanobacteriën, die tot de oudste bacteriën op aarde behoren, in staat zijn om uit infrarode licht energie te halen. Die eerste verklaring is dat ergens op aarde omstandigheden heersten, of heersen, wat dit evolutionair voordeel opleverde. Mogelijk was er een dicht wolkendek, evolueerde deze vaardigheid omdat de cyanobacteriën op die manier het restlicht konden benutten, dat andere cyanobacteriën en algen lieten liggen, of was de aarde vroeger vulkanisch veel actiever waardoor de infraroodstraling van het hete magma een bruikbare energiebron vormde.

Komt het leven op aarde van een planeet rond een rode dwergster?

Een meer spectaculaire verklaring is dat het leven op aarde afkomstig is van een planeet rond een rode dwergster. Panspermie, dus. Deze verklaring is minder buitenissig dan het lijkt. Het gebeurt, hebben we nu ontdekt, geregeld, zeg maar: om de paar jaar, dat het zonnestelsel bezoek krijgt van een komeet of asteroïde afkomstig van elders uit de Melkweg. Dat geldt natuurlijk ook voor talloze kleinere fragmenten, die bijvoorbeeld door een heftige botsing of inslag door een asteroïde op een planeet met leven verspreid zijn geraakt door de Melkweg, en zoveel snelheid hebben gekregen door de inslag dat ze konden ontsnappen aan het zwaartekrachtsveld van de rode dwerg. Het zwaartekrachtsveld van de rode dwerg is veel zwakker dan dat van de zon, waardoor rode dwergen als uitzaaiers van leven veel actiever zijn dan de zon.

R. Claudio et al., Super-Earths, M Dwarfs, and Photosynthetic Organisms: Habitability in the Lab, ArXiv pre-print server (later gepubliceerd in Life, 2021)

Programmeerbare materie

Laat een reactie achter / Ideeën en techniek, Wetenschap / Door Germen Roding / 9 november 2021 9 november 2021

Je kan computers al letters en beelden laten zien aan de hand van opdrachten. Maar waarom zou je niet iets van vorm kunnen laten veranderen met een programma? Programmeerbare materie belooft juist dit te bieden.

Wat is programmeerbare materie?
In principe kan je materie op verschillende manieren configurabel maken, afhankelijk van de schaal. Je kan op atoomniveau, moleculair niveau (metamaterialen) en door middel van nanorobotjes voorwerpen van vorm en eigenschappen laten veranderen.

Atoomniveau
Atomen bestaan uit een positief geladen atoomkern met nucleonen en precies genoeg negatief geladen elektronen om de totale elektrische lading nul te maken.

quantum corral — Een Stonehenge van atomen vormt een concentrisch patroon van elektron-waarschijnlijkheidsgolven. The Well (Quantum Corral) (2009) by Julian Voss-Andreae, CC-BY-SA 3.0

De chemische eigenschappen van atomen worden bepaald door het aantal elektronen. Ben je in staat het aantal elektronen van een atoom te veranderen (door de positieve kern meer of juist minder lading te geven), dan verander je hiermee dus de chemische eigenschappen: stikstof wordt zuurstof en dergelijke.

Op commando het aantal (positief geladen) protonen in de kern aanpassen van een individueel atoom is nog niet mogelijk (atoombommen lenen zich niet echt voor consumententoepassingen), maar wel kunnen enorme kunstmatige atomen worden geconstrueerd: holtes, enkele tientallen tot honderden atomen groot met hierbinnen elektronen: quantum dots. Quantum dots worden nu al gebruikt voor nanolasers en bepaalde optische effecten: het aantal elektronen in een quantum dot en de energie waarmee ze zijn gebonden bepaalt namelijk de kleur. Sommige onderzoekers zijn er in geslaagd zwakke bindingen tussen quantum dots tot stand te brengen.

Mocht het ooit lukken om kleinere programmeerbare atomen te bouwen en lukt het om hiermee chemische bindingen met ‘echte’ atomen en moleculen tot stand te brengen, dan beschik je uiteraard over een zeer interessante programmeerbare katalysator. Je kan dan letterlijk moleculen stap voor stap bouwen, in plaats van zoals nu gebeurt, astronomische hoeveelheden uitgangsmoleculen bij elkaar te gooien, met elkaar te laten reageren en dan met veel kunst en vliegwerk het gewenste eindproduct uit de massa zeven.

Nu peperdure medicijnen zoals menselijke hormonen zouden dan ook voor armere mensen betaalbaar worden (al blijven uiteraard de onderzoekskosten, bijwerkingen en werkzaamheid van niet-menselijke stoffen hoog).

Moleculair niveau en metamaterialen

De eigenschappen van materialen zijn te veranderen, niet alleen door de verhouding waarin atomen onderling voorkomen te veranderen en de moleculaire bindingen van atomen te veranderen, maar ook door de ruimtelijke ordening van atomen en moleculen in het materiaal te manipuleren. De natuur was ons hier al voor: de lotus heeft bijvoorbeeld een waterafstotende oppervlakte. Niet door vetten, maar door nanostructuurtjes die lijken op stekels: het lotuseffect. Dit effect dat milieuvervuilende oppervlaktecoatings vervangt wordt op dit moment al uitgebuit door sommige fabrikanten.

Sommige vlinders, zoals morpho’s, en andere insekten hebben vleugels met een metaalachtige (of parelmoerachtige) glans. Niet door metaaldeeltjes in de vleugels, maar door het iriserende effect van laagjes die licht reflecteren en, afhankelijk van de golflengte, uitdoven of juist versterken. Ook hier dus geen afwijkende atomen, maar een andere rangschikking van atomen. Deze effecten zijn ook te manipuleren. Zo zijn er geheugenmaterialen die onder invloed van warmte of stroom van vorm veranderen. Microsoft doet hier onderzoek naar voor de volgende generatie beeldschermen die in tafels ingebouwd zullen worden. Sommige dieren, zoals kameleons en octopussen kunnen van kleur veranderen door chromatoforen, cellen met kleurstof, te manipuleren. Dit principe is uiteraard ook toe te passen in programmeerbare metamaterialen, hoewel de mogelijkheden een kleur te genereren door de nanostructuur van een oppervlak te manipuleren veel interessanter is.

Claytronics
Met nanorobotjes kan ook programmeerbare materie worden verwezenlijkt. Deze robotjes, in het claytronics-jargon catoms genaamd, hechten zich als een soort trapezewerkers aan elkaar en kunnen elke denkbare vorm innemen, zoals klei, vandaar de naam van dit concept: claytronics. Het bekendste equivalent uit de natuur zijn trekmieren, die levende tunnels en drijvende bollen kunnen vormen om de rest van de kolonie mee te vervoeren. Je kan ook slijmzwammen, zelfstandig levende eencelligen die zodra de leefomstandigheden ongunstig worden zich aaneensluiten tot een enkel organisme, zo zien. Claytronics op macroschaal is al mogelijk: in 2005 is samenwerking bereikt tussen programmeerbare robotjes van 44 millimeter groot die door middel van elektrische en magnetische invloeden aan elkaar blijven kleven. Onderzoekers van de Amerikaanse Carnegie-Mellon universiteit werken nu aan catoms van een millimeter groot die in enorme aantallen kunnen worden gefabriceerd.

Interplanetaire Snelweg: ruimtereizen zonder energie

4 reacties / Analyses, Wetenschap, Zonnestelsel / Door Germen Roding / 6 november 2021 6 november 2021

Erg snel gaat reizen via het Interplanetair Transport Netwerk niet, maar daar staat dan tegenover, dat er bijna geen energie nodig is om vracht van de ene planeet naar de andere te vervoeren. Is de Interplanetaire Snelweg de oplossing om de duizenden miljarden tonnen metalen in de asteroïdengordel te ontginnen?

Weinig massa, maar wel makkelijk te ontginnen
Erg veel materiaal bevindt zich niet in de asteroïdengordel: ongeveer vier procent van de massa van de Maan. De voornaamste reden dat ruimtemijnbouwbedrijven-in-spé toch likkebaardend naar de asteroïdengordel kijken is dat de metaalconcentratie in bepaalde brokken extreem hoog is en de metalen ook gemakkelijk te bereiken zijn.

Mercurius, bijvoorbeeld, bestaat voor bijna de helft uit massief metaal, maar om bij dit metaal te komen moeten mijnbouwers door duizenden kilometers rots heen boren. Dat hoeft bij asteroïden niet: de meeste zijn kleiner dan een kilometer en zouden dus in hun geheel verwerkt kunnen worden. Ook zijn veel asteroïden losjes samenhangende groepjes stenen, ‘rubble piles’, wat mijnbouw nog veel eenvoudiger zou maken.

Het transportprobleem
Het voornaamste probleem is en blijft de brokken metaal met zo min mogelijk energie richting aarde te vervoeren. Raketten nemen doorgaans maar een paar procent van hun massa aan nuttige lading mee. De rest is raketbrandstof. Dat is niet voor niets: om bijvoorbeeld de aarde te verlaten moet een projectiel een snelheid bereiken van 11,2 km per seconde. Dat geldt ook voor afdalende raketten: in vrije val branden ze op, of slaan ze te pletter. Ook voor ladingen metaal uit de asteroïdengordel is er dit delta-v probleem: de gordel bevindt zich veel verder van de zon dan de aarde, waardoor ze veel meer potentiële zwaartekrachtsenergie dragen. De ladingen moeten daarom met vele kilometers per seconde afgeremd worden, wat enorm veel brandstof kost. Brandstof die ook weer meegesleept moet worden.

Lagrangepunten
Gelukkig is er goed nieuws. Er blijken complexe, steeds wisselende routes tussen de planeten te bestaan die vrijwel zonder brandstof bereisd kunnen worden. Een essentiële rol in deze brandstofbesparende routes spelen de Lagrangepunten. Dit zijn punten waarop de zwaartekracht van de zon en een planeet (of een planeet en haar maan) elkaar opheffen. De brandstofbesparende routes draaien vaak enkele malen rond de Lagrangepunten, voor een ruimtevaartuig een reis naar een andere bestemming maakt.

NASA maakte al gebruik van het interplanetaire transportnetwerk om de ruimtesonde Genesis monsters van de zonnewind terug naar aarde te laten nemen. Hierbij ging het om een reis in het aarde-maan stelsel, maar in principe kunnen ook ruimtereizen naar Mars of verder via het systeem worden gemaakt. De grap hierbij is tussen de Lagrangepunten heen en weer te reizen. Zo is een snelheid van 13 meter per seconde, die van een snelle wedstrijdfietser, al voldoende om van het lunaire Lagrangepunt 1 (waar de zwaartekracht van aarde en maan elkaar opheffen) naar het zon-aarde Lagrangepunt 3 te reizen (het punt achter de aarde waar de snel zwakker wordende zwaartekracht van de aarde die van de zon evenaart). Dit kost vrijwel geen brandstof.

Een vergelijkbare techniek is te gebruiken om naar bijvoorbeeld Mars of Jupiter te reizen. Wel is hier veel meer delta v nodig dan in deze situatie, maar vooral bij reizen naar JUpitermanen

Verspreidde het leven zich via de Interplanetaire Snelweg?
De lage energie waarmee meteorieten door dit netwerk kunnen reizen, betekent dat het ook een plausibele route vormt voor brokstukken aarde met daarop levende lading om heelhuids en passief de reis naar een andere planeet of maan te kunnen maken. Helaas ook voor rampasteroïden. Het scenario gaat dan als volgt. Bij een inslag door een asteroïde worden ontelbare brokstukken de ruimte in geslingerd. Enkele komen in de buurt van de Lagrangepunten terecht en worden via het Interplanetaire Transportnetwerk met relatief lage snelheid naar de Lagrangepunten van andere planeten of manen gevoerd. Zo zouden fragmenten heelhuids in een voor leven gastvrijere omgeving – bijvoorbeeld op Mars of de ijsmanen Europa en Enceladus – terecht kunnen komen.

Bron
Interplanetary Superhighway Makes Space Travel Simpler, NASA/JPL, 2002
Lagrange and the Interplanetary Superhighway, Plus Maths Magazine (2011)