Scheikunde

2D wordt 3D met pen

Een pen als 3D-printer. Kijk hoe een 2D-tekening van een bloem op een steen, na de onderdompeling in een oplossing van kalium-persulfaat verandert in een driedimensionale bloem.

3D-pennen bestaan al langer. Ze vormen een soort hand-3D printer, gevoed met een rol 3D-filament dat gebruikt kan worden om vormen in de lucht mee te tekenen.

Deze techniek werkt anders en wel met twee soorten materiaal. De ene soort, de ‘lijm’ (hier: de zwarte inkt), hecht zich zowel aan de ondergrond als aan de tweede soort. De tweede soort, hier rood, bevat een waterafstotend middel en maakt zich daarom los, als de oplossing zich onder de inkt wurmt.

In de oorspronkelijke vorm was de inkt te slap en verloor het voorwerp zijn vorm. De uitvinders verhielpen dit, door ijzer toe te voegen aan de waterafstotende inkt. Deze reageert met de persulfaationen in de oplossing en vormt een hard laagje aan de buitenkant. Dankzij dit laagje behoudt de bloem zijn vorm.

Collega’s elders in de wereld van de Zuid-Koreaanse uitvinders Sumin Lee en Seo Woo Song noemen de ontdekking een doorbraak. Het wordt nu mogelijk om 3D-voorwerpen per briefpost te versturen. De ontvanger kan deze in een ontwikkel-oplossing leggen en het 3D-voorwerp laten drogen. Ook voor de fabricage van elektronica zien ze veel toepassingen. Als het tenminste lukt om elektronische schakelingen mee te printen.

En voor creatieve kunstenaars natuurlijk.

Dit is nog maar een eenvoudig voorbeeld. In de bron staan veel complexere ontwerpen. Zoals vlinders die met hun vleugels kunnen klappen onder invloed van een magnetisch veld.

Bron

Sumin Lee en Seo Woo Song, Direct 2D-to-3D transformation of pen drawings, Science Advances, 2021

De stikstofuitstoot in Nederland is al enorm gedaald, maar helaas onvoldoende voor de nieuwe strenge EU-norm. Bron: [2] [3]

Stikstofveiling met emissierechten oplossing voor stikstof problematiek

Nederland is een klein, dichtbevolkt land met een uitgebreide veestapel. Dat gaat niet goed samen. Zeker van nature stikstofarme natuurgebieden leggen steeds meer het loodje. Is een stikstofveiling de oplossing?

Waarom is stikstof een probleem?
Een kleine tachtig procent van de aardse atmosfeer bestaat uit stikstofgas (N2). Stikstof is een onmisbaar element voor het leven. We bestaan uit eiwitten en eiwitten uit aminozuren, een stikstofverbinding. Nederland bevat miljoenen stikstofbronnen, variërend van huisdieren tot varkensmesterijen, en natuurlijk u, waarde lezer. Ook autoverkeer en bouwactiviteiten stoten stikstof uit, zij het veel minder dan mensen en -vooral- mesterijen. In de stikstofdiscussie bedoelt men alle stikstofbronnen, anders dan luchtstikstof en in eiwitten gebonden stikstof. Dit zijn vooral ammoniak (NH3) en stikstofoxiden (NO, NO2 en het omstreden lachgas N2O). Ook nitraat (NO3) dat uit bemeste akkers spoelt, is een milieuprobleem.

De stikstofuitstoot in Nederland is al enorm gedaald, maar helaas onvoldoende voor de nieuwe strenge EU-norm. Bron: [2] [3]
De stikstofuitstoot in Nederland is al enorm gedaald, maar helaas onvoldoende voor de nieuwe strenge EU-norm. Bron: [2] [3]
Brute bouwstop door administratief gecreëerd noodgeval
De EU heeft strenge regels afgekondigd voor stikstofemissies. Regels, die in een dunbevolkt land als bijvoorbeeld Frankrijk of Bulgarije makkelijk te handhaven zijn, maar in Nederland erg lastig. Het probleem is niet dat de stikstofuitstoot in Nederland stijgt. Integendeel. Deze is mede dankzij strenge wet- en regelgeving zoals de mineralenboekhouding voor boeren aanzienlijk gedaald [2] [3]. Het probleem is dat mede dankzij het stuitende gebrek aan vooruitzien door het kabinet-Rutte, de uitstoot niet snel genoeg daalde. Het gevolg was dat er een bouwstop werd afgekondigd met een aanzienlijke economische schade – en het voortduren van de huisvestingscrisis.

Stikstofveiling: voor- en nadelen
De vrije markt is er erg goed in om het economische optimum te vinden.  Dat kan een voordeel zijn, althans: als het spelterrein van de vrije markt zo wordt ingeperkt dat er geen externaliteiten optreden. Externaliteiten creëren gebeurt nogal snel. Zo begonnen slimme ondernemers zelf muskusratten te kweken, toen de overheid een premie van tien gulden op elke gedode knager zette. In principe kan de overheid het recht om stikstof uit te stoten verkopen, bijvoorbeeld, via een stikstofveiling. Als een varkensboer er mee stopt, kan hij zijn emissierechten via de veiling verkopen aan een andere boer, aan een bouwondernemer of een natuurorganisatie (die ze vervolgens niet gebruikt). Op een gegeven moment hebben de ondernemers die de meeste euro’s per kilo stikstofuitstoot kunnen verdienen, de emissierechten in handen, waardoor er een economisch optimum is ontstaan. Aldus het schoolboekje economie.

Elk systeem met wetten en regels waarmee geld gemoeid is, heeft te maken met de kans op fraude. Stikstofuitstoot vindt plaats in de vorm van gasvormige verbindingen. Gassen zijn berucht moeilijk te traceren op een enkele bron. Zo kan een boer bijvoorbeeld opgeven dat hij een dure afvanginstallatie heeft geïnstalleerd die hij in werkelijkheid niet heeft, of een veel slechter goedkoper model, waardoor zijn uitstoot veel hoger is dan uit officiële cijfers blijkt. Hier moet dus grondig gecontroleerd worden, het liefst ook met geregelde veldmetingen in de buurt van grote stikstofvervuilers. Per saldo is dit systeem dus uitvoerbaar.

Bronnen
1. Emissieautoriteit: geef handel in stikstofrechten tweede kans, FD, 2019
2. Verzuring en grootschalige luchtverontreiniging: emissies, 1990 – 2017, Centrum voor de Leefomgeving, 2017
3. O. Oenema, Factsheet stikstofbronnen, Wageningen Universiteit, 2019

Werk van Caltech-onderzoekster Frances Arnold bewees dat het mogelijk is om bacteriën silicium te laten gebruiken. En hiermee mede op silicium gebaseerd leven denkbaar is. Bron: Caltech

Is niet-organisch leven mogelijk?

Koolstofverbindingen worden in de chemie organische verbindingen genoemd. Dit is niet voor niets. Koolstof is onmisbaar voor leven. De koolstofchemie is onvoorstelbaar rijk. Er bestaan meer verbindingen met koolstof dan alle bekende verbindingen zonder koolstof. Maar wat als er om welke reden dan ook, op een bepaalde plek geen koolstof is maar wel andere elementen en energie? Of als er zelfs geen chemie zoals we die kennen mogelijk is? Zou zich op die plek leven kunnen vormen? Het antwoord: misschien, al is de kans hierop voorzover we weten niet erg groot. Hieronder een overzicht met de, voornamelijk speculatieve, kennis die we op dit moment hebben opgedaan.

In een doorbraak in 2017 ontdekten onderzoekers iets opmerkelijks. Ze slaagden er in om met behulp van gerichte evolutie een enzym van de bacterie, Rhodothermus marinus, tot een effectieve katalysator om te vormen voor de vorming van verbindingen tussen koolstof en silicium. Een bacterie die in staat is om silicium te verwerken, bewijst dat het in theorie mogelijk is dat er gedeeltelijk op silicium gebaseerde levensvormen bestaan.Zie ook deze video.

Werk van Caltech-onderzoekster Frances Arnold bewees dat het mogelijk is om bacteriën silicium te laten gebruiken. En hiermee mede op silicium gebaseerd leven denkbaar is. Bron: Caltech
Werk van Caltech-onderzoekster Frances Arnold bewees dat het mogelijk is om bacteriën silicium te laten gebruiken. En dat hiermee mede op silicium gebaseerd leven denkbaar is. Bron: Caltech

Op dit moment is er op aarde geen ecologisch voordeel voor dergelijke levensvormen, maar op werelden die veel heter zijn dan de aarde, bijvoorbeeld Venus, zijn op silicium gebaseerde levensvormen mogelijk in het voordeel. Siliconen en andere siliciumverbindingen zijn soms beter tegen hoge temperaturen bestand dan koolstofverbindingen. En silicium is nog maar het begin van de mogelijkheden…

Bron
Frances H. Arnold et al., Directed evolution of cytochrome c for carbon–silicon bond formation: Bringing silicon to life, Science Magazine, 2016 (DOI: 10.1126/science.aah6219 )

 

Isotopenscheiding met kooimoleculen brengt kernfusie dichterbij

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

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

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

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

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

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

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

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

Direct air capture: de CO2 economie gaat nu echt doorbreken

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

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

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

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

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

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

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

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

‘Moleculair zwart gat’ gecreëerd met extreem krachtige röntgenlaser

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

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

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

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

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

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

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

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

Ontdekker John Auwerx met een granaatappel. Micro-organismen produceren het levensverlengende urolithine A.

Granaatappel voorloper levensverlengende stof urolithine A

De stof urolithine A, die door micro-organismen in de darm uit granaatappel wordt gemaakt, vertoont levensverlengende effecten bij twee diersoorten, waaronder muizen. Dit maakt de kans groot, dat een dergelijk effect ook bij mensen optreedt, aldus de onderzoekers.

Levensverlengend effect van urolithine A

Ontdekker Johan Auwerx met een granaatappel. Micro-organismen produceren het levensverlengende urolithine A.
Ontdekker Johan Auwerx met een granaatappel. Micro-organismen produceren het levensverlengende urolithine A.

Urolithine A wordt door micro-organismen gevormd uit stoffen zoals elligatannines en in het bijzonder punicalagines, die in granaatappels voorkomen. De effecten van urolithine A bleken opmerkelijk. De stof verlengde de levensduur van het wormpje Caenorhabditis elegans, wegens zijn korte levensduur massaal in laboratoria gekweekt, met maar liefst 45%. In absolute termen een dag of vier, want C. elegans is al na tien dagen bejaard. Ook in muizen bleek het effect sterk. Laboratoriummuizen worden doorgaans niet ouder dan twee jaar. De groep die met de stof werden behandeld, deden het qua uithoudingsvermogen 42% beter dan de controlegroep.

Hoe werkt de stof?

Auwerx en de zijnen gingen niet over één nacht ijs. Toen ze het levensverlengende effect op C. elegans hadden vastgesteld, probeerden ze het exacte mechanisme te achterhalen door alternatieven uit te sluiten. Zo bleek het niets te maken te hebben met bacteriën in en rond de worm: zelfs bacterievrije samples toonden het effect. In vervolgonderzoek testten ze diverse genetisch gemanipuleerde varianten van de worm. Bij alle varianten trad het levensverlengende effect op, behalve bij de variant met gebrekkige mitochondrieën (kleine celonderdelen die ooit zelfstandig levende bacteriën waren. Deze ‘energiecentrales’ produceren de energiedrager ATP uit ADP en fosfaat met behulp van de energie uit de reactie van zuurstof en glucose). Verder onderzoek bevestigde dit beeld: het levensverlengende effect trad uitsluitend op door het effect op de mitochondrieën.

Ze waren duidelijk iets groots op het spoor en enthousiast gingen ze verder. Uit vervolgonderzoek bleek dat urolithine A gebrekkige mitochondriën opruimt (mitofagie), waarna zich jonge mitochondrieën vormen. Dit mechanisme bleek zich ook in zoogdiercellen voor te doen.
In een vervolgexperiment op muizen bleken de jonge, gezonde mitochondrieën het uithoudingsvermogen van de oudere muizen sterk, met bijna de helft, toe te laten toenemen.
Uit de proeven bleek ook dat het niet nodig is om dit supplement gedurende het gehele leven te slikken. Met urolithine A behandelde muizen begonnen vrijwel direct met de mitofagie en aanmaak van verde mitochondrieën.

Hoe kan ik deze resultaten zelf toepassen?

Het goede nieuws is dat urolithine A door onze darmflora wordt aangemaakt als we granaatappels eten. Dit verklaart dan de ervaringen van veel mensen dat granaatappels ze nieuwe energie geven. Helaas geldt dit niet voor alle mensen. De reden is dat hun darmflora niet de essentiële bacteriesoort bevat, of dat de stof niet door hun darmwand wordt geresorbeerd.

De structuurformule van een molecuul Urolithin A
De structuurformule van een molecuul Urolithin A

Enkele leden van de onderzoeksgroep zijn daarom een startup begonnen die urolithine A gaat produceren.
Kortom: vaker, het liefst elke dag, granaatappels eten zal zeker helpen totdat hopelijk snel  de eerste urolithine A supplementen op de markt verschijnen. Als je darmflora de juiste bacteriën bevat.

Bron
Urolithin A induces mitophagy and prolongs lifespan in C. elegans and increases muscle function in rodents, Nature Medicine, DOI: 10.1038/nm.4132

AKAT-1, een analoge computer. Ooit state of the art. Zullen analoge computers weer een comeback maken? Bron: Wikimedia Commons

Analoge computer maakt comeback

Analoge computers zijn uit. Alle computers die we uit het dagelijkse leven kennen zijn digitale computers. Kwantumcomputers komen steeds meer in het nieuws. Nu is de analoge computer met een eigen programmeertaal veel gebruiksvriendelijker geworden. Komt er een comeback?

Wat zijn analoge computers?
Computers zijn apparaten die rekenen, ruimer gezegd: informatie verwerken. Dat kan op verschillende manieren. De computers die wij uit het dagelijkse leven kennen maken gebruik van twee spanningsniveaus, die worden geïnterpreteerd als 0 en 1. Deze digitale computers zijn veel sneller wat betreft het verwerken van exacte getallen dan andere types computers. Ook zijn ze gemakkelijk te programmeren. Geen wonder dus, dat we nu al twee generaties massaal gebruik maken van digitale computers, en niet van analoge computers zoals rekenlinialen.

Analoge computers vormen een analogie (overeenkomstige structuur) van een systeem waaraan ze berekeningen verrichten. Eigenlijk kan je hier dus beter spreken van een meting dan van een berekening. In de jaren vijftig gebruikte het CBS een indrukwekkend buizensysteem om de pseudowetenschap der economie mee te beoefenen. Deze analoge computer werkte door middel van het principe van de communicerende vaten. Hieronder een filmpje met een overgebleven exemplaar van zo’n ding, de MONIAC.

Sommige vraagstukken zijn in feite makkelijker met een analoge, dan met een digitale computer aan te pakken. Een differentiaalvergelijking, bijvoorbeeld, is lastig om numeriek uit te drukken. Het kost een digitale computer vele rekenstappen met algoritmes als Runge-Kutta om de uitkomst van een differentiaalvergelijking vast te stellen. Met een analoge computer kan dat in principe vrijwel direct, ongeacht hoe ingewikkeld het stelsel van differentiaalvergelijkingen is. Hiervoor wordt het vaakste gebruik gemaakt van een elektronische analoge computer. De verandering van een elektrische stroom (m.a.w. de differentiaal) wekt een magnetisch veld op. Hoe meer verandering, hoe sterker de magnetische piek. Meet dat magnetische veld met de gewenste nauwkeurigheid en zie, daar is in een fractie van een seconde je antwoord, terwijl de digitale computer nog zucht en kreunt.

AKAT-1, een analoge computer. Ooit state of the art. Zullen analoge computers weer een comeback maken? Bron: Wikimedia Commons
AKAT-1, een analoge computer. Ooit state of the art. Zullen analoge computers weer een comeback maken? Bron: Wikimedia Commons

Programmeren tot nu bottleneck
Dit klinkt te mooi om waar te zijn en dat is het dan ook. De voornaamste bottleneck voor de analoge computer is de enorme moeite die het kost om dit juweel te programmeren. In de jaren vijftig was er domweg geen andere keus, maar nu kunnen differentiaalvergelijkingen eenvoudig in programma’s als Maple of Mathematica, of voor de minder pecuniair gezegenden, het open-source alternatief Sagemath, ingevoerd worden. Digitale computer zijn zo snel, dat zelfs de omslachtige digitale manier toch snel resultaat oplevert. Al kosten echt uitgebreide stelsels, zoals die je nodig hebt om complexe biologische systemen na te bootsen, nog steeds erg veel rekentijd. Niet voor niets kijken veel wetenschappers nog steeds verlekkerd naar de mogelijkheden van analoge computers.

Wat zijn afgeleides en differentiaalvergelijkingen? Wat kan je er mee?
Differentiaalvergelijkingen beschrijven de relatie tussen een functie, f(x) en de afgeleide van een functie, f'(x). In normale mensentaal: tussen de functie en de veranderingssnelheid van een functie. Als je weet hoe een functie zich gedraagt, kan je het gedrag voorspellen.

Logistische (sigmoïde) curve. Bron: Wikipedia
Logistische (sigmoïde) curve. Bron: Wikipedia

Zo zijn er veel groeiprocessen, bijvoorbeeld die van een markt, die zich gedragen als een zogeheten sigmoïde, een s-vormige functie. De afgeleide van deze s-vorm is de bekende klokfunctie of normale verdeling, een heuvel rond het nulpunt. Als je als startende ondernemer in een markt actief wilt zijn, is het slim om een markt te kiezen die steeds sneller groeit. Met andere woorden: waarvan de afgeleide groeit. Neemt deze groeisnelheid af, dan wordt de concurrentie moordend en zijn je kansen maar klein. Ik zag bij een multilevel-marketingbedrijf in Nederland een grafiekje van de meer ontwikkelde Duitse markt en herkende de sigmoïde. Dus geloofde ik de juichverhalen over de Nederlandse markt, die het beginstukje van de sigmoïde vormde, niet meer. Deze zou, kon ik afleiden, onvermijdelijk ook stagneren.

Met een enkele differentiaalvergelijking kan je bijvoorbeeld heel mooi natuurkundige velden beschrijven. Groepen differentiaalvergelijkingen geven de wisselwerking weer in een ingewikkelder systeem, zoals een lichaamscel of een chemische reactor. Als je het gedrag van deze differentiaalvergelijkingen kan voorspellen, ken je het systeem en het gedrag van het systeem. En, kennis is macht.

Programmeertaal voor analoge computers
Enkele van die mensen die de beperkingen van digitale computers zat zijn, zijn prof. Martin Rinard van de Amerikaanse topuniversiteit MIT en  voormalige collega Rahul Sapeshkar, die met een aantal doctoraalstudenten een analoge chip hebben ontwikkeld. Hiermee kunnen analoge berekeningen worden uitgevoerd. De chip kan wel door middel van een digitale computer worden geprogrammeerd en uitgelezen. Zij hebben hiervoor een programmeertaal voor deze chip (en soortgelijke chips) ontwikkeld.
In Arco, de programmeertaal van de groep onderzoekers, kunnen differentiaalvergelijkingen gemakkelijk worden toegevoerd. Het kost per differentiaalvergelijking ongeveer een minuut om deze in te programmeren. Zelfs een complex stelsel van zeventig differentiaalvergelijkingen kan in ongeveer een uur worden ingevoerd en gecompileerd. Zoals bij alle analoge computers zijn de resultaten in principe vrijwel onmiddellijk bekend.
Met een eenvoudige chip kan zo een supercomputer worden vervangen. Althans: voor dit soort simulaties.

Bron
Sara Achour, Rahul Sarpeshkar, and Martin Rinard, Proceedings of the 37th ACM SIGPLAN Conference on Programming Language Design and Implementation (PLDI 2016), Santa Barbara, CA, June 2016

Goudkristallen uit de vrije natuur. Bron: Wikimedia Commons

Tonnen goud in vuilnisbelten

Op dit moment zit er per kilogram meer goud in vuilnis en rioolslib, dan in het erts uit goudmijnen. Dat geldt niet alleen voor goud, maar ook voor zilver, wolfraam en andere schaarse metalen. Wanneer gaan goudzoekers de Nederlandse en Belgische vuilnisbelten ontginnen?

Dit is weer het zoveelste voorbeeld, dat onomstotelijk bewijst dat rijkdom in feite een kwestie is van het juist rangschikken van atomen. Als alle atomen in vuilnis zouden worden verwerkt tot nuttige grondstof, zou dit miljarden opleveren en een groot deel van de mijnen overbodig maken.

Goudkristallen uit de vrije natuur. Bron: Wikimedia Commons
Goudkristallen uit de vrije natuur. Bron: Wikimedia Commons

Mijnen die nu heel erg veel afval opleveren. De winning van het goud van één gouden trouwring veroorzaakt bijvoorbeeld rond de 20 ton mijnafval. Op dit moment worden natriumcyanide, een dodelijk giftige stof, en kwik, idem, gebruikt om goud te winnen. Laten we in plaats van onze planeet te verwoesten, waarde scheppen uit afval. Waarom wel ecokoffie, en Forest Stewardship Council hout, maar geen Goed Goud in plaats van het uitermate foute goud van nu?

Er is door een wetenschappelijke doorbraak van de universiteit van Saskatchewan, Canada, nu eindelijk hoop op een milieuvriendelijker en mensvriendelijker winproces van goud. Bij het losweken van goud uit e-waste, restafval van elektronica zoals smartphones, wordt volgens de drie onderzoekers onder leiding van prof. Stephen Foley nu per kilogram goud 100 liter weinig milieubelastend en recyclebaar oplosmiddel gebruikt (uiteraard houden ze de samenstelling van dit oplosmiddel strikt geheim), waar tot nu toe  rond de 5000 liter koningswater werd gebruikt om het goud uit het e-waste te weken. Koningswater is een extreem agressief mengsel van geconcentreerd zwavelzuur en salpeterzuur.

Bron
Golden Opportunity for U of S researchers, University of Saskatchewan, 2016

Japan heeft nu haar eigen element: nihonium. Ooit ununtrium geheten.

Video: vier nieuwe chemische elementen krijgen naam

Het is uitermate slecht voor je gezondheid is om een klontje moscovium of nihonium bij je in de buurt te hebben.

Dat valt namelijk uit elkaar in een fractie van een seconde, met een lawine aan ioniserende straling tot gevolg. Toch is de ontdekking en naamgeving van deze elementen groot nieuws. Nu kunnen we namelijk verder kijken.

De nieuwe elementen zijn:
Nihonium met symbool Nh, voor element 113,
Moscovium met symbool Mc, voor element 115,
Tennessine met symbool Ts, voor element 117 en
Oganesson met symbool Og, voor element 118.

Er bestaan hardnekkige vermoedens dat er een zogeheten Eiland van Stabiliteit bestaat. Dat zijn atoomkernen, die veel langer intact blijven dan je zou vermoeden op basis van hun grote massa. Sommige natuurkundigen denken zelfs dat er enkele van deze superzware atomen zich schuilhouden op aarde. Op dit moment is het zwaarste natuurlijke atoom dat ooit is aangetroffen, uranium-238. Dit is dan ook meteen de meest voorkomende uranium-isotoop en komt ongeveer net zoveel voor als tin. Maar misschien blijft het hier dus niet bij…

Japan heeft nu haar eigen element: nihonium. Ooit ununtrium geheten.
Japan heeft nu haar eigen element: nihonium. Ooit ununtrium geheten.