elektromagnetisme

Zonnekokers maken gebruik van geconcentreerd zonlicht. Mogelijk gaan we concentrators nog veel meer zien nu onderzoekers een manier hebben ontdekt om met glas zonlicht rechtstreeks in stroom om te zetten.

Zonlicht omgezet in elektriciteit zonder zonnecel

3 reacties / Wereld, Wetenschap / Door / 15 april 2011

In een baanbrekende ontdekking zijn onderzoekers van de universiteit van Michigan er in geslaagd om een proces te ontwikkelen om zonlicht in elektriciteit om te zetten zonder gebruik te hoeven mken van halfgeleiders. In principe is zelfs een materiaal als vensterglas voldoende.

Zonnekokers maken gebruik van geconcentreerd zonlicht. Mogelijk gaan we concentrators nog veel meer zien nu onderzoekers een manier hebben ontdekt om met glas zonlicht rechtstreeks in stroom om te zetten.
Zonnekokers maken gebruik van geconcentreerd zonlicht. Mogelijk gaan we concentrators nog veel meer zien nu onderzoekers een manier hebben ontdekt om met glas zonlicht rechtstreeks in stroom om te zetten.

Halfgeleiders niet meer nodig
Bestaande zonnecellen werken door middel van halfgeleiders. Een elektron absorbeert een foton en gebruikt de energie in het lichtgolfpakketje om over een barrière heen te springen Door het elektron weer terug te laten vloeien wordt stroom opgewekt. Helaas is dit proces niet erg efficiënt (de maximale opbrengst bij één laag ligt rond de 31%) en zijn halfgeleiders erg kostbaar.
Onderzoekers van de universiteit van Michigan beweren nu een fundamenteel nieuw principe te hebben gevonden om stroom uit zonlicht te halen. Hierbij maken ze gebruik van het feit dat licht bestaat uit een elektrisch en een magnetisch veld die elkaar voortdurend afwisselen. In de bestaande toepassingen wordt gebruik gemaakt van het elektrische veld. De onderzoekers ontdekten echter dat in een isolator (een materiaal dat geen stroom geleidt, zoals vensterglas), het magnetische effect honderd miljoen maal sterker is dan tot dusver gedacht. Zo sterk zelfs dat het vergelijkbaar is met het elektrische effect.
Saillant detail: dit effect is voor meer dan een eeuw over het hoofd gezien. En dat opent mogelijkheden.

Magnetisch effect wekt cumulatieve spanning op
Door de magnetische effecten krijgen de elektronen een C-vorm, waardoor een dipool (gesplitste positieve en negatieve lading) ontstaat. De C’s verschuiven langzaam. Wanneer voldoende van deze C’s achter elkaar komen te staan, worden de zwakke voltages bij elkaar opgeteld en kan de ontstane spanning af worden getapt. Er zijn nog wel enkele technische problemen. Zo vereist standaard glas een lichtintensiteit van tien miljoen watt per vierkante centimeter om dit effect op te wekken. Ter vergelijking: midden op de dag aan de rand van de atmosfeer is de zonne-intensiteit 0,14 watt per vierkante centimeter, bijna honderd miljoen zo weinig dus. Bij zeer hoge intensiteiten krijg je in optische materialen veranderingen in brekingsindex, wat leidt tot focusing en mogelijk smelting van het transparante medium, maar mogelijk hebben de onderzoekers hier toch rekening mee gehouden.

De onderzoekers denken het lichtintensiteit-probleem op te kunnen lossen door een ander materiaal te kiezen waarbij de minimum intensiteit dichter in de buurt komt van die van zonlicht. Een groot deel van de energiekloof is te overbruggen door zonlicht te concentreren. Op dit moment wordt in het experiment ongeveer 1% van laserlicht in elektriciteit omgezet. De onderzoekers verwachten dat met andere materialen de efficiëntie op kan lopen tot tien procent, de efficiëntie van goedkope zonnepanelen. Het grote voordeel van dit principe is dat geen verfijnde technologie nodig is, maar dat met goedkope bulkmaterialen kan worden gewerkt. Dit zou, als de onderzoekers inderdaad slagen in het vinden van goedkope materialen met verbeterde opto-magnetische eigenschappen, wel eens de doorbraak kunnen zijn waarop zonne-energie enthousiasten al die jaren hebben gehoopt. Eindelijk een einde aan smerige olie, stinkende kolencentrales en levensgevaarlijke kernenergie?

Bronnen
Zaplog
Science Daily
University of Michigan
Journal of Applied Physics

Met supergeleidend vacuüm zou je in principe enorme hoeveelheden energie uit de ruimte naar de aarde kunnen transporteren.

Supermagneet verandert vacuüm in supergeleider

2 reacties / Universum, Wetenschap / Door / 16 april 2011

Volgens een bizarre, maar kwantummechanisch correcte theorie hoeven we helemaal niet zoveel moeite te doen om een materiaal te vinden dat op hoge temperatuur supergeleidend is. Met een extreem sterk magnetisch veld bereiken we hetzelfde effect, stelt Maxim Chernudub.

Hoe werkt het principe?
Het vacuüm is niet zo leeg als tussen het verdwijnen van de ethertheorie tot de komst van de kwantummechanica werd gedacht.  Wat op het eerste gezicht leeg lijkt, is in werkelijkheid gevuld met een ‘zee’  van virtuele spookdeeltjes die een fractie van een seconde bestaan en dan uiteenvallen. De effecten hiervan zijn al meer dan een halve eeuw geleden beschreven door de Nederlandse natuurkundige Hendrik Casimir.
Zodra een sterk veld in een vacuüm ontstaat, wordt er energie toegevoerd en zullen bepaalde virtuele deeltjes reëel worden. Elektrisch geladen virtuele deeltjes hebben een magnetisch spinmoment waardoor ze zich volgens de veldlijnen zullen polariseren. Deze deeltjes vormen een condensaat – ze gedragen zich als één geheel. Dat wat gebeurt in een supervloeistof of supergeleider.

Tot nu toe werden de berekeningen uitgevoerd waarbij rekening werd gehouden met W-bosonen. W-bosonen, de vectordeeltjes van de zwakke kernkracht, zijn extreem zwaar – honderd keer zo zwaar als het proton – en kunnen alleen in zeer zware deeltjesversnellers worden geproduceerd. Met andere woorden: een magneetveld creëren om een condensaat van W-bosonen uit het Niets te trekken is theoretisch vrijwel onmogelijk. Chernodub is bij zijn nieuwe berekeningen echter uitgegaan van rho-mesonen. Deze exotische deeltjes bestaan uit twee quarks: een upquark en een anti-downquark en zijn ongeveer 80% zo zwaar als een proton of neutron.

Met supergeleidend vacuüm zou je in principe enorme hoeveelheden energie uit de ruimte naar de aarde kunnen transporteren.
Met supergeleidend vacuüm zou je in principe enorme hoeveelheden energie uit de ruimte naar de aarde kunnen transporteren.

Hoe sterk moet het magnetisch veld hiervoor zijn?
Extreem sterk, althans zo mag je 1016 tesla noemen. Tesla is de SI-eenheid voor magnetische veldsterkte. Om een intuïtieve indruk te krijgen: het aardmagnetisch veld is enkele tientallen microtesla. De allersterkste permanente magneten halen met pijn en moeite aan hun oppervlak 1,2 tesla. Met vijftien tesla kan je een kikker laten zweven – een experiment waarmee de latere Nobelprijswinnaar Andre Geim de IgNobel prijs won. De monsterlijke grote supergeleidende elektromagneten die worden gebruikt in deeltjesversnellers en tokamaks halen maximaal 22 tesla. Het record (voor korte duur) staat op 100 tesla.
Russische onderzoekers haalden met een explosie voor zeer korte tijd 2800 tesla. De sterkste magneetvelden die we kennen in het universum zijn die rond de allersterkste magnetars, magnetische pulsars: 1011 tesla.

Dat dus maal honderdduizend. Hier zitten we dus nog een factor tien biljoen vanaf.  Gelukkig maar aan een kant, want zulke magnetische velden slaan zelfs atoomkernen in gruzelementen.
Volgens sommige theoretici heersten deze omstandigheden vlak na de Big Bang. Klopt dat, dan zouden de sporen zichtbaar moeten zijn in de achtergrondstraling en in de verdeling van materie in het heelal.

Wat zou je met supergeleidend vacuüm kunnen doen?
Een door zijn collega Kharzeev voorgestelde toepassing is het toevoeren van enorme hoeveelheden zonne-energie naar de aarde via deze gewichtsloze supergeleider. De hoeveelheid zonne-energie die op aarde neerkomt is weliswaar enorm, maar slechts een minuscule fractie van wat de zon uitzendt. Het verschil tussen een Kardashev-I en een Kardashev-II beschaving. Wel zou je dan verbijsterend grote hoeveelheden afvalwarmte moeten dumpen in de ruimte om op het op aarde leefbaar te houden.  Vermoedelijk is dit systeem alleen interessant voor Kardashev-II of Kardashev-III beschavingen om de energie van complete sterren of zwarte gaten lichtjaren ver weg te sturen voor een of ander wormgat of doomsday wapen. Ook moet men niet vergeten dat er behoorlijk wat energie in het vacuüm wordt gepompt op deze manier. En wie goed heeft opgelet tijdens de natuurkundeles: energie en massa zijn equivalent, dus die gewichtloosheid valt tegen…

Bron
New Scientist

Een watermolecuul. Het (hier roodgekleurde) zuurstofatoom trekt de elektronen naar zich toe dus is negatief geladen, de witte waterstofatomen juist positief.

Eendimensionaal elektrisch ijs geproduceerd

3 reacties / Wetenschap, Zonnestelsel / Door / 28 februari 2011

Water is één van de merkwaardigste substanties in het universum. Onderzoekers zijn er nu zelfs in geslaagd om ferroelektrisch ijs te produceren: ijs waarin watermoleculen zo zijn gericht dat ze een sterk elektrisch veld opwekken. Het ijs bestaat op dit moment nog in één dimensie: een rijtje watermoleculen achter elkaar.

Positieve en negatieve kant aan water
Watermoleculen bestaan uit een zuurstofatoom en twee waterstofatomen. De twee waterstofatomen zitten aan één kant (om precies te zijn: ze maken een hoek van 104,45 graden met elkaar, zoals u ongetwijfeld wilde weten), het zuurstofatoom aan de andere kant.

Een watermolecuul. Het (hier roodgekleurde) zuurstofatoom trekt de elektronen naar zich toe dus is negatief geladen, de witte waterstofatomen juist positief.
Een watermolecuul. Het (hier roodgekleurde) zuurstofatoom trekt de elektronen naar zich toe dus is negatief geladen, de witte waterstofatomen juist positief.

Omdat zuurstof veel harder aan elektronen trekt dan waterstof, krijgt de zuurstofkant een negatieve lading en de waterstofkant juist een positieve lading. Dit is trouwens ook de reden dat een zo licht molecuul als water bij kamertemperatuur een vloeistof is: de positieve waterstofkant en negatieve zuurstofkant van verschillende moleculen trekken elkaar sterk aan, zodat water niet zo snel verdampt.

Watermagie
Het waterijs zoals je dat in het dagelijks leven aantreft, vormt een soort kooien van waterstofmoleculen waarbij de positieve en negatieve ladingen elkaar precies uitbalanceren. Daarom is water elektrisch ook neutraal. Water in zeer dunne kanaaltjes op nanoschaal gedraagt zich echter totaal anders. De reden bijvoorbeeld dat reuzensequoia’s er in slagen om via hun capillaire haarvaten zonder ook maar één spier of pomp, water uit de bodem meer dan honderd meter hoog te transporteren. De onderzoekers Xia Zhao, Xiang-Jian Kong en La-Sheng Long van de Xiamen Universiteit zijn er in geslaagd water in een nanobuisje zo te bevriezen dat waterstof en zuurstof netjes op één rij liggen: ijs-XI. Bij vier graden vond de bevriezing plaats en vormde zich één dimensionaal, ferroelektrisch ijs. Hierbij liggen de watermoleculen allen precies in dezelfde richting.

Elektrisch ijsgeheugen
Door het elektrische veld om te draaien, tuimelen de watermoleculen om. Ze “onthouden” als het ware het veld en nemen het over, ongeveer zoals een stuk weekijzer het magnetische veld van een magneet die je er bij in de buurt houdt, overneemt: ze zijn ferro-elektrisch. Op Antarctica komt deze ijsvorm voor. Volgens sommige theorieën bevinden natuurlijke ferroelektrische ijsvormen zich ook op verre ijsrijke werelden als Uranus, Neptunus en Pluto. Het zou ongeveer honderdduizend jaar duren om driedimensionale vormen van ferroelektrisch ijs op te wekken. In het bestaan van een planeet een oogwenk, maar ver buiten de tijdsschaal van menselijke onderzoekers. Naast een eerste blik op deze bizarre en exotische ijsvorm, kunnen hiermee natuurlijk ook elektrische onderdelen en geheugens worden gebouwd.

Wie weet maken buitenaardse wezens die in een zeer koude omgeving leven wel gebruik van dit effect om ijscomputers en ijsradio’s te bouwen…

Bron: Physorg.com, PNAS

Neuronen communiceren niet alleen via de lange dendrieten, maar ook via elektrische velden.

Zwakke elektrische velden sturen ons brein

11 reacties / Mensheid, Wetenschap / Door / 7 februari 2011

Tot voor kort werd gedacht dat elektrische velden nauwelijks invloed hebben op ons brein. Dat blijkt niet te kloppen: elektrische velden blijken zelfs essentieel om groepen neuronen samen te laten werken. Hebben de verguisde aluhoedjes dan toch gelijk?

Ooit werd gedacht dat elektrische velden die door het afvuren van neutronen in ons brein ontstaan, een onbedoeld bij-effect zijn van de werking van neuronen. Dit blijkt niet te kloppen. De velden blijken zelfs een essentiële rol te spelen, namelijk bij het coördineren van groepen neuronen, ontdekten neurobioloog Kostas Anastasiou en zijn team (1). Dit betekent dus dat neutronen die niet onderling verbonden zijn, toch invloed op elkaar hebben.

Bekend is al dat (voor neurologische begrippen) sterke elektrische velden (denk aan honderd volt per meter), ontstaan door tegelijkertijd vurende neuronen, de oorzaak zijn van epileptische aanvallen. Het meten en reproduceren van de uiterst zwakke elektrische velden die veel vaker in de hersenen voorkomen is veel lastiger, de reden dat hier veel minder onderzoek naar gedaan is.

Neuronen communiceren niet alleen via de lange dendrieten, maar ook via elektrische velden.
Neuronen communiceren niet alleen via de lange dendrieten, maar ook via elektrische velden.

Wij nemen deze sterk wisselende velden waar als hersengolven, zoals alfa-, bèta- en thetagolven die een groot deel van de hersenen beïnvloeden, maar er bestaan ook zwakkere, kleinschaliger velden. De kleinste velden moeten gemeten worden met een groepje elektroden op een afstand van slechts vijftig micrometer van elkaar: de grootte van het hoofdcellichaam van een neuron (neuronen kennen immers communicatie-uitlopers, dendrieten, die tientallen centimeters lang kunnen worden).

Zelfs zwakke velden met een sterkte van enkele volts per meter blijken al grote invloed te hebben op de manier en het patroon waarop neuronen afvuren. Anastasiou denkt dat in de communicatie via deze elektrische velden wel eens de oplossing kan worden gevonden van de heilige graal in de neurowetenschap: de oorsprong van ons bewustzijn(2).

Grappig genoeg worden er op dit moment ook computers ontwikkeld die net als ons brein gebruik kunnen maken van deze lekken en zo energiezuiniger worden. Misschien moeten we de hardware van onze computers wel meer op die van het brein laten lijken – dus met deze lekvelden – om machinebewustzijn te ontwikkelen. Alhoewel er veel, heel veel, voor te zeggen is die doos van Pandora gesloten te houden.

Elektromagnetische velden om ons heen
Elektromagnetische velden blijken dus minder onschadelijk te zijn dan tot nu toe werd aangenomen. Ze blijken in staat om de manier waarop onze hersenen werken in verregaande mate te beïnvloeden. Weliswaar zijn ons bloed en andere lichaamsvloeistoffen zwak geleidend – wat redelijke elektrische afscherming geeft – maar er bestaan elektrische velden om ons heen die in de orde van grootte liggen van de door Anastasiou onderzochte waardes. Enkele voorbeelden: in hoogspanningsmasten is sprake van een wisselstroom van tienduizenden tot over 380.000 volt (3).

Statische elektriciteit produceert vaak een zeer sterk elektrisch veld, maar dit kan weinig kwaad: er ontstaat direct een tegengesteld gerichte lading op de huid. Magnetische velden daarentegen kunnen wel ons lichaam binnendringen. In ons lichaam wekken die als ze veranderen dan weer elektrische velden op. Ook stroomdraden, apparatuur, kortom zo ongeveer alles waar elektriciteit doorheen loopt, kan dus in principe ons zenuwstelsel beïnvloeden.

Volgens een (omstreden) onderzoek heeft hoogfrequente radiostraling, zoals in de buurt van wifi-modems, slechte gevolgen heeft op planten(4). Er zal verder onderzoek gedaan moeten worden naar de mate waarin magnetische velden ons lichaam kunnen binnendringen, maar tot die tijd lijkt voorzichtigheid met bronnen van elektromagnetische velden een erg goed idee.

Bronnen:

1. Ephaptic coupling of cortical neurons, Nature Neuroscience
2. Neural Communication: Weak Electrical Fields in the Brain Help Neurons Fire Together, ScienceDaily
3. Hoogspanning, Wikipedia
4. De waarheid rond wifi-straling en dode bomen, De Pers ex. WAU publicatie