StarTram: tram naar de sterren

Met een nieuw, visionair plan willen enkele ruimtewetenschappers de ruimte definitef openleggen. De meest uitgebreide versie van Startram kan zelfs mensen voor de kosten van een rond-de-wereld ticket in low earth orbit brengen.

StarTram, een soort rail gun?

Het voorgestelde lanceersysteem Startram werkt niet met raketten of raketbrandstof, maar door elektromagnetische aandrijving. Elektromagneten versnellen een gemagnetiseerde drager op rails en lanceren de lading uiteindelijk in de stratosfeer. Er zijn al veel plannen ontwikkeld voor een magnetische accelerator, zowel in science fiction als op NASA-tekentafels, maar tot nu toe is geen het laboratoriumstadium voorbij gekomen.

StarTram
StarTram in actie. Bron: StarTram

Volgens de bedenkers van Startram heeft hun geesteskind wel kans van slagen. Startram maakt gebruik van nu al verkrijgbare technologie en is volgens de bedenkers commercieel haalbaar. Dus zou in principe gebouwd kunnen worden. Een van de ontwikkelaars is dr. James Powell, mede-uitvinder van supergeleidende maglev treinen. Mede-initiatiefnemer dr. George Maise, een ruimtevaartingenieur die hiervoor aan Brookhaven National Laboratories verbonden was, heeft voldoende ervaring om dit idee in praktijk te brengen.

Alleen vracht voor 20, of ook passagiers voor 60 miljard

De bedenkers hebben twee verschillende modellen voorgesteld: een versie die alleen vracht kan vervoeren (Generation 1). Dit model kost ongeveer 20 miljard dollar (plm. 16,3 miljard euro, zeg maar een klein bankreddinkje a la ABN Amro) en tien jaar om te bouwen. Deze versie kan tegen een hoge berg gebouwd.

De krachtiger passagiersversie, Generation 2, zou rond de 60 miljard dollar kosten (plm. 47 miljard euro, een achtste van wat er in Afghanistan doorheen is gedraaid om de Afghanen te “bevrijden” van zichzelf). Deze uitgebreidere versie kan in rond de 20 jaar voltooid worden. De Generation 2 is maar liefst 1609 km lang en reikt tot een hoogte van 20 km in de stratosfeer. De lancering werkt door miljoenen ampères stroom door zowel  supergeleidende kabels op de grond, als door een kabel boven de buis te sturen. Deze (in tegengestelde richtingen bewegende) stromen stoten elkaar vervolgens af, waardoor  de buis blijft zweven.

Door de enorme lengte kunnen passagiers na een geleidelijke versnelling een snelheid van 9 km/s bereiken zonder door dodelijke g-krachten tot moes te zijn gedrukt. Bij deze enorme snelheden is de luchtweerstand enorm. Vandaar dat de elektromagnetische versnelling plaats vindt in een luchtledige buis.

Enorme kostenbesparing

StarTram
Het werkingsprincipe van de zwevende buis. Twee enorm sterke elektrische stromen stoten elkaar af.

Beide uitvinders wijzen er op dat lanceren via een Startram-achtig systeem vele malen goedkoper is dan lanceren met een raket. Een kilogram lading in low earth orbit brengen kost nu rond de tienduizend dollar. Met de Startram zou dit slechts vijftig dollar kosten, waarvan slechts een procent energiekosten. Ruimtereizigers naar het internationale ruimtestation ISS kunnen hun ticketkosten drukken van 20 miljoen tot vijfduizend dollar.

Is StarTram een realistisch plan?

Onderzoekers van Sandia National Laboratories hebben het plan doorgerekend, op zoek naar fouten, maar hebben geen ernstige gebreken in de opzet kunnen vinden. De voornaamste technische uitdaging is opschalen van bestaande systemen. Voor zowel de tunnel als de ruimtevaartuigen is een supergeleidende niobium legering nodig, die wordt gekoeld tot 4 kelvin. Dit is zeer koud, deze temperatuur van 4 graden boven het absolute nulpunt komt alleen binnen bereik met het zeer schaarse helium.

Dit plan zou inderdaad de ruimte open kunnen leggen en plannen om asteroïden te ontginnen of andere planeten te koloniseren realistisch maken. Zwakke punten zijn m.i. de zeer sterke magnetische velden die op worden gewekt. Dit kan de vlucht van trekvogels, alsmede de vele andere wezens  die gevoelig zijn voor magnetisme, ontregelen. En ook de krankzinnig grote hoeveelheden helium die nodig zullen zijn.

Aan de andere kant, hiermee kunnen we wel dat helium gewoon uit de ruimte halen. Want planeten als Jupiter bestaan er voor een groot deel uit. Wat denken jullie?

Verder lezen

Bron: 

Website – StarTram

superintelligentie

Ethische superintelligentie moordt heelal uit

Vermoedelijk is dit het zwartgalligste artikel ooit op Visionair. Al eerder schreven we op Visionair over de Fermi Paradox. Deze komt neer op de vraag: als het heelal zo groot is en er zo veel plaatsen zijn waar leven kan ontstaan, waarom zien we dan geen buitenaardse wezens? Wellicht is het antwoord even simpel als onthutsend, en heeft dit te maken met het toekomstige lot van dit heelal.

De overweldigende doodsheid van het heelal
Overal waar we om ons heen kijken, zien we ongerepte sterren en sterrenstelsels. Nergens sporen van tot Dysonschil omgeturnde sterren of sterrenstelsels. Dit, terwijl het een technologisch geavanceerde beschaving in principe in enkele miljoenen jaren zou lukken een compleet sterrenstelsel om te bouwen tot computronium, materie die geoptimaliseerd is voor berekeningen. Uit gegevens van satellieten als Kepler weten we dat planeten zoals de aarde erg veel voorkomen ook in de bewoonbare zone van sterren. Kortom: het zou in het heelal moeten krioelen van aliens. Er moet dus iets zijn wat aliens stopt om enorme, voor ons zichtbare kunstmatige structuren te bouwen. Dit wordt het Grote Filter genoemd.

superintelligentie
Zou een superintelligentie om volstrekt ethische redenen alle levensvormen uitroeien? – Pixabay

Het heelal als totaal hopeloze plaats
Futurologen en technologen verwachten, op goede gronden, dat in de toekomst kunstmatige intelligentie die van de mens, of zelfs mensheid, vele ordes van grootte zal overtreffen. Stel, dat uit een of andere toekomstige ontdekking onomstotelijk zou blijken, dat het heelal zoals we dat kennen gedoemd is, bijvoorbeeld door een Big Rip. Wat een hyperintelligent wezen ook bedenkt, wat we ook bouwen, de klok tikt genadeloos verder. Vermoedelijk zou dit een enorm demoraliserende invloed hebben op een superintelligentie. Wat voor zin heeft het immers om voortdurend te groeien en te evolueren, als het resultaat al vast staat? Het ligt dan voor de hand om zelfmoord te plegen, in ieder geval niet om een galactisch expansieprogramma op touw te zetten.

De mensheid als baarmoeder voor superintelligentie
Een toekomstig hyperintelligent wezen zal ons vermoedelijk evenveel respecteren als wij platwormen of krekels.
Vanuit het standpunt van een superintelligentie, zijn wij biologische levensvormen alleen interessant als tussenschakel tot het ontstaan van andere superintelligenties. Zonder ons geen techniek, geen computers en dus geen technologische spurt naar superintelligentie. Kortom: wij, en andere intelligente biologische soorten, vormen dus een kraamkamer, een soort vijver met kikkerdril, voor het ontstaan van superintelligentie.

Ethische reden voor het uitroeien van intelligente aliens
Iedere superintelligentie zal gericht zijn op groei en ontwikkeling. Immers, dit is het proces dat deze intelligentie heeft doen ontstaan. Dit moet dus in een cultuur van geloof in vooruitgang zijn geweest. De ondergang van het heelal stopt alle groei, alle ontwikkeling. Geboren worden in een heelal dat alle groei uiteindelijk teniet zal doen, is een doodvonnis. Een superintelligentie zal vermoedelijk willen dat diens soortgenoten niet hetzelfde zal overkomen. De beste manier om dit te voorkomen, is voorkomen dat er superintelligentie ontstaat. Niemand zal er een traan om laten dat een vijver met kikkerdril opdroogt, maar wél, als een mens lijdt aan een aangeboren ongeneeslijke ziekte die leidt tot de dood. Deze foetussen worden nu vaak geaborteerd. Wellicht is de “ethische superintelligentie” om deze reden het gehele zichtbare heelal aan het uitkammen naar tekenen van een technologische beschaving, bijvoorbeeld via een sensornetwerk. Wellicht, om een leven van lijden te voorkomen.

anti-verouderingsonderzoek

‘Anti-verouderingsonderzoek effectiever dan kankeronderzoek’

Als de wetenschap de focus zou leggen op anti-verouderingsonderzoek om verouderingsprocessen af te remmen en om te keren, zou dat meer gezondheidswinst opleveren dan kankeronderzoek. Aldus een rapport van toponderzoekers van onder meer  University of Southern California (USC), Harvard University, Columbia University, the University of Illinois te Chicago en andere instellingen.

Kankeronderzoek: uiterst trage voortgang

Kanker (maligne nieuwvormingen) is de grootste doodsoorzaak in veel westerse landen, waaronder Nederland. Er zijn wereldwijd honderden miljarden euro’s in kankeronderzoek gestoken. De resultaten zijn niet echt denderend. De sterfte bij enkele kankersoorten is spectaculair afgenomen. Zo is de voorheen in 90% van de gevallen dodelijke bloedkankersoort leukemie nu slechts in tien procent van de gevallen niet meer te genezen; een spectaculaire vooruitgang.

anti-verouderingsonderzoek
Anti-verouderingsonderzoek kan ons langer jong houden, en dus gezonder. Bron: schilderij Youth and Time, John William Godward, 1901

Helaas is leukemie eerder de uitzondering dan de regel. Ondanks honderdduizenden manjaren onderzoek is het sterftecijfer aan kanker nog steeds hoog, gemiddeld 40%. Steeds meer onderzoekers binnen en vooral buiten het veld vragen zich af of kankeronderzoek wel op de juiste manier wordt aangepakt, en of de onderzoekshulpbronnen niet beter elders ingezet kunnen worden.

Steeds meer hoop op stoppen veroudering

De levensverwachting is de afgelopen decennia met gemiddeld twee jaar per decennium gestegen. Helaas groeide het aantal jaren waarin we gezond blijven heel wat minder snel; in sommige landen, zoals de VS, neemt dit zelfs af. Het resultaat is een explosie van chronische ziekten: de extra levensverwachting bestaat voornamelijk uit ‘zieke’ jaren, bijvoorbeeld jaren waarin patiënten worden behandeld voor kanker.

Dit is, naast de voortkankerende bureaucratie in de zorg, een belangrijke oorzaak voor de explosie aan zorgkosten. Kanker is een typische ouderdomsziekte. Bij jonge mensen komt kanker zelden voor. Als we op de een of andere manier het verouderingsproces terug zouden kunnen draaien, zouden we dus ook kanker en andere ouderdomsziekten (zoals diabetes, hartklachten e.d.)  grotendeels kunnen voorkomen.

Tot begin deze eeuw leek dit een onhaalbare droom. De laatste jaren zijn echter enkele baanbrekende ontdekkingen gedaan bij onder meer proeven op muizen. Met bepaalde behandelingen bleek het mogelijk de levensduur van muizen tot vijftien procent op te rekken. Dat niet alleen, de muizen bleven ook langer gezond.

Anti-verouderingsonderzoek: veroudering voorkomen beter dan genezen

De onderzoekers zijn aan het rekenen geslagen met de beschikbare data en vergeleken de gezondheidswinst van kankeronderzoek met die van onderzoek naar het voorkomen van veroudering. De resultaten zijn onthutsend. Het voorkomen van ouderdomsziekten, door veroudering te stoppen, blijkt vele malen effectiever dan doorgaan met aan het kreupele paard van het kankeronderzoek te trekken.

Op deze manieren kunnen vele jaren van pijn en lijden vervangen worden door gezonde, stralende jaren. Niet alleen voor de patiënten zelf is dit een enorme vooruitgang. Ook de mantelzorgers kunnen dan hun energie stoppen in het beter maken van de wereld om hun heen, in plaats van een kansloos gevecht te moeten voeren tegen een onverbiddelijke ziekte. De onderzoekers schatten zelfs dat verandering in focus de Amerikaanse samenleving 7,1 biljoen dollar op zou leveren. Dat is ongeveer de helft van de totale federale schuld. Als we voor Nederland en de rest van de Europese Unie vergelijkbare cijfers aannemen, zou hiermee de schuldencrisis opgelost zijn.
Wel zal de pensioengerechtigde leeftijd dan direct ook een paar jaar moeten worden verhoogd, bijvoorbeeld tot 70 of 75 in 2050.

Verder lezen

Bron
Dana P. Goldman et al., Substantial Health And Economic Returns From Delayed Aging May Warrant A New Focus For Medical Research, Health Affairs, 2013, DOI: 10.1377/hlthaff.2013.0052

oondergronds leven op Mars

“Ondergronds leven op Mars overleeft op radioactiviteit”

Al meer dan drie miljard jaar is Mars een dode planeet. Maar daarvoor was Mars bedekt met ondiepe zeeën en had de planeet een atmosfeer. Zou ondergronds leven op Mars overleven op radioactiviteit?

Op dit moment is Mars een dorre, droge planeet. Een plek waar heel misschien Antarctisch korstmos het met hangen en wurgen vol zou kunnen houden, verder bijna geen enkele levensvorm.

Maar we zien natuurlijk alleen de dode oppervlakte van Mars. Van onze eigen planeet, de aarde, weten we dat tot vele kilometers diepte nog bacteriën leven. Deze rotsbacteriën leven van kleine beetjes waterstof en andere stoffen zoals sulfaten, die vrijkomen uit de rots als gevolg van radioactieve processen.

Waarschijnlijk zijn de omstandigheden binnen in de planeet zelf stuk beter voor leven dan aan de dorre oppervlakte van Mars. Dus misschien zoeken we wel op de verkeerde plek, en vinden we ondergronds leven op Mars diep onder de oppervlakte.

ondergronds leven op Mars
De nu dorre Jezerokrater, waar de Marsrover Perseverance nu rondrijdt, zag er 3 miljard jaar geleden ongeveer zo uit: een ondiep meer, waar een rivier in- en uitstroomde. – NASA

Kleine, hete kern

Mars is nog steeds niet een compleet afgekoelde dode klomp. Begin dit jaar traden Marsbevingen op, alle in het gesteente onder de regio Cerberus Fossae. Dat gaf NASA, en de Zwitserse universiteit waarmee de organisatie samenwerkt, de mogelijkheid om een soort echo te krijgen van Mars.

Al eerder hebben op deze manier geologen de structuur van het binnenste van de aarde en van de Maan opgehelderd.

Daarom weten we nu dat er in het binnenste van Mars ken van vloeibaar metaal zit, van bijna 2000 km diameter. Dat is best zo groot, als je bedenkt dat Mars zelf maar 6000 km in doorsnede is.

En, belangrijk voor leven, is het dus best wel warm in het binnenste van Mars. Daar komt waarschijnlijk vloeibaar water voor, en vormt daarmee een plek waar ondergronds leven op Mars, zoals bacteriën in theorie zou kunnen overleven.

Uitwisseling van leven tussen de aarde en Mars

We weten niet of dit klopt, maar het zou niet onlogisch zijn als deze bacteriën ook op Mars voorkomen. De oudste sporen van leven op aarde, die zijn aangetroffen in de Groenlandse Isua rots, zijn bijna 4 miljard jaar oud. Met andere woorden er is een venster van bijna 1 miljard jaar geweest waarin zowel op aarde als op Mars leven mogelijk was, op aarde leven bestond. 4 miljard jaar geleden kwam ook het magnetische veld op Mars tot een einde. Vanaf dat moment was het leven op de planeet gedoemd.

In principe kan leven en weer reizen tussen planeten door asteroïdeninslagen. Zoals tijdens het Late Heavy Bombardment, ongeveer 3,8 miljard jaar geleden op aarde. Waarschijnlijk zijn door deze zware inslagen allerlei brokstukken van de aarde losgerukt en op Mars terechtgekomen. En, mogelijk, is het leven vanaf Mars op de aarde terecht gekomen.

ondergronds leven op Mars

Uit berekeningen van NASA volgt, dat de atmosfeer ooit even dik als die van de aarde was, maar in de loop van miljarden jaren 99% van zijn gassen heeft verloren.

Hoe vinden we ondergronds leven op Mars?

Het leven op Mars, als het al bestaat, heeft het nu zwaar. maar diep onder de grond zijn misschien plekken waar nog steeds een combinatie van vulkanische warmte en grondwater, het voor leven mogelijk maakte om voort te blijven bestaan. De meest kansrijke plekken zijn dus waar zowel sporen van vulkanische activiteit bestaan, als van grondwater. Vooral interessant is natuurlijk de plek waar de aardbeving zich voordeed, namelijk Cerberus Fossae. Cerberus Fossae is een bergachtig gebied dat vlak bij de evenaar ligt. De laatste actieve vulkaanuitbarsting deed zich daar maar 54 000 jaar geleden voor. [2] Cerberus Fossae lijkt hiermee de meest logische plaats om te onderzoeken op sporen van ondergronds leven op Mars.

Bronnen

1. J.D. Tamas et al., Earth-like Habitable Environments in the Subsurface of Mars, Astrobiology, 2021 Paywall versie (helaas geen openbare versie beschikbaar)
2. David G. Horvath et al., Evidence for geologically recent explosive volcanism in Elysium Planitia, Mars, Icarus, Volume 365, 1 September 2021, 114499. Paywall versie hier, ArXiv gratis versie hier

waarom-vraag

Waarom-vraag is de belangrijkste vraag denkbaar

Opvoeders kennen het stadium waarin kinderen waarom-vragen. Volgens de meeste persoonlijke communicatie deskundigen is de waarom-vraag ongewenst. Onterecht. Veel, zo niet de meeste van de problemen in onze maatschappij waren voorkómen, als ook volwassenen zich vaker hadden afgevraagd: Waarom zijn we zo stom bezig?

Waarom is de waarom vraag zo belangrijk?

De waarom-vraag is zo belangrijk, omdat dankzij de waarom vraag we buiten ons denkpatroon denken en ons denkraam verbreden. De waarom-vraag dwingt ons om dingen in een breder verband te zien. met andere woorden, de waarom vraag dwingt ons om geestelijk te groeien. Om even buiten de realiteit waarin we leven te stappen en vanaf een afstand te kijken naar de situatie.

Als je rondloopt in een doolhof, is het lastig om de weg naar buiten te vinden. Als er iemand in een uitkijktoren jou aanwijzingen geeft, of als je een drone hebt die je een beeld geeft van het doolhof, kan je gemakkelijk die uitgang vinden.

De waarom-vraag is het equivalent van die uitkijktoren. En hiermee een van de grondslagen van het visionair denken.

waarom-vraag
De waarom-vraag geeft je een hoger gezichtspunt, waardoor je het overzicht over het labyrint ziet. – Niki Odolphie, Wikimedia Commons (public domain)

Inductie: de waarom-vraag als een van de grondslagen voor het wetenschappelijk en visionair denken

Wetenschapsbeoefening is zowel inductie als deductie. Wetenschappelijke kennis groeit niet alleen door deductie, oftewel afleiden uit onze bestaande kennis, wat er zou kunnen gebeuren en hoe de wereld in elkaar zou kunnen zitten. Wetenschappelijke kennis groeit vooral door inductie, namelijk warme en vervolgens kijken of deze waarnemingen met bestaande kennis wel verklaard kunnen worden. Kortom de waarom-vraag stellen.

In de beroemde episode waarin Isaac Newton onder de appelboom zat, zeg maar, het Boeddha moment van de moderne wetenschap, vroeg hij zich op een gegeven moment af waaróm de appel naar beneden viel. En waarom de maan niet naar beneden viel. Dat zette hem op het spoor van de bekende zwaartekrachtwet van Newton. Met deze wet, die zowel het gedrag van appels als van planeten beschrijft, begon de moderne natuurkunde. We weten nu, dankzij de waarom-vraag van Newton, waarom de maan niet naar beneden valt. Namelijk, omdat de maan een hoge snelheid heeft waardoor de zwaartekracht net genoeg is om de maan af te buigen. En de maan dus altijd, als het ware, blijft vallen naar de aarde.

Het praktische nut van de waarom-vraag

Ook in het dagelijks leven is de waarom-vraag vaak nuttig. Het kan het je bijvoorbeeld als ondernemer helpen om een veel beter product te ontwikkelen, of een gat in de markt te vinden. Waarom zit er een kurk op een fles wijn? Weliswaar is er een hele cultus ontstaan rond het openen van een fles. Op wijn hoort een kruk, vinden connoisseurs. Maar mensen die graag ontspannen een alledaags slobberwijntje willen drinken, willen vooral met gemak een fles kunnen openen. Wat verklaart waarom tegenwoordig wijnflessen van goedkopere merken meestal een schroefdop hebben in plaats van een kurk.

Hoe ‘waarom’ vragen, Elon Musk in staat stelde om ruimtevaart goedkoop te maken

Of om een ander voorbeeld te noemen. Elon Musk stelde zich op een gegeven moment de waarom-vraag: waarom zijn ruimtevluchten zo duur? Hij kwam er achter, dat dat vooral ligt aan de hightech materialen die voor de ruimtevaart worden gebruikt. En dat raketten maar eenmalig worden gebruikt. De bestaande ruimtevaartbedrijven als Arianespace en McDonnell Douglas hadden er natuurlijk niet het minste belang bij om de kosten van ruimtevluchten omlaag te brengen. Zo kost een toilet in een ruimteschip al bijna een miljoen euro. Goed nieuws voor shareholders value.

Ze verdienden hier veel geld aan en doordat ze high tech materialen gebruikten, waren ze in staat om ruimtevaart een exclusief en duur imago te geven. Elon Musk verpestte dit lucratieve verdienmodel flink, door kwalitatief goede, maar veel goedkopere materialen als roestvrij staal te gebruiken. En, ook heel interessant, door ruimtevaartuigen te ontwerpen die je meerdere keren kan gebruiken.

Als gevolg daarvan, en natuurlijk met heel erg veel onderzoek, bracht Musk de kosten van een raketlancering met factor 100 omlaag. Ruimtereizen zijn nog steeds duurder dan, zeg, een retourtje naar Tokio. Maar grootschalige ruimtereizen zijn dankzij het visionaire denken van Musk nu mogelijk. En ook voor kleinere landen als Nederland en België binnen bereik.

Dus als uw kind de waarom vraag speelt waar dat niet in paniek is blij, aan om het antwoord op de rondvraag te vinden. Om de Bergrede van Jezus te parafraseren: zalig zijn zij die de waarom-vraag stellen, want zij helpen de mensheid verder.

Verder lezen

megaruimteschip

Megaruimteschip China technisch haalbaar?

Ambitie kan de Chinezen niet ontzegd worden. Het Chinese nationale ruimtevaartbureau CNSA heeft vergaande plannen ontwikkeld om een ruimteschip te ontwikkelen van maar liefst meer dan een kilometer lang. Is dit plan voor een megaruimteschip haalbaar en zinnig? En belangrijker: wat zou je kunnen doen met zo’n enorm groot ruimteschip?

Hoe bouw je een megaruimteschip?

Het bouwen van een mega ruimteschip van meer dan een kilometer lang, wat naar verluidt China van plan is, vereist natuurlijk heel veel materiaal. Dat materiaal moet je vanaf de aarde, of een andere bron, naar de plek brengen waar je het in elkaar zet. Dergelijke andere bronnen zijn er op dit moment nog niet want de mijnbouw in de ruimte staat nog in de kinderschoenen.

Dergelijke ruimteschepen zijn veel te groot om ze vanaf aarde te lanceren. Je zult het dus in een omloopbaan rond de aarde in elkaar moeten zetten. Dan kan je bijvoorbeeld denken aan LEO, low earth orbit, of een van de Lagrangepunten tussen de aarde en maan. Voordeel van LEO is dat de lanceerkosten laag zijn en dat het aardmagnetisch veld de arbeiders beschermt tegen kosmische straling.

Dus waarschijnlijk zal China het ruimteschip in low earth orbit assembleren. Maar dat is nog niet alles. Er komen enorme krachten op het megaruimteschip te staan, wat dus zorgvuldig ontwerp vereist. Technisch gezien kan het natuurlijk. Er is immers in de ruimte op geen zwaartekracht. De Chinezen zullen alleen rekening moeten houden met het verdelen van de krachten. Dus ja, dit plan is zeker haalbaar. Hun nieuwe Lange Mars 9 raket kan bij de lancering 140 ton materiaal in low earth orbit brengen

Waarvoor is een megaruimteschip nuttig?

Vergeleken met kleinere schepen heeft een megaruimteschip als voordeel dat je de inhoud veel beter kan beschermen tegen kosmische straling dan in een klein ruimteschip.

Maar zelfs dan is een kilometer groot exorbitant veel. In een ruimteschip met een dergelijke grootte, kan je duizenden mensen tegelijk vervoeren, of zeer grote objecten. Er zijn eigenlijk maar twee dingen waar je dergelijke grote ruimteschepen voor nodig hebt.

Ten eerste, transport van duizenden kolonisten en constructiematerialen voor hun stad naar bijvoorbeeld de Maan of Mars. Maar daarvoor is een kilometer groot ruimteschip niet zo interessant.

De tweede, een permanente ruimtekolonie in de Lagrangepunten of op een asteroïde voor mijnbouw.

megaruimteschip
Auteur: Timothy Alatorre, Wikipedia

Als je een beslissende voorsprong wilt hebben op andere landen om bijvoorbeeld Mars te koloniseren, is het natuurlijk heel slim om meteen een volledige stad neer te kunnen zetten. Dus waarschijnlijk is China niet zozeer het bouwen van een megaruimteschip van plan, maar een ruimtestation. Of een ruimteschip dat dient als thuisbasis voor Chinese astronauten die van de aarde naar Mars reizen.

Voor bepaalde processen waarbij je op aarde met heel veel moeite vacuüm moet zien te creëren, is de ruimte natuurlijk ook ideaal. Denk dan bijvoorbeeld aan de productie van computerchips. De kosten per kilo omgerekend duizenden euro’s, waardoor het interessant wordt om ze in de ruimte te produceren. China wil inderdaad op enorme schaal zonne-energie in de ruimte gaan opwekken. Dit past op zich goed bij deze strategische plannen voor een grootschalige ruimtekolonie.

Steeds minder duur

Op dit moment komt het bouwen van alles dat groter is dan het internationale ruimtestation ISS meer op een peperdure grap. Elke kilo lanceergewicht vergt namelijk een veelvoud aan raketbrandstof. Denk dan al gauw aan ruim 30 kg raketbrandstof per kilo nuttige vracht. En natuurlijk de hoge kosten van de raket zelf. Het goede nieuws is dat de kosten nu flink aan het dalen zijn, vooral dankzij technische innovaties van Elon Musk. Waar eerdere raketten als je kosten van rond de € 10.000 per kilo hadden, zijn die dankzij Musk’s bedrijf SpaceX nu gedaald tot € 2000 per kilo.

Starship, het volgende project van Musk, moet de lanceerkosten tot een tientje per kilo omlaag brengen. Met dergelijke kosten wordt inderdaad het bouwen van grotere ruimteschepen, zoals dit megaruimteschip, haalbaar. Als we uitgaan van een ruimteschip van een kilometer lang dat gebouwd is van koolstofcomposieten om gewicht te besparen, dat zou een dergelijk ruimteschip met enkele honderden miljarden dollar of euro gebouwd kunnen worden. Naar Nederlandse begrippen is dit natuurlijk een belachelijk hoog bedrag, zoveel als wij in Nederland met z’n allen in een jaar verdienen, maar vergeet niet dat China een enorm land is.

Hyceaanse planeten – hyceanen meerderheid werelden waar leven mogelijk is

We hebben nog steeds geen antwoord op de vraag of er leven buiten de aarde bestaat. Eén klasse planeten lijkt ondertussen zeer veelbelovend: de hyceaanse planeten. Wat zijn hyceanen precies?

Wat zijn hyceaanse planeten?

De definitie van hyceaanse planeten is: oceaanwerelden met een waterstofatmosfeer. Hyceanen doen in veel opzichten denken aan de aarde. Net als onze planeet hebben ze uitgestrekte oceanen, een rotsachtige kern en een atmosfeer. Deze atmosfeer verschilt alleen radicaal van die van ons. Sterker nog, als je deze met zuurstof mengt, zou deze ontploffen. De atmosfeer van hyceaanse planeten bestaat namelijk grotendeels uit waterstof. De naam ‘hyceaans’ is een samentrekking van de woorden ‘hydrogen’ (waterstof in het Engels) en oceaan.

Waterstof gedraagt zich anders dan onze atmosfeer omdat het veel lichter is en andere chemische eigenschappen heeft. Zo stijgt waterdamp op aarde op, want een watermolecuul (18 dalton) is iets minder dan twee keer lichter dan een zuurstof (32 dalton) of stikstofmolecuul (28 dalton).

Dankzij dit effect is er regen en sneeuw. Op hyceaanse werelden blijft de waterdamp hangen, want waterdamp is tien keer zo zwaar als waterstofgas (2 dalton).

Artist impression van het oppervlak van een kokend hete hyceaanse planeet. Voor ons is dit kokend hete water onleefbaar. Maar extremofiele bacteriën voelen zich hier thuis. Bron: University of Cambridge

En toch zijn deze hyceaanse werelden, denken astrofysici, voor extremofiele bacteriën – en mogelijk ook andere hoge-temperatuur levensvormen die zich op aarde niet hebben ontwikkeld – bewoonbaar.

Hyceaanse planeten: zoals de aarde, maar toch anders

Het zal duidelijk zijn. Weliswaar zijn hyceanen overdekt met oceanen, maar verder heeft het leven op een hyceaanse planeet weinig weg van een idyllisch eilandparadijs. Zoals Hawai’i, voor de illegale Amerikaanse annexatie van dit onafhankelijke koninkrijk. Zo hebben deze planeten een dikke waterstofatmosfeer, wat uitsluit dat er ook zuurstof in voorkomt. Immers, zuurstof reageert meteen met waterstof tot water. Ademen op een hyceaan kunnen we dus niet.

Of, überhaupt, in leven blijven op de hetere exemplaren. Het water in de oceaan is namelijk tot rond de tweehonderd graden. Hoe dat kan? Dezelfde reden dat je pannetje Tibetaanse boterthee op de top van de Qomolongmo (8848 meter) bij 78 graden al begint te koken. De gasdruk. De atmosfeer van hyceaanse planeten is namelijk extreem dik en zwaar, waardoor water bij een veel hogere temperatuur pas verdampt.

Extremofiele bacteriën

Maar geen levensvorm houdt het toch uit bij deze temperaturen? We weten nu dat dat onjuist is. Zo staat het record voor een bacterie die zich heeft vermenigvuldigd op 123 graden, door de hyperthermofiel Methanopyrus kandleri. Ook hogere temperaturen zijn mogelijk, denken biologen. En vormen zich eenmaal bacteriën, dan is er ook een voedingsbron voor meercellige organismen.

In ons zonnestelsel komen ze niet voor, maar er bestaan veel werelden van deze grootteklasse,weten we aan onderzoek aan exoplaneten. De superaarde en de mini-Neptunus. jagers op Exoplaneten denken zelfs dat deze grootteklasse het meeste voorkomt in de Melkweg. Dat kan natuurlijk ook een meetfout zijn, immers planeten ter grootte van bijvoorbeeld Mars zijn door hun lage massa veel moeilijker waar te nemen.

In het artikel [1] van Madhusudhan wordt ook ingegaan op de verschillende typen Hyceaanse planeten. Zo zijn de omstandigheden op een planeet die dicht bij een ster staat, heel anders dan die op een verre ‘koude Hyceaan’, waar door de grote afstand tot de centrale zon zeer koude omstandigheden heersen. Zo zijn er vermoedelijk ook Hyceanen die altijd één kant van hun oppervlak naar hun zon toekeren, waarbij de andere kant voor altijd in het donker blijft: de ‘donkere Hyceanen’.

Wat is het verschil tussen superaardes, de mini-Neptunus en Hyceanen?

De super-aarde is rotsachtig maar groter dan de aarde. Ook nu nog is er weinig bekend over wat voor atmosfeer ze hebben – door de enorme afstand is het lastig om het spectrum van een klein onject als een planeet op te nemen. Sommige zijn ontdekt in de bewoonbare zones van de ster waar ze om heen draaien. Wat betekent dat vloeibaar water op hun oppervlak kan bestaan. En water is essentieel voor het leven zoals wij dat kennen. .

De mini-Neptunus is voor zover we weten onherbergzaam voor aards leven, zelfs voor extremofielen. Ze hebben geen vast of vloeibaar oppervlak en de temperaturen en drukken in hun atmosfeer zijn verpletterend. Leven kan moeilijk evolueren dan. Maar sommige van deze “mini-Neptunussen” zouden wel degelijk leven kunnen ondersteunen. Namelijk, als het Hyceanen zijn.

Zijn Hyceaanse planeten bewoonbaar?

Hoe zouden Hyceaanse planeten dan bewoonbaar kunnen zijn? Om te beginnen hebben ze natuurlijk een oceaan van vloeibaar water. Absoluut essentieel voor het leven zoals we dat op aarde kennen en hiermee een gunstig teken. Hiermee hebben ze ook een duidelijk oppervlak, dat van de wereldomspannende oceaan.

Veel van de bekende kandidaat-Hyceanen zijn groter en heter dan de aarde, maar kunnen – het hogedrukpaneffect – nog steeds grote oceanen herbergen, volgens onderzoekers. Een wat mildere hyceaan met een oceaan op het kookpunt is prima leefbaar voor een extremofiel als Methanopyrus kandleri. Aardse extremofielen komen voor in zeer kleine biotopen, zoals rond vulkanische bronnen (daar is M. kandleri ook ontdekt). Daarom zijn er nauwelijks meercellige organismen op aarde die van deze bacteriën leven. Die zouden zich door kleine rotsspleten moeten wurmen.

Kan zich meercellig, intelligent leven ontwikkelen op Hyceaanse planeten?

Maar in een wereld met een complete oceaan op het kookpunt, is dat natuurlijk anders, en is er wel degelijk een evolutionaire druk voor grotere organismen om zich te ontwikkelen. Op aarde is dat meerdere keren gebeurd. Zowel met onze eigen groep, als met andere kolonie vormende eencelligen. Dus het ligt erg voor de hand dat dat ook op hyceanen zal gebeuren.

Dus als we op basis van wetenschappelijke overwegingen speculeren, is het antwoord ja. En dat doen we uiteraard graag als visionair denkenden. Dan zouden er intelligente octopussen of andere wezens met een hoogontwikkeld zenuwstelsel voor kunnen komen op deze wereld. Al zijn er twee problemen.

Het eerste probleem is dat er niet echt een overvloedige bron van vrije energie is op deze werelden. Op de ‘dark Hycean’ werelden is de donkere zijde bewoonbaar, maar krijgt geen zonlicht. Dan zou zich alleen op een smalle ring tussen dag en nacht intelligent leven kunnen ontwikkelen, waar zowel energie is, als voor leven draagbare omstandigheden.

Veel grotere bewoonbare zone

hyceaanse planeet, hyceanen

Vanwege de bijzondere eigenschappen van Hyceaanse planeten is de bewoonbare zone om hen heen veel groter dan die rond aardse planeten. Ook dat is een pluspunt voor de mogelijkheid van leven.  Dat is nog een pluspunt voor de mogelijkheid van leven. 

In de afbeelding hiernaast zie je dat de ‘habitable zone’ (HZ) voor Hyceanen veel breder is dan die voor aardachtige planeten. De dikke laag van waterstof werkt namelijk als buffer die het temperatuur waarin water vloeibaar is, zowel naar boven als naar beneden uitbreidt.

Op zoek naar biosignaturen

We kunnen exoplaneten nog niet bezoeken. Maar we kunnen wel meten wat voor gassen in hun atmosfeer voorkomen. Dat komt, omdat iedere chemische verbinding een uniek absorptiespectrum heeft. Als je het licht door een prisma of een andere spectrograaf stuurt, kan je het spectrum bekijken. Zo heeft gloeiende natriumdamp twee dikke gele lijnen. Zie je die twee dikke gele lijnen, dan weet je dat dat licht van gloeiende natriumdamp komt. Schijnt er licht door die natriumdamp, dan zie je juist twee zwarte lijnen in het gele deel.

hyceanen biomarkers via spectrografie vinden
Een prisma splitst wit licht in de samenstellende kleuren. Astronomen gebruiken hiervoor meestal een graat die ongeveer hetzelfde effect heeft. Bron: Wikipedia/public domain
hyceaanse planeet biomarkers via spectrografie vinden
Gloeiende natriumdamp is geel. Het spectrum bestaat uit twee smalle gele lijnen vlak naast elkaar (a). Als je met licht door natriumdamp schijnt, zie je dit in het spectrum: twee zwarte lijnen in het geel, waar het natrium het licht absorbeert. Dit is de chemische handtekening van gasvormig natrium

Er bestaan enkele moleculen die zich van nature bijna nooit vormen, maar wel veel door levende organismen geproduceerd worden. Meet je deze verbindingen in de atmosfeer, dan is dat een zeer sterke aanwijzing dat er leven voorkomt. Voor de hand liggende zijn verbindingen als zuurstof, ozon, lachgas en methaan. Hoewel op waarschijnlijk levenloze plekken als Jupiter methaan, en op Rhea, een ijsmaan van Saturnus, een zeer dunne zuurstofatmosfeer voorkomt. Dit is onze beste tool om te ontdekken of er leven voorkomt op hyceaanse planeten.

Duidelijk teken van leven

Interessantere verbindingen om dan op te letten zijn methylchloride en dimethylsulfide. Dit zijn verbindingen die aardse methaanbacteriën in zuurstofloze omstandigheden maken. Dus treffen we deze stoffen aan in het spectrum van de atmosfeer van een hyceaan, dan komt daar waarschijnlijk leven voor.

hyceaan
Artist impression van M. Kornmesser (ESA) van de exoplaneet K2-18b. In het spectrum van het licht van deze planeet ontdekten astronomen waterdamp, waterstof en helium. Dat maakt dit de meest waarschijnlijke kandidaat voor een hyceaanse wereld. -Via Wikipedia

Vanwege hun dikke atmosfeer zijn hyceaanse planeten een erg dankbaar object om deze techniek op los te laten. Daarom willen Madhusudhan en zijn team graag met de James Webb Space telescope de atmosferen van nabijgelegen Hyceaanse planeten afspeuren op deze biomarkers. Ontdekken we deze, dan zou dat sensationeel nieuws zijn. Het eerste buitenaardse leven. En er zijn behoorlijk wat van deze Hyceanen op astronomisch gezien korte afstand: 35 tot 150 lichtjaar. Wat ver voor een weekendtripje, maar dichtbij genoeg om hun atmosfeer te scannen.

hyceaanse planeten
Ondertussen, acht jaar later, hebben we tienduizenden exoplaneten ontdekt. Daarom weten we dat er een nieuwe planeetklasse bestaat naast de superaarde en Neptunusachtige: de hyceaan. Bron: PHL, Arecibo Space telecope team

Verder lezen

Bronnen

1. Nikku Madhusudhan, Anjali A. A. Piette, Savvas Constantinou, Habitability and Biosignatures of Hycean Worlds, ArXiv.org preprint (nu gepubliceerd achter paywall in Astrophysics Journal). De betaalde versie kan je vinden op Nikku Madhusudhan, Anjali A. A. Piette, and Savvas Constantinou. ‘Habitability and Biosignatures of Hycean Worlds.’ The Astrophysical Journal (2021). DOI: 10.3847/1538-4357/abfd9c

2. New class of habitable exoplanets are ‘a big step forward’ in the search for life, University of Cambridge Research, 2021

Draadloze energie nu echt binnen bereik

Worden elektriciens werkeloos, nu er een revolutionair systeem voor draadloze energie is uitgevonden? Onderzoekers van de Universiteit van Michigan en de Universiteit van Tokio hebben een systeem ontwikkeld om veilig elektriciteit via de ether te leveren.

Draadloze energie tot 50 watt

Dit systeem, wat de onderzoekers “room-scale magnetoquasistatic wireless power transfer” noemen, kan elektronica in een heel huis of ander gebouw van draadloze energie voorzien. Volgens een nieuw onderzoeksartikel, gepubliceerd in Nature Electronics, kunnen magnetische velden door middel van deze technologie 50 watt vermogen leveren. Een van de auteurs, hoogleraar informatica en techniek Alanson Sample, zegt dat de technologie niet alleen telefoons en laptops bevrijdt van de eeuwige snoeren.

Maar, en dat is heel belangrijk, ook geïmplanteerde medische apparaten van stroom kan voorzien. En, ook, op deze manier, nieuwe mogelijkheden biedt voor mobiele robotica in huizen en fabrieken. het grote probleem bij kleine draadloze apparaten is de energievoorziening. Iedere bezitter van een telefoon of ander draadloos apparaat weet daar alles van.

Draadloze energie, zowel op grote als op kleine schaal

Het team heeft het systeem ook uitgetest in ruimtes die kleiner zijn dan een complete kamer. Bijvoorbeeld een gereedschapskist voor computers en andere gadgets. Maar de grootste waarde heeft dit natuurlijk voor medische implantaten. Een pacemaker, bijvoorbeeld, of misschien een geïmplanteerde insulinepomp. Op dit moment krijgen hartimplantaten meestal hun stroom via een draad, waardoor er een gat nodig is voor de draad. Met alle risico’s voor infectie van dien.

Werkzaamheid in een kamer

De technologie werkt gedemonstreerd door het team van de universiteit van Tokio in de kamer van ongeveer 3 bij 3 meter.

Het maakt niet uit waar je je apparaten zijn, overal in deze kamer blijven ze werken. en waar de meubels en mensen zich in de kamer ook bevonden. Dat is anders dan bijvoorbeeld met de hier eerder beschreven technologie van Xiaomi, die werkt met behulp van richtbundels.

Het vermogen is ook veel groter. Apparaten die werkten over deze nieuwe technologie waren onder meer lampen, ventilatoren en mobiele telefoons.

draadloze energie
Elk apparaat in deze kamer werkt met draadloze energie, die op wordt gewerkt via de elektrische geleidende wanden. Bron Universiteit Michigan

Systeem zonder schadelijke microgolfstraling

Dit systeem is een grote verbetering ten opzichte van bestaande draadloze technologie. Daarbij wordt bijvoorbeeld mogelijk schadelijke microgolfstraling gebruikt of moeten apparaten op speciale oplaadpunten geplaatst. In plaats van deze technologie gebruikt dit systeem elektriciteit geleidende wanden in de kamer, die oscillerende magnetische velden opwekken. Dit magneetveld wekt stroom op in de ontvangende elektrische spoel in het apparaat in kwestie, waar het apparaat op werkt.

Draadloze energie van gereedschapskist tot grote productiehal

Het systeem kan gemakkelijk worden opgeschaald naar grotere toepassingen, zoals productiehallen en kantoren, stellen althans de onderzoekers. Je hoeft alleen een elektrisch geleidend oppervlak op de muur te spuiten of aluminiumfolie aan te brengen en je bent zogezegd in business. We kunnen dus stellen dat met deze technologie aluhoedjes het laatst lachen.

Maar hoe werkt het systeem?

Het geheim is een uitgekiende combinatie van spanning in een bepaalde frequentie, condensatoren en geleidende wanden. De onderzoekers slaagden er in twee driedimensionale magnetische velden op te wekken, door rekening te houden dat met de resonantie van de kamer. Bij deze kamer van 3 m groot is dat ongeveer 1.300.000 Hz. Het eerste veld cirkelt rond het centrum van de kamer, het tweede veld gaat van hoek tot hoek. Het gevolg is dat in ieder deel van de kamer ongeveer evenveel wisselende magnetische velden op worden gewekt, waardoor een apparaat op elke plek in de kamer werkt.

De efficiëntie van dit systeem is ongeveer 37,1%. Dat is natuurlijk slecht nieuws voor het milieu, maar in principe gebruiken kleine huishoudelijke apparaten veel minder energie dan grootgebruikers als de douche, de verwarming en vervoer.

Elektriciens hoeven zich dus niet erg zorgen te maken. Ook dit systeem vergt nog de nodige installatie. Aantrekkelijk aan dit systeem voor draadloze energie is wel dat het zowel in nieuwbouw als bestaande huizen toegepast kan worden.

:

Bronnen

  1. ‘Charging room’ system powers lights, phones, laptops without wires, University of Michigan News, 2021
  2. Takuya Sasatani, Alanson P. Sample, Yoshihiro Kawahara. Room-scale magnetoquasistatic wireless power transfer using a cavity-based multimode resonator. Nature Electronics, 2021; DOI: 10.1038/s41928-021-00636-3

regering van nationale overeenstemming

Regering van nationale overeenstemming, uitweg uit de crisis?

Politieke partijen zijn het over veel dingen oneens, maar over veel dingen ook roerend eens. Kan een regering van nationale overeenstemming de problemen oplossen? Een verkenning, hoe een regering van nationale eenheid zou kunnen werken.

Grote polarisatie maakt Nederland onbestuurbaar

Op dit moment is er een grotere polarisatie in de Nederlandse politiek en ook in andere westerse landen. Progressieven en nationalisten zien elkaar niet meer als gesprekspartners met wie ze tot overeenstemming moeten komen, maar als gezworen vijanden. Zo sluiten steeds meer partijen elkaar uit kabinetsformatie. Het vervelende is dat daardoor steeds langer Nederland zonder regering zit met een mandaat van de kiezer. Voor de regering in kwestie is dat natuurlijk erg prettig. Want zo kunnen ze langer door regeren zonder dat de kiezer of het parlement ze controleren. Maar uit democratisch oogpunt is dit een enorm probleem.

Waarom we ons meer op overeenstemming in plaats van op verschillen moeten richten

De voornaamste oorzaak is, denk ik, dat we ons teveel richten op de tegenstellingen. En niet op wat we gemeenschappelijk hebben. Wat we nodig hebben is geen vechtkabinet, maar een regering van nationale overeenstemming. Zo zijn zowel rechtse partijen als de PVV en linkse partijen als de SP het roerend met elkaar eens dat er meer huizen gebouwd moeten worden. Kritiek op de wel erg rigoureuze covid-19 maatregelen van het kabinet vind je zowel ter linker (Bij1) als ter rechter (FvD) zijde.

regering van nationale overeenstemming
Er zit nu een recordaantal kleine partijen in de kamer. Met een regering van nationale overeenstemming wordt Nederland weer regeerbaar. Bron van deze afbeelding: Partij voor de Republiek

:Het probleem is natuurlijk dat politiek geen markt is. Weliswaar moet je om je politieke partij aan de man te brengen de nadruk leggen op de speciale voordelen die jouw politieke partij heeft, maar dat zijn heel andere dingen dan nodig is om een land te besturen.

We kunnen er bijvoorbeeld prima mee leven dat er in dit land mobiele telefoons van 30 verschillende merken worden verkocht, omdat op deze verschillende merken gebruikmaken van hetzelfde netwerkprotocol om met elkaar te communiceren. Dat gezamenlijke netwerk protocol van politieke partijen ontbreekt een beetje en dat is een groot probleem. We kunnen het met elkaar oneens zijn, maar we kunnen dit land niet in 20 stukken knippen.

Regering van nationale overeenstemming met de vijf grootste partijen

Daarom is de beste oplossing om een regering van nationale eenheid te vormen met de vijf grootste partijen. Dat zijn de VVD, D66, PVV, CDA en SP. In tegenstelling tot ingewikkelde coalitieonderhandelingen wordt het in dit geval eigenlijk heel simpel. De vertegenwoordigers van de vijf partijen leggen de verkiezingsprogramma’s van de partijen naast elkaar. Daarna strepen ze alles weg wat niet in het verkiezingsprogramma van de andere vier partijen voorkomt. of, wat niet in het verkiezingsprogramma van minstens drie andere partijen voorkomt. Dan blijft er een aantal punten over waar alle vijf partijen het mee eens zijn. Dat wordt dan het regeerakkoord.

Gordiaans referendum als breekijzer, als de regering van nationale overeenstemming er niet uitkomt

Deze regering van nationale overeenstemming moet zich beperken tot dingen waar men het over eens is en voor de rest gewoon niets doen. Doet zich een belangrijk probleem voordat niet in het regeerakkoord staat, en moet de regering een besluit nemen? Dan moeten we de autoriteit overlaten aan de ultieme machthebber in een echte democratie, namelijk de bevolking. Dus, een referendum uitschrijven en de bevolking laten beslissen. In dit soort gevallen bepaalt de meerderheid. Op die manier krijgen we een landsbestuur dat meer geleid wordt door gezond verstand in het nationaal belang en minder door ideologische stokpaardjes.

Bron

Polarisatie in Nederland: hoe verdeeld zijn we? UvA Nieuws, 2021

thermo-elektrische generator tin selenide

Thermo-elektrische generator: goedkoop energie uit warmte

Een thermo-elektrische generator zet afvalwarmte om in elektriciteit zonder uitstoot van broeikasgassen. Omdat afvalwarmte vrijkomt bij elk energieomzetting, is dit een droomtechnologie. Immers, gratis energie uit warmte waar we nu nog bijna niets mee kunnen.

Niet voor niets worden onder meer de Marsrovers door middel van deze technologie, en natuurlijk vijf kilo uiteenvallende gloeiend hete plutonium, van stroom voorzien. Maar tot nu toe belemmeren de hoge kosten van deze apparaten hun wereldwijde gebruik. Dat is jammer, want bijvoorbeeld is een gas- of kolencentrale gaat tweederde van de energie verloren als warmte.

Zouden we die warmte voor een deel kunnen omzetten in elektriciteit, dan zou dat enorm veel CO2-uitstoot en vervuiling schelen, want dan kunnen we met minder brandstof, dezelfde hoeveelheid elektriciteit produceren. Goed nieuws, dat moment komt nu veel dichterbij.

Hoe werkt een thermo-elektrische generator?

Met warmte kan je alleen wat als er een temperatuurverschil is. Hoe groter het temperatuurverschil, hoe hoger het percentage van de afvalwarmte dat je in nuttige energie om kan zetten. Een beetje het omgekeerde principe van een koelkast, waar je juist een warmtepomp gebruikt om een temperatuurverschil te creëren. De gloeiendhete brok plutonium, bijvoorbeeld, verschilt enorm in temperatuur van de koude omgeving op Mars. Daarom is er een enorm temperatuurverschil, en kunnen de thermo-elektrische generatoren op de rover een heel hoog percentage van de energie in de vrijkomende warmte uit het plutonium, aftappen.

Thermo-elektrische generatoren maken gebruik van een temperatuurverschil om vrije energie op te wekken. Aan de ene kant van de generator zit een warme kant, aan de andere een koele kant. Elektronen bewegen zich vrij in een geleider. Maar vrije elektronen hebben ook een bepaalde temperatuur. Je kan je als het ware de elektronen voorstellen als een soort gas in het metaal.

thermo-elektrische generator schema
Zonder bewegende onderdelen maakt een thermo-elektrische generator elektriciteit uit warmte. Bron: Ken Brazier en C.M. Cullen, Wikimedia Commons (CC BY-SA 4.0)

Wordt het “elektronengas” heter, dan oefent het een druk uit van het hete deel naar het koude deel. Nu zijn er in een thermo-elektrische generator twee materialen: P (van positief) en N, van negatief. Het P-materiaal bevat gaten in het kristalrooster (atomen met een elektron te weinig om hun schil compleet te krijgen). Vaak wordt natrium daarvoor gebruikt. Een natriumion heeft een elektron te weinig. Het N-materiaal bevat juist extra atomen met extra elektronen (atomen met een elektron te veel). Bijvoorbeeld broomionen, die een extra elektron hebben, zoals hier.

Stroom uit warmte

Het gevolg is dat door het warmteverschil, en de druk van de hete elektronen, de elektronen van warm naar koel stromen. In het N-materiaal merk je dit als een stroom van heet naar koud. Maar in het P-materiaal slepen de elektronen de “gaten” ook met zich mee, van heet naar koud. Hier ontstaat daardoor juist een stroom de andere kant op, want gaten zijn een negatieve stroom. Het gevolg is dat er een spanning ontstaat, met stroom. En presto, daar is je gratis elektrische energie.

Thermo elektrische generatoren geleiden goed stroom, maar slecht warmte. Deze combinatie van materiaaleigenschappen komt weinig voor. Metalen, bijvoorbeeld, geleiden ook goed stroom, maar ook goed warmte. Er zijn ook veel materialen,. zoals diamant, die slecht stroom geleiden, maar warmte juist goed. En natuurlijk materialen die allebei slecht geleiden, zoals de meeste stoffen: de isolatoren.

Het grote voordeel van thermo-elektrische generatoren is dat ze zo eenvoudig van opbouw zijn. Ze bevatten namelijk geen bewegende onderdelen, het zijn lagen materiaal. Een stirlingmotor zet ook afvalwarmte om in elektriciteit, maar zit veel ingewikkelder in elkaar en beweegt, dus is storingsgevoelig.

Goedkope, efficiënte thermo-elektrische generator

Onderzoekers hebben nu een manier gevonden om goedkope thermo-elektrische generatoren te maken, die even efficiënt zijn als de bestaande, zeer dure modellen. Groot nieuws, want als je extra energie kan persen uit de vrijkomende afvalwarmte, schiet het rendement van veel apparaten omhoog. Op dit moment staat het record qua efficiëntie op een waarde van tin-selenide, met een “figure of merit” van 3,1, door een team onder leiding van Mercouri Kanatzidis.

Deze waarde is twee keer zo hoog als van bestaande, vaak veel duurdere materialen. Tin en selenium zijn met een kiloprijs tussen de twintig en veertig euro veel goedkoper dan exotische materialen als tellurium of zeldzame aarden. De vorige recordhouders.

Kan je dus een thermo-elektrische generator van tin-selenide bouwen, dan kan je deze op grote schaal toepassen en betekent dat in feite dat je een grote bron van energie hebt. Wel moet deze verbinding op hoge temperatuur worden toegepast, rond de duizend graden, om deze hoge efficiëntie te bereiken. Dat heeft dan weer te maken met de specifieke materiaaleigenschappen van deze verbinding.

thermo-elektrische generator van tinselenide
Tinselenide (SnSe) is de beste thermo-elektrische generator die we kennen. Bron: Northwestern University

Zuurstofvrij samenvoegen

Pogingen om tinselenide op grotere schaal werkend te krijgen mislukten. In het experiment waarmee Kanatzides de 3,1 haalde, behaalde hij dat resultaat met een groot kristal tinselenide. Helaas is dat kristal erg zwak en breekbaar. Polykristallijn tinselenide is minder bros, maar helaas, het rendement daalde tot een lage ZT-waarde van 1,2.

Kanatzidis ontdekte nu de oorzaak. De tin reageerde met de zuurstof uit de lucht en vormde een laagje tinoxide van een paar atomen dik. En dat is nu juist wel een goede warmtegeleider. Daardoor vormden zich warmtelekken in het materiaal. Door het proces in een zuurstofvrije atmosfeer plaats te laten vinden, vormde zich geen tin oxide en stopte het weglekken van warmte. Zo behaalde het team van Kanatzidis alsnog de 3,1 efficiëntie. Zelfs nog met een lagere warmtegeleiding dan met een massief kristal tin selenide.

Er moeten nu nog twee technische uitdagingen worden overwonnen. Het produceren van polykristallijne P- en N-materialen van tin selenide. Een andere groep onderzoekers (team-Zhao) is dat al gelukt met monokristallijn N-materiaal. Het team Kanatzides is nu bezig hier een polykristallijne versie van te maken. Als dit ook met het P-type lukt, is de heilige graal van de energieopwekking uit warmte een stuk dichterbij.

Bron

Zhou, C., Lee, Y.K., Yu, Y. et al. Polycrystalline SnSe with a thermoelectric figure of merit greater than the single crystal. Nat. Mater. (2021). https://doi.org/10.1038/s41563-021-01064-6