Visionair – Pagina 358 – de blik op oneindig

Veel mensen voelen zich goed bij reiki, maar veel wetenschappers vinden deze techniek maar onzin.

Wat is het verschil tussen wetenschap en techniek?

8 reacties / Filosofie, Wetenschap / Door Germen Roding / 26 februari 2011 26 februari 2011

Door veel mensen worden wetenschap en techniek op één lijn gesteld. Geen wonder. Voor beide geldt: wil je ze op een hoog niveau beoefenen, dan moet je over behoorlijk vel wetenschappelijke achtergrondkennis over het desbetreffende onderwerp beschikken. Toch zijn er een aantal grote en essentiële verschillen tussen wetenschap en techniek…

Wat is wetenschap?
Wetenschap is geen kennis of cultuur, maar een bepaalde methode om aan betrouwbare kennis te komen. Centraal in het wetenschap bedrijven (althans: het zou centraal moeten staan want ook wetenschappers zijn maar mensen) is de wetenschappelijke methode, een proces waarmee wetenschappelijk getoetste kennis is te verzamelen. In het kort is dat: je doet waarnemingen, je bedenkt een verklaring voor die waarnemingen die ook eerdere waarnemingen kan verklaren, aan de hand van die verklaring doe je een voorspelling over de uitkomst van een bepaald experiment en vervolgens voer je dat experiment uit.

Er bestaat niet absoluut zekere wetenschappelijke kennis. Er kan altijd uit een experiment blijken dat de voorspellingen die we met onze huidige kennis doen, incompleet of onjuist zijn. Zo kon de zwaartekrachtstheorie van Newton, die al drie eeuwen goede diensten bewees, de afwijkingen van de baan van de planeet Mercurius niet verklaren. Er moest een nieuwe zwaartekrachtstheorie komen, de algemene relativiteitstheorie van Einstein, om deze waarnemingen te kunnen verklaren. De algemene relativiteitstheorie doet het tot nu toe goed: er is nog geen enkele waarneming gedaan die hiermee in strijd is. Hier kunnen we echter niet zeker van zijn. Op het moment dat we een verschijnsel waarnemen dat Einsteins pet te boven gaat, moeten we een betere theorie verzinnen die de bestaande plus de nieuwe waarnemingen kan verklaren.

Wat is techniek?
Techniek is een systematische methode om een bepaald doel te bereiken. Techniek berust op kennis. Technieken hebben een hard imago, maar dat is onterecht. Zo zijn er ook psychologische technieken, sociale technieken en dergelijke. In feite zijn rituelen mystieke technieken. Het geloof dat een medicijnman heeft in een bepaald kruidenmiddel is even groot als het geloof dat een moderne (allopathische) arts heeft in haar geneeskunst.

Een techniek kan puur empirisch zijn: gebruikers van de techniek weten dat de techniek werkt, maar niet waarom. Of verklaren om de verkeerde redenen waarom de techniek werkt (het gunstig stemmen van geesten, bijvoorbeeld). Traditionele landbouwtechnieken zijn een goed voorbeeld. Het platbranden van een stuk bos betekent dat veel mineralen vrijkomen als meststoffen voor gewassen, maar boeren in de Derde Wereld weten dit uiteraard niet. Hun voorouders leerden uit ervaring, misschien door uitproberen van hun zaden in een toevallig afgebrand bos, dat het werkt.

Iedere techniek heeft een bepaald gebied, het domein, waarin deze werkt. Bij empirische technieken is dit meestal erg beperkt. Zo is het niet slim om een stuk regenwoud op een berghelling plat te branden, want bij de eerstkomende moessonregen verandert de helling in een vernietigende modderlawine (zoals veel boeren hebben gemerkt). Ook kunnen empirische technieken alleen door uitproberen worden verbeterd en als je erg arm bent kijk je uiteraard wel uit, al te gevaarlijke experimenten te doen met je bezittingen (of je stamhoofd, de priesters en de geesten boos te maken). Geen wonder dus dat er in duizenden jaren maar weinig vooruitgang werd geboekt. Pas kort geleden kreeg techniek een krachtige helper: natuurwetenschap.

Wat hebben wetenschap en techniek met elkaar te maken?
Wetenschap helpt verklaren waarom bepaalde empirische technieken werken: de kennis waarop technieken zijn gebaseerd wordt groter en betrouwbaarder. Dit is van onschatbare waarde voor de techniek, immers zo kunnen technici doelgericht zoeken naar verbeteringen en het toepassingsgebied vergroten. Ook helpt dit nieuwe technieken te ontwikkelen. Toen eenmaal bekend was dat de oogsten zo hoog werden door plantenas, konden scheikundigen op zoek naar het geheime ingrediënt (onder meer kalium) en op zoek gaan naar kalirijke gesteenten om als kunstmest te gebruiken. Door kunstmest te gebruiken bleven de oogsten hoog.
Wetenschap helpt ook technieken nauwkeuriger te maken. Hoe beter je het syteem waarin de techniek werkt begrijpt, hoe beter de techniek is te sturen en hoe breder je de techniek kan toepassen.
Omgekeerd zorgt techniek er voor dat wetenschappers betere apparaten en dus nauwkeuriger experimenten kunnen doen: dankzij de techniek van het vloeibaar maken van helium werd supergeleiding ontdekt. Techniek en wetenschap leven dus in symbiose. Sterker nog: wetenschap zelf is een techniek.

Wetenschap kan ook gebruikt worden om de effectiviteit van technieken te onderzoeken en om technieken door te meten. Zo kan je er op wetenschappelijke wijze achterkomen waarom er elke vrijdag om half vier zulke beroerde schroevendraaiers uit je fabriek komen en of je nou beter ‘gewone’ of homeopathische medicijnen kan gebruiken bij de behandeling van een bepaalde ziekte.

Worden technieken waardeloos als de wetenschappelijke kennis achter de techniek verouderd is?
Apparaten blijven uiteraard nog steeds even goed werken, ook al is de wetenschappelijke kennis verbeterd.Wel komen er waarschijnlijk snel betere apparaten, gebaseerd op betere kennis.

De enorme zonnewijzer Stonehenge werkt na duizenden jaren nog steeds, al weten we ondertussen dat de zon niet rond de aarde draait maar de aarde rond de zon.

Paganisten vieren nog steeds midzomernachtswende op het moment dat het zonlicht door de spleet van Stonehenge valt. Omgekeerd werden de Hollanders onaangenaam verrast toen ze in Japan met kanonnen die exacte replica’s waren van hun eigen kanonnen werden beschoten. De Japanners begrepen weinig van de natuurkunde achter het kanon, maar door het exact na te bouwen, de techniek van de Hollanders over te nemen dus, kregen ze hetzelfde resultaat. Overigens bleken de Japanners uitstekende leerlingen die uiteindelijk hun leermeesters overtroffen. Nu zijn het andere landen die in Japan ontwikkelde wetenschap en techniek kopiëren.
Techniek en wetenschap zijn dus twee losstaande werelden, maar kunnen als ze samenwerken ongelofelijk veel tot stand brengen.

Op dit moment kunnen op Mars alleen overleven met een log drukpak. Misschien moeten we de mens genetisch zo veranderen dat dat niet meer hoeft.

Menssoort voor buitenaardse werelden

6 reacties / Ideeën en techniek, Mensheid, Zonnestelsel / Door Germen Roding / 26 februari 2011 26 februari 2011

We kunnen met heel veel moeite buitenaardse planeten geschikt maken voor bewoning door mensen. Er is echter ook een tweede oplossing. Waarom passen we mensen niet aan voor het klimaat op buitenaardse werelden?

De mens is lichamelijk erg geschikt voor een verblijf in de tropische en subtropische klimaatzone. Ons lichaam is in een dergelijk klimaat geëvolueerd. We kunnen alleen wonen in de rest van de wereld door het dragen van beschermende kleding. Hier op aarde zijn de vereiste aanpassingen maar klein. Zelfs op de onherbergzaamste bewoonde plaats op aarde, de Russische basis Vostok op Antarctica, is het met voldoende beschermende kleding en een verwarmde basis nog mogelijk voor mensen om in leven te blijven. Zelfs met zeer primitieve middelen is dit mogelijk: de Inuit in Noord- en Oost-Groenland overleven al vele eeuwen permanente vrieskou.

Rest van het zonnestelsel is dodelijk
Eenmaal weg van de aarde verandert dit. De qua temperatuur en zwaartekracht aangenaamste plaats, vijftig kilometer boven Venus, kent geen vaste ondergrond, een onadembare kooldioxideatmosfeer en dodelijke zwavelzuurwolken.

Een mens kan hier met een dun luchtdicht en zwavelzuurresistent pak overleven. De oppervlakte is met bijna honderd atmosfeer en vierhonderdvijftig graden Celsius zelfs voor onze tegenwoordige machines onleefbaar. De situatie op andere plaatsen in het zonnestelsel is nog beroerder. Mercurius kent met zeshonderd graden verschil tussen dag en nacht de grootste temperatuursverschillen van het zonnestelsel. De maan is net als Mercurius een luchtloze woesternij. Mars heeft ook nauwelijks atmosfeer, overigens vrijwel geheel bestaande uit het verstikkende kooldioxide en een klimaat dat veel wegheeft van Antarctica, maar dan met grotere extremen. Op al deze plaatsen is een drukpak noodzakelijk, in het geval van Mercurius ook een effectieve bescherming tegen de extreme zonnestraling.

De situatie elders in het zonnestelsel is nog grimmiger. De gasreuzen Jupiter en Saturnus kennen geen vaste oppervlakte en temperaturen op beide planeten komen pas boven nul op grote diepte, waar de gasdruk tien bar of meer is. De manen van Jupiter en Saturnus bestaan grotendeels uit ijs met gesmolten oceanen onder het kilometers dikke ijsoppervlak. Uranus en Neptunus zijn nog veel kouder, op Neptunusmaan Triton komen zelfs geisers van vloeibaar stikstof voor.

Ruimtepakken zijn lapoplossingen

Het nadeel van ruimtepakken en luchtdicht afgesloten ruimtebases is dat deze defect kunnen raken. Eén ramp en alle bewoners van de basis zijn ten dode opgeschreven. Op miljoenen kilometers afstand van de aarde is het sturen van nieuwe voorraden of bieden van noodhulp vrijwel onmogelijk. Terraformeren van een planeet vergt behoorlijk veel hulpbronnen, is in veel gevallen onpraktisch en is, als het al haalbaar is, een langdurig proces.

Knutselen aan de mens in plaats van knutselen aan een planeet
Als we er in zouden slagen een menssoort te ontwikkelen die zonder bescherming kan overleven op plaatsen als Mars of in de ijsmanen van Jupiter, of een techniek ontwikkelen om bestaande mensen zo om te bouwen dat ze hier in leven kunnen blijven, is het niet meer nodig om te proberen deze te terraformeren. Op een planeet als Mars zou je dan bijvoorbeeld kunnen denken aan een kunstmatige zuurstofgenerator, bijvoorbeeld m.b.v. een nucleaire batterij die de kooldioxide uit de atmosfeer omzet in zuurstof. Vlak onder de oppervlakte zijn grote watervoorraden, die meegenomen zouden kunnen worden. Ombouwen vereist echter nog steeds een eenentwintigste-eeuwse medische techniek. Bij echt ingrijpende kosmische ongelukken zal deze techniek er niet meer zijn.

Het is om die reden dat sommige geleerden meer zien in het genetisch manipuleren van de mens. In waterrijke gebieden op Mars kunnen (na heel wat intensieve genetische manipulatie) geharde plantensoorten (zeg, een soort korstmossen, gecombineerd met een wortel die de ondergrondse ijsvoorraden kan aanspreken) worden gekweekt die als voedselbron kunnen dienen. Zou er om welke reden dan ook wat gebeuren met de aarde en ook de interplanetaire communicatie en de technische voorzieningen op andere planeten stil komen te liggen, dan zouden in ieder geval de mensen op buitenaardse werelden kunnen overleven.

Tijdens de Deep Impact missie werd er een gat in een komeet geschoten. En interplanetair internet uitgetest.

Interplanetair internet op Mars en de maan

1 reactie / Wetenschap, Zonnestelsel / Door admin / 25 februari 2011 25 februari 2011

Internet heeft zich sinds de komst van het world wide web als een olievlek verspreid. Zelfs zuidpoolonderzoekers kunnen nu de hele dag (en die duurt daar erg lang) de meest zinloze Youtube filmpjes downloaden. Maar… the world is not enough…

Internet vormt de grootste bibliotheek ter wereld, ooit, vierentwintig uur per dag toegankelijk. Met internettoegang heb je overal ter wereld toegang tot deze bibliotheek. De weg zoeken in die bibliotheek is een ander verhaal, maar weet je eenmaal waar de informatie te vinden is dan kan je in principe zelfs de lastigste technische problemen oplossen. Kortom: precies waarover je in de ruimte wilt kunnen beschikken.

Lichtsnelheid
Geen wonder dus dat visionairen over de hele wereld hebben nagedacht over manieren om internet uit te breiden over het zonnestelsel. Het voornaamste technische probleem is de lichtsnelheid. De maan ligt op ‘maar’ 1,3 lichtseconde afstand van de aarde, maar communicatietijden lopen op tot langer dan een uur voor Jupiter en verder.

Het internetmodel waarin informatie vaak meerdere keren heen en weer wordt gestuurd werkt daarom niet in de ruimte. Interplanetair internet is daarom in kleinere subnets verdeeld (bijvoorbeeld alle maanrovers, satellieten en maanbases). Aanvragen binnen deze subnets worden real-time afgehandeld. Een werkgroep van NASA, ESA en andere ruimtevaartorganisaties, de Consultative Committee for Space Data Systems (CCSDS) heeft voor deze kortere afstanden Space Communications Protocol Specifications (SCPS) ontwikkeld dat veel lijkt op het op internet gebruikte IPv4.

Vertragingstolerante netwerken
Voor de enorme afstanden in het zonnestelsel werkt dit niet: zodra het verzoek van de zender is ontvangen moet de ontvanger in één keer de gevraagde informatie sturen in plaats van, zoals op internet, eerst contact te zoeken met een DNS server. Op, zeg, Jupitermaan Ganymedes ben je op die manier al gauw een week bezig om een enkele webpagina met plaatjes te downloaden. Om die reden is een heel ander netwerkmodel nodig dan het zeven-lagen OSI model dat aan de basis ligt van internet. De bovenste lagen zijn vervangen door “bundle service layering”. Hierbij wor4dt gebruik gemaakt voor een door NASA en defensieoonderzoeksbureau DARPA ontwikkelde uiterst fouttolerante communicatiemethode, delay-tolerant networking (DTN). DTN gooit bij zeer lange communicatie-onderbrekingen pakketjes niet weg, zoals TCP/IP van internet, maar bewaart ze en verstuurt ze opnieuw als de satelliet weer binnen bereik is. DTN is al succesvol uitgetest op aarde, waarbij communicatie met Mars is gesimuleerd. DTN is ook getest tijdens de Deep Impact missie naar een komeet op vele miljoenen kilometers afstand. Verbindingen hoeven niet meer met de hand te worden gelegd. Houston kan lekker gaan slapen.

DTN kent een nog interessantere optie. Grote hoeveelheden data kunnen naar een knooppunt worden gestuurd. Als een ruimteschip in de buurt van het knooppunt arriveert, kan het de ‘postbus’ legen en nieuwe data ter verzending klaarzetten. Dus al zijn ruimtereizen lang en eenzaam, af en toe is er een plezierige verrassing…

Ruis en slecht zicht is een enorm probleem op een slagveld. Amerikanen denken dit met kwantumverstrengeling op te kunnen lossen.

Wormtunnel in de zon?

1 reactie / Geopolitiek, Maatschappij, Wetenschap / Door Germen Roding / 25 februari 2011 25 februari 2011

Volgens Einsteins algemene relativiteitstheorie kunnen ze bestaan: wormtunnels. Verbindingen die twee ver van elkaar gelegen plekken in het ruimte-tijd weefsel met elkaar in contact brengen. In theorie zou je door een wormgat sneller kunnen reizen dan het licht. Nu denken een aantal fysici dat er mogelijk wormtunnels in de kernen van sterren zoals onze zon kunnen zitten – en dat we hiervan tekenen kunnen waarnemen.

Een eerdere voorspelling op basis van de algemene relativiteitstheorie – zwarte gaten – bleek uitgekomen te zijn. Alleen door aan te nemen dat het om zwarte gaten gaat, kunnen verschijnselen als de geheimzinnige radiobron in het centrum van de Melkweg Sagittarius A* en sterke rÃ¶ntgenbronnen als Cygnus X-1 worden verklaard. Deze objecten vertonen ook veel andere eigenschappen die aan zwarte gaten worden toegerekend. Vandaar dat natuurkundigen ook andere voorspellingen van de algemene relativiteitstheorie serieus nemen – waaronder dus het bestaan van wormgaten.

Volle wormgaten
Tot nu toe werd er in berekeningen van uitgegaan dat wormgaten leeg zijn. Lege wormgaten zijn instabiel en moeten me behulp van exotische materie (zo mag je een materiaal met negatieve energie wel noemen) opengehouden worden. E

Wormtunnels maken sneller dan licht reizen mogelijk. Maar... bestaan ze wel?

igenlijk is dit niet logisch. Wormgaten worden gevormd in een omgeving waar de massa zeer geconcentreerd is dus zullen waarschijnlijk vol materie zitten. Vladimir Dzhunushaliev van de Euraziatische universiteit in Kazachstan en enkele anderen hebben dit idee verder uitgewerkt. Met materie gevulde wormgaten zijn zwaar, dus gaan zitten waar zware objecten meestal uiteindelijk in terecht komen: het inwendige van sterren of neutronensterren. De zon, om maar een voorbeeld te noemen, bevat meer dan negenennegentig procent van alle massa in het zonnestelsel. Een dergelijke ster lijkt op het eerste gezicht erg op een “normale” ster. Toch zijn er volgens de onderzoekers een aantal opvallende verschillen.

Ster communiceert sneller-dan-licht met zusterster
Via het wormgat stroomt materie heen en weer tot de sterren evenveel massa hebben: het principe van de communicerende vaten. Deze twee sterren vormen vervolgens een soort Siamese tweeling die op een bizarre manier met elkaar communiceert – door het voortdurend heen en weer stromen van materie van en naar de andere ster ontstaan trillingen. Het gevolg: energieuitbarstingen die zeer sterke kosmische straling moet opleveren. Het betekent dus ook dat er een manier moet zijn om deze sterren op te sporen. Er is echter een maar. De berekeningen houden singulariteiten in – plaatsen waar de algemene relativiteitstheorie ophoudt te functioneren – en hiermee rekenen is uiterst lastig. Een wat te pittige uitdaging voor Dzhunushaliev en zijn team. Hopelijk zal het lukken om alsnog een geschikt theoretisch model op te stellen, zodat we op zoek kunnen naar “wormgat-sterren”.

Bronnen
ArXiv blog
ArXiv

Met extreem krachtige laserstraling is het in principe mogelijk de juiste kernreactie op te wekken. Eindelijk femtotechniek binnen bereik?

Alchemie met laserlicht

3 reacties / Wereld, Wetenschap / Door Germen Roding / 24 februari 2011 12 oktober 2011

Met extreem krachtige gammastraling kan je kernreacties veroorzaken en het ene type atoomkern veranderen in een ander, radioactief type, hebben onderzoekers aangetoond. Deze techniek belooft veel: er zijn geen gevaarlijke radioactieve bronnen of kernreactoren (zoals die in Petten) meer nodig en het allermooiste: er is nauwkeurig te bepalen welke kernreactie op gaat treden. De populairste isotoop, technetium-99, ligt helaas nog buiten bereik.

Alchemisten droomden er al in de middeleeuwen van: lood veranderen in goud. We weten nu dat het in principe kan: peuter zeven kerndeeltjes (drie protonen en vier neutronen) uit een loodkern en je houdt een goudkern over. Less is more. Het is alleen een beetje -erg- lastig. Ook omdat we niet nauwkeurig kunnen werken: atoomkernen ontploffen zeer onnauwkeurig en onvoorspelbaar. Op dit moment worden radioisotopen bijvoorbeeld geproduceerd door een brok uranium-235 te bombarderen met neutronen en dan via een moeizaam zuiveringsproces de goede isotopen er tussenuit te vissen.

Femtotechniek in actie
Met een fundamentele doorbraak denken de Japanse kernfysici Hiroyasu Ejiri en S. Date de alchemistische droom waar te kunnen maken. Dit is waarschijnlijk het eerste echte staaltje van femtotechniek op de planeet.

Hun recept: extreem-energierijke gammafotonen. Gammastraling is net als licht elektromagnetische straling, maar dan met een extreem korte golflengte en dus extreem veel energie: tot miljarden malen groter dan die van licht. Dat is ook wel nodig om een atoomkern uit elkaar te kunnen slopen. Ejuri en Date hebben ontdekt dat door een gammafoton op een kern af te schieten, deze in aangeslagen toestand komt en met bijna 100% efficiëntie een bepaalde kernreactie uit zal voeren. Volgens hun berekeningen kunnen ze de isotoop jodium-127 omzetten in de medisch toegepaste radioactieve isotoop jodium-126 (dus door I-127 een neutron uit te laten zenden).

Goudkoorts? Wacht nog even met je gouden sieraden te dumpen en naar je schuur te rennen. Er zijn helaas nog wat praktische bezwaren. Om gammafotonen van deze energie op te wekken moet je per deeltje een miljard elektronvolt meegeven. De meest voor de hand liggende manier is om elektronen met een miljard volt te versnellen. Met een elektronenkanon (zoals deze in oude TV’s voorkomt) haal je maar enkele tienduizenden en boven honderdduizenden volt krijg je meterslange bliksemschichten omdat de lucht doorslaat. We praten hier over tienduizend maal meer. Dat lukt alleen in een synchrotron – een miniatuurversie van de LHC die de elektronen met de juiste snelheid rond laat gaan en op minder energierijke gammafotonen botsen, zodat energierijke gammafotonen vrij komen. De maximale productie ligt rond de 10¹³ deeltjes per seconde, per gram is dat (afhankelijk van de atoomsoort) dus honderden tot duizenden jaren continu bedrijf. Ook is het idee nog niet in de praktijk uitgevoerd.

Uitkomst voor kankerpatiënten en anderen
Deze lage productie is echter nog steeds interessant voor medische radioisotopen. Deze worden in zeer kleine hoeveelheden gebruikt (bestraling en diagnose). Op dit moment worden deze in kernreactoren geproduceerd. Hier zijn er maar enkele van die de hele wereld van radioisotopen voorzien. Door een ongelukkige samenloop van omstandigheden viel in 1999 de Canadese reactor in Chalk River, Ontario uit die een groot deel van de wereld van technetium-99 voorzag. Het gevolg: grote tekorten. Ook om deze reden is deze ontwikkeling erg goed nieuws. We kunnen nu eindelijk de alchemistische droom waarmaken. Een kwestie van energie…
Het bedrijf Canadian Light Source is een onderzoek gestart om met rÃ¶ntgenstraling uit molybdeen-99 technetium-99 te bereiden[2].

Bron:
1. Arxiv.org/Technology Review
2. Physorg.com

Titan lijkt opmerkelijk veel op de aarde. Zij het dat de rotsen uit ijs bestaan en dat gastvrij ogende meer uit ethaan...

Kometen leverden atmosfeer aarde en Titan

2 reacties / Wereld, Wetenschap, Zonnestelsel / Door Germen Roding / 24 februari 2011 24 februari 2011

De aarde en Titan delen een aantal opmerkelijke overeenkomsten. De grootste maan van Saturnus beschikt als enige maan in het zonnestelsel over een atmosfeer en ook de oppervlakte van Titan doet opmerkelijk aardachtig aan. Zij het dat methaan de rol van water aanneemt. Beide zijn ook rijk aan stikstof. De reden is dat beide hemellichamen komeetinslagen te verduren hebben gehad, stellen de Spaanse planetair geologen Josep Trigo-Rodriguez en Javier MartÃn-Torres.

Stikstofatmosfeer
De aarde is opmerkelijk rijk aan stikstof. Opmerkelijk, want op de meeste andere terrestriële planeten (met uitzondering van Venus) is stikstof schaars.

Zo komt er op Mars maar een spoortje stikstof voor. Ook op Titan bestaat de atmosfeer hoofdzakelijk uit stikstof. En wat interessanter is: de samenstelling van de stikstof (stikstof bestaat uit diverse isotopen: atomen waarvan het aantal neutronen in de kern verschilt, maar die chemisch gelijk zijn) lijkt als twee druppels water op die van de aardse stikstof.

De aanwezigheid van stikstof is lastig te begrijpen. Immers: vlak bij de zon werden lichte elementen als waterstof en stikstof weggeblazen. De reden dat Venus haar oceanen kwijtraakte en nu een ziedende hel van kooldioxidedamp is.

Kometen brachten stikstof
We weten dat zowel de zon als Jupiter heel andere stikstof-isotoopverhoudingen hebben als de aarde, dus moet de stikstof van zowel de aarde als Titan uit dezelfde, onbekende bron afkomstig zijn. Die bron wordt gevormd door kometen, stellen de twee planetologen, want Titan is gevormd door het samensmelten van brokken ijs in een baan om Saturnus. Kometen zijn eveneens ijsbrokken, afkomstig uit de verre uithoeken van het zonnestelsel. Pas voorbij de asteroïdengordel is waterijs stabiel.

Vier miljard jaar geleden werd door het Late Heavy Bombardment het binnenste deel van het zonnestelsel geteisterd door deze brokken ruimtepuin, waaronder bevroren gassen als ammoniak en koolstofverbindingen. Deze brokken sloegen massaal in op de gasreuzen en aardachtige planeten. Enkele stikstofrijke ijsbrokken moeten op die manier de aarde en Venus een stikstofrijke atmosfeer hebben bezorgd. Probleem met deze theorie is dat gesteenteresten van 4,2 miljard jaar oud reeds duidelijke sporen van leven (isotoopverhoudingen koolstof) bevatten.

Waar de aardse stikstofatmosfeer tot op de dag van vandaag nog bestaat (met kooldioxide vervangen door zuurstof), is die op Venus aangevuld met zeer veel kooldioxide, afkomstig van vulkaanuitbarstingen.

Bronnen
Arxiv.org

Een puzzel van galactisch formaat: waarom draaien de sterren vlak bij het centrum zo langzaam?

Gedrag melkwegstelsels niet te verklaren met donkere materie

10 reacties / Universum, Wetenschap / Door Germen Roding / 24 februari 2011 24 februari 2011

De combinatie van donkere materie, onzichtbare massa die alleen door middel van haar zwaartekracht invloed uitoefent en donkere energie, die de plotseling snelle uitzetting van het heelal moet verklaren, is op dit moment het meest populair om het gedrag van het heelal te verklaren. Gasrijke melkwegstelsels, een type melkwegstelsel met weinig sterren maar veel gaswolken, blijken echter veel beter te beschrijven met de alternatieve zwaartekrachtstheorie MOND. Spannende tijden…

Het fundamentele probleem: waarom draaien de sterren aan de binnenkant van melkwegstelsels niet sneller rond?
Melkwegstelsels gedragen zich vreemd.

Volgens de zwaartekrachtstheorieën van Newton en Einstein moeten sterren die zich vlakbij het centrum van de melkweg bevinden veel sneller rond draaien dan ze in werkelijkheid doen. In het zonnestelsel is dat bijvoorbeeld zo: de binnenplaneet Mercurius beweegt veel sneller in haar baan dan de aarde. Dit blijkt echter niet te kloppen voor melkwegstelsels: buiten de ‘bulge’ blijken de omloopsnelheden van sterren veel minder sterk af te nemen dan voorspeld door Newton en Einstein. Iets moet er dus voor zorgen dat sterren zich zo vreemd gedragen.

Donkere materie?
Volgens donkere-materie aanhangers is dat onzichtbare materie: materie die we niet kunnen waarnemen, behalve door de zwaartekracht. Volgens theorieën hangt er rond elk melkwegstelsel een bolvormige wolk donkere materie. Sterren die ver van de kern afstaan, worden aangetrokken door bijna de hele wolk en draaien dus sneller dan sterren die vlak bij de kern staan (waar de aantrekkingskracht van het grootste deel van de wolk elkaar opheft – als je in het centrum van de aarde zou staan zou je ook niets wegen, dit heet de schilstelling). Donkere materie vliegt door ons heen zonder dat we er wat van kunnen merken. Volgens theorieën zou er vier keer zoveel donkere materie zijn als ‘gewone’ zichtbare materie. Een belangrijke uitdaging voor de moderne natuurkunde is het vinden van deeltjes die in aanmerking komen om als donkere materie dienst te doen.

Of kloppen onze zwaartekrachtwetten op grote schaal gewoon niet?
Andere kosmologen denken dat het verschijnsel wordt veroorzaakt omdat zwaartekracht zich op zeer grote afstanden anders gedraagt dan door Newton en Einstein voorspeld.

Het reusachtige elliptische melkwegstelsel NGC 1316 is vermoedt men ontstaan doordat gasrijke stelsels met elkaar botsten.

De populairste theorie is MOND, modified newtonian dynamics. MOND voorspelt redelijk nauwkeurig het gedrag van alle typen melkwegstelsels: elliptische stelsels, spiraalstelsels en onregelmatige stelsels. MOND bleek echter niet te kloppen voor nog grotere structuren zoals galactische clusters en superclusters (groepen melkwegstelsels). Ook een botsing van twee melkwegstelsels leverde gedrag op dat niet consistent was met MOND.

Een steuntje in de rug voor MOND is een recente ontdekking van astronoom Stacey McGouch dat MOND het gedrag van gasrijke melkwegstelsels nauwkeuriger verklaart dan welke donkere-materie theorie ook. Gaswolken vormen de kraamkamers van sterren: bevat een melkweg veel gas, dan kunnen zich hierin veel sterren vormen. Het probleem bij eerdere testen van MOND is het gebrek aan meetnauwkeurigheid van stermassa’s in melkwegstelsels. Dit probleem doet zich niet voor bij metingen aan gaswolken. De manier waarop gaswolken tussen sterren licht uitzenden is nauwkeurig bekend, waardoor de massa en rotatiesnelheden van de melkwegstelsels nauwkeurig geschat kunnen worden.
Deze metingen werden bij zevenenveertig gasrijke melkwegstelsels uitgevoerd en inderdaad bleek MOND de waarnemingen het beste te verklaren. Probleem blijft wel dat op zowel kleinere (tot de grootte van het zonnestelsel is MOND maar infinitesimaal weinig afwijkend) als grotere (het gedrag van clusters en superclusters) schaal de bestaande zwaartekrachtstheorieën nauwkeuriger zijn dan MOND. Wat dan de merkwaardige dans van melkwegstelsels wél verklaart? Wie hier het antwoord op weet, kan waarschijnlijk alvast gaan nadenken over wat hij met zijn Nobelprijs gaat doen…

Bron: Physorg/Arxiv

Detailhandel wordt weer maatwerk

Laat een reactie achter / Ideeën en techniek, Maatschappij, Nederland, Wereld / Door Germen Roding / 24 februari 2011 24 februari 2011

De binnensteden lopen leeg. De ene na de andere winkel sluit. De oorzaak: webwinkels bieden een grotere keus, meer gemak en lagere prijzen, want ze hoeven er geen duur pand en personeel op na te houden. Zijn alle winkels, een enkele gemakswinkel en supermarkt daargelaten, ten dode opgeschreven? Wel, er is nog hoop.

Zelfbedieningswinkels: eenmalige ontwikkeling?
In feite is het tegenwoordige systeem met zelfbedieningswinkels de uitzondering. Tot voor kort waren winkels waarbij de winkeleigenaar of personeel de klant hielp, de regel. Kleding, schoenen en meubels werden op maat gemaakt. De opkomst van de confectie-industrie vaagde de kleermakers weg. Kleding werd veel goedkoper (mensen bezitten nu zeker wel twintig keer zoveel kleding als twee eeuwen geleden) in massa-oplages vervaardigd. Nu wordt kleding in lage-lonen landen in elkaar genaaid onder vaak erbarmelijke omstandigheden en met containers tegelijk Europa binnengevaren. Het succes van confectie lijkt totaal. Of toch niet?

De terugkeer van kleermaker en schoenmaker
Op maat dingen maken is nu nog nooit zo makkelijk geweest.

Mensen worden qua smaak steeds verschillender, waardoor ze om hun identiteit uit te dragen ook unieke producten zoeken. Al even belangrijk: lichaamsmaten van mensen variëren sterk. De ‘one size fits all’-benadering van de confectie-industrie werkt niet voor mensen waarvan het lichaam teveel afwijkt van de norm. Maatwerk lost voor winkeleigenaars ook het voorraadprobleem op. Alle winkelruimte wordt besteed aan verkopen. Ook de tijd van winkelend personeel wordt effectiever besteed. Niet langer in mensen over proberen te halen iets te kopen, het beruchte zinnetje ‘kan ik u helpen’ is al door reclamemakers geparodieerd, maar in het daadwerkelijk vervaardigen van een product waar de klant behoefte aan heeft.

Bodyscanners en lasersnijders
Deze winkels zullen uitgerust worden met een lichaamsscanner die de lichaamsmaten van een klant precies opslaat in een soort biometrisch paspoort, maar dan voor kleding en schoeisel. Daardoor kan kleding altijd gegarandeerd passend worden gemaakt. In overleg met de klant kan een schoen of kledingsstuk naar wens worden samengesteld.Klanten zullen in de winkels de stof en de materialen van dichtbij kunnen bekijken, ze aanraken, ruiken en voelen. Een essentieel voordeel van een tastbare winkel boven een website.

Ook kan je je voorstellen dat zich een soort “klaar terwijl u wacht” service gaat ontwikkelen. Hiervoor moet de winkel niet alleen uitgerust zijn met een scanner, maar ook met een werkplaats waarin de schoen of het kledingsstuk snel op maart gemaakt kan worden. Je kan dan denken aan textielsnijders (eventueel op laserbasis), plooibare mallen en een gebruik van vloeibare kunststoffen of leersoorten die makkelijk in de gewenste vorm zijn te buigen.

Binnensteden zullen daarom in de toekomst stiller worden dan nu. Naast het steeds grotere aantal dienstverlenende kantoortjes zullen er ook winkels komen die maatwerk leveren en daardoor met een kleiner aantal, niet rondkijkende maar doelgericht kleding en schoenen ontwerpende, klanten toch het hoofd boven water kunnen houden.

Planten zoals maÃ¯s moeten hun uiterste best doen om voldoende CO2 uit de lucht te trekken.

Superplant of plantzilla?

1 reactie / Wereld, Wetenschap / Door Germen Roding / 23 februari 2011 23 februari 2011

Cyanobacteriën hanteren een slimme truc om beter kooldioxide te kunnen vangen. Onderzoekers willen deze truc nu overnemen in gewassen. Naar verwachting zal op deze manier de oogst een kwart tot dertig procent hoger komen te liggen. Voedseltekorten zijn dan voor even voorbij. Nu maar hopen dat dit gen niet overslaat op wilde planten en er superonkruiden ontstaan, zoals al eerder gebeurd is…

De CO2-hongersnood
CO2-haters, opgelet. Sinds honderden miljoenen jaren geleden grote hoeveelheden planten het kooldioxide uit de lucht vingen en dit uiteindelijk in de vorm van steenkool ondergronds werd opgeslagen, heerst er CO2-hongersnood in het plantenrijk.

De condities de laatste twintig miljoen jaar zijn zelfs slechter dan ooit voor planten. Een kwart van alle stikstof en de helft van alle bladeiwitten in een plant bestaat uit maar één eiwitenzym: rubisco, dat als enige taak heeft kooldioxide te vangen.

Planten doen dat niet voor niets. Een vervelende eigenschap van rubisco is namelijk dat het enzym bijna even graag zuurstof bindt als kooldioxide. Na een mutatie heeft planten-rubisco nu meer affiniteit voor CO2 dan voor zuurstof, maar is veel langzamer geworden. De reden voor de absurd hoge hoeveelheden van dit enzym:alleen zo produceren planten voldoende snel suikers uit zonlicht.

Bestaande strategieën
Planten kennen naast de ‘standaard’ C3-fotosynthese, twee technieken om meer kooldioxide te kunnen vangen: C4-fotosynthese en CAM-metabolisme. C4-planten vangen eerst met een efficiënter enzym CO2 en transporteren dit vervolgens naar een cel met rubisco. CAM-planten leggen ’s nachts (als er weinig water verdampt) CO2 vast om dit overdag de CO2 via rubisco te verwerken. Beide technieken kosten vanwege de extra tussenstap veel energie: alleen in hete klimaten komen veel C4-planten (veel grasachtigen zoals mais) en CAM-planten (zoals cactussen) voor.

De carboxysomen-techniek
Toen de eerste landplanten zich tot oerwouden ontwikkelden en massaal CO2 uit de lucht slurpten, betekende dat ook voor andere organismen die van fotosynthese leefden, zoals cyaanbacteriën (blauwalgen) kooldioxide-gebrek.

Blauwgroene algen overleven de CO2-hongersnood door CO2 op te slaan als carbonaat.

Deze groep organismen ontwikkelden andere trucs: het vastleggen van CO2 in carbonaten. Dit gebeurt door het enzym carbonaat anhydrase in carboxysomen, ‘zakjes’ in cyanobacteriën met deze gespecialiseerde deeltaak waar CO naar binnen wordt gepompt. Daardoor heersen in carboxysomen duizend maal hogere CO2 concentraties en konden ze toch nog met de oorspronkelijke, snelle versie van rubisco blijven werken.

Onderzoekers proberen nu deze carboxysomen in te bouwen in planten. Lukt alleen de eerste stap al: het inbouwen van de carboxysomale CO2-pomp in chloroplasten, dan kunnen planten al zo’n vijftien tot vijfentwintig procent sneller groeien, verwachten de onderzoekers. Een ambitieuzer doel is het dupliceren van het complete carboxysoom (plus de snellere vorm van rubisco) in planten. Dit zou de opbrengst in theorie nog veel groter maken, omdat de CO2-concentratie in de chloroplasten (de bladgroenkorrels, waar de fotosynthese plaatsvindt) dan nog verder stijgt. Misschien dat de oogsten dan zelfs verdubbelen.

Stikstofbinding
Planten hebben grote hoeveelheden stikstof nodig. Weliswaar bestaat viervijfde van de lucht uit stikstof, maar alleen bepaalde bacteriën kunnen hier voor planten opneembare nitraten en ammoniumzouten van maken. De reden dat peulvruchten en andere vlinderbloemigen wortelknolletjes ontwikkelen. Onderzoekers willen daarom het vermogen om stikstof te binden rechtstreeks in de bladgroenkorrels van planten inbouwen. Niet de meest voor de hand liggende plaats, want bladgroenkorrels produceren immers zuurstof en zuurstof ‘vergiftigt’ het enzym dat de luchtstikstof omzet. Vandaar dat wordt gewerkt aan een techniek die het stikstofbindingsproces alleen aanschakelt op plekken in de plant zonder zonlicht – de wortels. Ook hier geldt dat dit de opbrengst van gewassen enorm zal doen laten stijgen en de milieuvervuilende effecten van stikstofbemesting – de stank door het uitrijden van drijfmest, om een voorbeeld te noemen – opheft.

Gevolgen
Het verdubbelen van de landbouwproductie heeft onmiskenbaar enorme voordelen: zo komt er voorlopig een einde aan het toenemende voedselgebrek en kan er marginale landbouwgrond uit productie waardoor er grotere natuurgebieden kunnen komen.

Er zijn ook enkele ernstige nadelen. Stel dat één of meerdere van deze genen in verwante wilde gewassen terecht komen – zo groeit de wilde verwant van maïs, teosinte, in Mexico en kruist hier gemakkelijk mee. Verspreidt het gen zich naar een wilde plant, dan hebben we te kampen met een onkruid dat twee keer zo snel groeit als andere planten en in zijn eigen stikstof voorziet. Een dergelijk snelgroeiende plant heeft ecologisch gezien enorm sterke voordelen. Hij zal de concurrerende planten wegvagen en oerwouden van onuitroeibaar onkruid vormen. Ook weten we niet of deze planten eetbaar zullen zijn. We hebben per slot van rekening weinig ervaring met cyanobacteriën als voedingsmiddel: alleen de alg Spirulina wordt veel gegeten. Laten we maar hopen dat deze onderzoekers hun huiswerk beter doen dan degenen die het insektendodende Bt-eiwit in transgene planten inbouwden…

Bron: New Scientist

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

Kernenergie: redder uit de energie-nood?

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

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

Wat is het principe van kernenergie?

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

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

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

Instabiele kernen

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

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

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

Kerncentrales en hergebruik van uranium

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

Niet alleen erg wreed, ook erg dom

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

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

CANDU: kernenergie zonder atoombommen

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

Kweekreactoren: meer lol van je uranium

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

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

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

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

Thoriumreactoren

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