elektronica

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

Natuurlijk voorkomend koper. Wordt koper vervangen door koolstofnanobuisjes in stroomdraad?

Vervanger van koper gevonden

Koperdiefstallen zijn een steeds hardnekkiger plaag. Daar zou wel eens verandering in kunnen komen. Met deze revolutionaire ontdekking zijn onderzoekers er in geslaagd, een vervanger van koper te vinden: koolstof.

Natuurlijk voorkomend koper. Wordt koper vervangen door koolstofnanobuisjes in stroomdraad?
Natuurlijk voorkomend koper. Wordt koper vervangen door koolstofnanobuisjes in stroomdraad? Bron

Kopervervanger dringend nodig

Koper is een erg goede elektrische geleider. Van alle metalen geleidt alleen het nog schaarsere zilver, stroom nog beter. Geen wonder dat koper heel veel gebruikt wordt voor elektronica en stroomkabels. Vooral de sterke vraag uit China maakt nu dat een kilo koper al gauw meer dan zes euro kost en geen koperhoudend voorwerp meer veilig is voor het dievengilde.

Onderzoekers zijn er nu voor het eerst in geslaagd een vervanger voor koper te vinden.[1] Een materiaal dat stroom beter geleidt dan dit steeds schaarser wordende metaal dus. Het materiaal in kwestie is koolstof, dat in de vorm van steenkool, kooldioxide en carbonaten zeer veel op aarde voorkomt. Het wordt een stroomgeleider in de vorm van een oude bekende: koolstofnanobuisjes, die veel weg hebben van een opgerold stukje grafeen. Koolstofnanobuisjes houden ook al een andere record: het materiaal met de hoogste treksterkte ter wereld.

Jarenlang moeizaam onderzoek levert vervanger

Na jarenlang moeizaam werk zijn onderzoekers zo ver dat de stroomdichtheid van koolstofnanobuisjes even groot is als die van koper. Dat wil zeggen: per volume-eenheid. Per kilo scoort het materiaal zelfs zes keer beter omdat het veel lichter is. Individuele buisjes geleiden zelfs tien keer zo goed stroom als koper, maar technisch was het tot nu toe niet mogelijk uit koolstofnanobuisjes een dikke stroomkabel te maken. De experimenten zijn uitgevoerd met dubbelwandige buisjes, die makkelijker te maken en te bewerken zijn. De onderzoekers willen nu een stroomkabel ontwikkelen die veel beter stroom geleidt dan koper. Daarvoor moeten ze enkelwandige koolstofnanobuisjes tot een stroomkabel ziet samen te vlechten. Een lastige uitdaging.

Voordelen

Naast een einde aan het kopertekort, besparen de nieuwe, lichte kopervervangers ook veel gewicht. Goed nieuws dus voor vliegtuig- en ruimteschip bouwers. Koolstof is zeer resistent tegen corrosie, dus de koolstof stroomkabels kunnen ook in chemisch zeer vijandige omgevingen gebruikt worden. Als de onderzoekers de belofte van een veel beter geleidend alternatief voor koper waar kunnen maken, wat ze gaan proberen,  betekent dit dat de zeven procent energie die nu als transportverliezen verloren gaat in het hoogspanningnet, wordt gehalveerd of nog beter. Dit geldt des te sterker nog voor de stroomkabels in huis. De kans is dus aanwezig dat deze kabels overal in huis zullen opduiken en dat het koper weer wordt omgesmolten tot mooie standbeelden of munten. Wat moet je er anders mee?

Langzame opmars koper vervangers

De opmars van koolstofnanobuisjes als geleider bleek in de praktijk minder soepel te lopen dan eerst gedacht. Het is nog steeds erg duur om koolstofnanobuisjes in grote hoeveelheden te produceren, al dalen de prijzen. Begin 2021 liggen deze rond de 200 euro per kilogram. Dit is nog steeds vele malen meer dan koper. Wel is de dichtheid van koper veel hoger is dan die van koolstofnanobuisjes. En nog niet alle problemen zijn opgelost. Onderzoekers worstelen nog steeds met het aan elkaar aan laten sluiten van de buisjes. Zolang dat niet lukt, blijft er veel interne weerstand in de kabels zitten. Waarschijnlijk worden de eerste toepassingen die in ruimtevaart en vliegtuigen. Hier is gewichtbesparing erg belangrijk.

In 2019 was de “technical readiness level” bijna 3. Dat betekent, dat is aangetoond dat het principe werkt, maar er nog geen in het lab gevalideerd prototype is. [3] Ga dus voorlopig geen kopermijnen shortsellen. Maar op iets langere termijn zal koper waarschijnlijk de weg van het bakeliet gaan. Zeker, nu een grote fabrikant, Yazaki, al koolstofnanovezels in aluminium kabels verwerkt om deze even goed stroom te laten geleiden als koper [4].

Bron:
1. Yao Zhao, Jinquan Wei, Robert Vajtai, Pulickel M. Ajayan en Enrique V. Barrera, Iodine doped carbon nanotube cables exceeding specific electrical conductivity of metals, Nature Scientific Reports (2011)
2. Can Carbon Nanotubes Replace Copper?, Assembly magazine, 2016
3. George Slenski, Replacement of copper wiring with carbon nanotubes in aerospace applications, 2019
4. Danielle Szatkovski, How do you replace all that copper wiring, Automotive News, 2019

De werking van Li-Fi. Bron/copyright: Pure-LiFi.com

Li-Fi, razendsnel netwerken met ledlampje

De Schotse professor Harold Haas ontwikkelde een communicatiesysteem dat bijna te mooi is om waar te zijn en nog oersimpel bovendien. Li-Fi verslaat wifi op bijna alle terreinen met stukken.

Wat is Li-Fi?

Stel je voor, je kan een complete film downloaden in enkele seconden. Hiervoor hoef je geen netwerkkabel in je geplaagde laptopje te prikken. Of alle Wi-Fi kanalen van je router met obscure technische trucjes aan elkaar te knopen. Nee, het enige wat je hoeft te doen is het ding in het bereik van je lamp in het plafond te leggen. Die is namelijk door een kleine uitbreiding in de fitting omgetoverd tot een Li-Fi zender. De flikkeringen gaan honderden miljoenen malen sneller dan de mens waar kan nemen. De bandbreedte van Li-Fi is enorm: tienduizend keer zo groot als die van alle radiofrequenties samen. Technici van het Mexicaanse bedrijf Sisoft bereikten tot 10 Gb per seconde. Dat betekent: snel genoeg om een complete blu-ray film over te zenden binnen de vijf seconden. Sneller dan harde schijven zelfs.

De werking van Li-Fi. Bron: purelifi.com (fair use)
De werking van Li-Fi. Bron: purelifi.com (fair use)

Hoe werkt Li-Fi?

Centraal in Li-Fi staan twee welbekende elektronische componenten, de transistor en de LED,  en een minder bekende, de fotocel. Een datasignaal bestaat uit korte spanningspulsjes (de enen), waartussen spanningsloze periodes (de nullen) liggen. Kortom stroom. Een transistor (elektrofanaten kennen het ding met drie pootjes) laat alleen stroom door, als de stuurstroom met het datasignaal aan staat (het signaal 1 doorgeeft). De transistor laat dan stroom door naar de LED. Die gaat precies op de maat van het datasignaal knipperen. Dit is de complete zender. Deze bestaat dus uit welgeteld twee onderdelen. Dat is bij een wifi-modem wel anders.

Uiteraard moet het signaal ook ontvangen worden. Omdat ruis een probleem is, moet dit weggevangen worden. Dit vereist een ingewikkelder schakeling. Overigens nog steeds simpeler dan een wifi-ontvanger. Uiteraard moeten er ook communicatieprotocollen en dergelijke mee worden gestuurd, maar in feite is dit de gehele techniek.

Wat kan je met Li-Fi?

Li-Fi is te vergelijken met een onzichtbare glasvezelkabel. Gegevensuitwisseling tussen twee mensen wordt veel sneller. Door de eenvoud en de snelheid kunnen ook kleine gadgets, die het Internet of Things uit gaan maken, hiervan gebruik maken. Kabels leggen is nu in feite niet meer nodig, behalve wellicht van de modem naar de lamp. Want zelfs door de muur teruggekaatst licht blijkt nog 70 Mbit per seconde toe te laten. Dat is meer dan de meeste breedbandabonnementen nu. Je zou bij wijze van spreken de inhoud van een complete draagbare harddisk met duizend films in een paar uur via een ledlamp laten streamen en al je vrienden of collega’s zo kunnen voorzien van een jaar fulltime filmkijkplezier. Realistische virtual en augmented reality wordt hiermee een peulenschil. De bandbreedte is er nu gewoon.
Ook aantrekkelijk aan Li-Fi is de lage prijs, bij massaproductie tien keer zo goedkoop als wi-fi. Kortom: het lijkt erop dat Li-Fi het leven een stuk leuker gaat maken.

Hoe kan je zelf aan de slag met LiFi?

Helaas zijn de Pure-LiFi evaluatiekits voor deze veelbelovende technologie alleen beschikbaar voor grote bedrijven, en met 2500 euro nogal prijzig voor individuen en kleine ondernemers. Toch hebben we na enige speurwerk deze aanbieder in India gevonden. Het LiFi-knutselsetje van Research Design Lab is voor Nederlandse en Belgische begrippen betaalbaar – rond de 170 euro. Wel is de datasnelheid met max. 115 kb vrij mager. Waarschijnlijk kunnen handige hobbyisten dit systeem upgraden.

Voxel8: de eerste commerciële elektronicaprinter.

Eerste 3D printer ooit die elektronica print, ontwikkeld

3D printers nu zijn erg nuttig om voorwerpen in allerlei vormen en maten te maken, bijvoorbeeld een werkende opwindklok, maar afgezien daarvan, kan je er nog weinig mee. Electronica, bijvoorbeeld, ligt off limits. Daar lijkt nu verandering in te zijn gekomen.

In samenwerking met printgigant Autodesk heeft Voxel8 nu een printer ontwikkeld, die in staat is met elektrisch geleidend plastic te werken. Een tweede zeer waardevolle toevoeging is de mogelijkheid, de print gedurende het printproces stil te leggen, waardoor de gebruiker elektronische onderdelen, denk aan motortjes, printplaten of condensatoren, er in kan leggen. Na afronding van het printproces ontstaan zo apparaten, die zonder 3D printen niet gemaakt hadden kunnen worden.

Voxel8: de eerste commerciële elektronicaprinter.
Voxel8: de eerste commerciële elektronicaprinter.

Voor consumenten die weinig van elektronica afweten, vrijwel iedereen dus, of voor onbemande toepassingen in bijvoorbeeld ruimtevaartuigen, zou in een wat verdere toekomst ook een robotarmpje en magazijnen met standaard weerstandjes, condensatoren en andere elektroniche onderdelen toegevoegd kunnen worden. Dit zou echt ongekende mogelijkheden opleveren. Je zou dan wetenschappelijke meetinstrumenten ter plekke op een planeet of asteroïde uit kunnen printen. Een fiasco zoals op komeet 67/P met de Rosetta-missie zou tot het verleden behoren. Ook zou je zo zelfreplicerende mijnbouwfabrieken kunnen printen.

Supercondensator voor extreem hoge temperaturen. Komt Venus eindelijk binnen bereik? Bron: Rice Univ.

Klei als hoge-temperatuur supercondensator

Klei, een overvloedig aanwezig en goedkoop natuurlijk materiaal, is het hoofdingrediënt in een supercondensator die kan opereren op zeer hoge temperaturen, aldus  onderzoekers van de Texaanse Rice Universiteit die het apparaat  hebben ontwikkeld. Wordt op termijn robotverkenning van het Venusoppervlak mogelijk?

Het belang van supercondensatoren
Willen we motoren die op fossiele brandstoffen lopen vervangen door elektriciteit, dan moeten we in staat zijn minimaal evenveel bruikbare energie in een elektrisch opslagmedium op te slaan als in een even grote tank benzine. Lithium ion batterijen, op dit moment het minst slechte alternatief, presteren beroerd. Supercondensatoren, die elektriciteit niet als chemische energie maar als lading opslaan, zijn veelbelovende opvolgers. Mede omdat ze heel snel hun energie afgeven en een vergeleken met lithium-ion, niet veel lagere opslagcapaciteit hebben. Ze combineren voordelen van batterijen en condensatoren. Daarom is er veel interesse voor supercondensatoren.

Hoge-temperatuur supercondensator eindelijk mogelijk
Materiaalkundige Pulickel Ajayan meldde in het wetenschappelijke tijdschrift Scientific Reports, dat de door hen ontwikkelde supercondensator betrouwbaar is tot temperaturen van 200 graden boven nul en mogelijk zelfs boven deze grens. Dit maakt de supercondensator erg nuttig als energiebron voor toestellen die in zeer echte extreme omstandigheden werken, zoals bij olieboren, militaire toepassingen en de ruimte.

Supercondensator voor extreem hoge temperaturen. Komt Venus eindelijk binnen bereik? Bron: Rice Univ.
Supercondensator voor extreem hoge temperaturen. Komt Venus eindelijk binnen bereik? Bron: Rice Univ.

“Onze bedoeling is om afscheid te nemen van conventionele elektrolyten die beperkt zijn tot lage temperaturen,” aldus Arava Leela Mohana Reddy, hoofdauteur van het artikel en een voormalig collega van Pulickel Ajayan.

“Een membraanelektrolyt op basis van klei is een fundamentele doorbraak, die een van de belangrijkste beperkingen opheft voor elektronica om te functioneren in zeer hete omgevingen,” vult Reddy aan. Bijkomend voordeel is dat geen dure temperatuurregeling  meer nodig is.

Ionische vloeistoffen
Al vele jaren proberen onderzoekers om hoge-temperatuur energie-opslagmethoden te ontwikkelen. Dit is echter verre van gemakkelijk. Dat komt, omdat traditionele elektrolytische condensatoren gebruikmaken van vloeistoffen als water. Water en vergelijkbare vloeistoffen verdampen of vallen uit elkaar bij hoge temperaturen. Een ander probleem is dat de separatoren binnen condensatoren krimpen bij hoge temperaturen, waardoor er kortsluiting ontstaat. Een separator houdt beide polen van een batterij uit elkaar, waardoor geen kortsluiting kan ontstaan, maar ionen wel van de ene pool maar de andere pool kunnen reizen.

De Rice researchers geleid door Reddy and Rachel Borges losten beide problemen tegelijkertijd op. Eerst onderzochten ze room-temperature ionic liquids (RTILs) die in 2009 door Europese en Australische onderzoekers zijn ontwikkeld. Ionische vloeistoffen zijn een mengsel van positieve en negatieve ionen. Gesmolten keukenzout is bijvoorbeeld een ionische vloeistof. RTILs geleiden slecht bij kamertemperatuur maar wat er minder stroperig en beter geleidend wanneer ze worden verhit.

Klei als “natuurlijke” condensator
Klei heeft een nanostructuur die bestaat uit silicium-zuurstof plaatjes, waartussen watermoleculen en ionen kunnen kruipen. Dit maakt klei een populair mineraal onder landbouwers, maar daardoor in principe ook erg geschikt als supercondensator. “Klei heeft een hoge thermische stabiliteit en hoge absorptiecapaciteit, een enorm actief oppervlak en hoge doorlaatbaarheid,” in de woorden van Reddy. Ook wordt klei algemeen gebruikt bij de oliewinning, in de moderne bouwtechnieken, in moderne constructie, in medische applicaties en als een binder in ijzer en staalconstructies. In hun vondst neemt de ionische vloeistof de plaats van water in.

Na het combineren van gelijke hoeveelheden RTIL en bentoniet (een natuurlijk voorkomende kleisoort) in een pasta, persten de onderzoekers het tussen lagen van gereduceerd grafeenoxide en geleiders om een supercondensator te vormen. Testen en opnames met de elektronenmicroscoop daarna toonden dat ook na verhitting tot 200 graden het materiaal niet achteruit ging. Het materiaal kon zelfs verhit worden tot 300 graden zonder dat er veel verandering optreedt in het materiaal. De ionengeleiding neemt lineair toe tot rond de 180 en verzadigd op 200 graden Celsius.

Ideaal voor hoge temperaturen
Er werd een kleine terugval gemeten in het begin, maar de supercondensatoren bleven stabiel gedurende 10.000 testcycli. Sterker nog: zowel energiedichtheid als afgifte vermogen steeg twee ordes van grootte als de temperatuur toenam van kamertemperatuur tot 200 graden Celsius.

In een vervolgstap combineerde het team het RTIL/klei mengsel met een kleine hoeveelheid thermoplastisch polyurethaan (PUR) om een membraan te vormen dat in verschillende afmetingen kan worden gesneden. Dit verhoogt de toepasbaarheid uiteraard flink. Het is mogelijk dat er in de verdere toekomst ook een variant wordt ontwikkeld die resistent is tot temperaturen rond de vijfhonderd graden. Dan kunnen we eindelijk een ruimtesonde ontwikkelen die een reis naar Venus overleeft.

Bronnen
Clay key to high-temperature supercapacitors, Rice University News and Media (2013)
Raquel Borges et al., Supercapacitor Operating At 200 Degrees Celsius, Scientific Reports (2013)

Video: bouw je elektro-apparatuur uit bouwblokken

Zou het niet cool zijn als je je eigen elektronische apparatuur kan samenstellen uit onderdelen, ongeveer zoals je met technisch Lego ook kan? Uitvinders, opgelet. Een startup maakt het bouwen van elektronica nu zo simpel als… inderdaad, als Lego.

Voor programmeurs bestaat het grootste deel van het werk nu uit het samenwerken met de interface van kant-en-klare programmabibliotheken, de API’s. Daarmee kan je als programmeur gebruik maken van het werk van anderen, waardoor je ingewikkelde funties niet meer zelf hoeft te programmeren. Helaas is zoiets er voor elektronica nog niet echt. Ook moet je elektronica aan elkaar solderen, u mogelijk bekend van de lagere of middelbare school. Solderen is wel onder de knie te krijgen, maar echt snel een prototype in elkaar zetten om te experimenteren lukt zo niet, om maar te zwijgen van het werk dat je hebt om het weer uit elkaar te halen.

Een jonge startup heeft nu de oplossing ontwikkeld. Geen Legoblokjes, maar magneten zijn de manier waarop de verschillende componenten aan elkaar kunnen worden gekit. Voor uitvinders en knutselaars is dit a dream come true. Ze kunnen nu zonder al te veel moeite experimenteren met verschillende functies en hun eigen al dan niet nuttige fantasieapparaat in elkaar zetten.

Naar eigen zeggen kwam ze tot haar idee, nadat overijverige ambtenaren en veiligheidskundigen de ooit leuke en spannende scheikundedozen reduceerden tot slaapverwekkende schappenvulling.

Bedenkster en oprichter van de startup littleBits,  de Libanese Ayah Bdeir, heeft haar concept ook op een TED-conferentie toegelicht.

Bron:
LittleBits

De Dirac kegels in grafeen dwingen de elektronen met een hoge vaste snelheid te bewegen.

‘Grafyn vaak beter dan wondermateriaal grafeen’

Grafeen is maar een enkele variant van een groep uit koolstof bestaande platte moleculen. Grafynen bijvoorbeeld blijken een aantal interessante eigenschappen te hebben die op bepaalde punten die van grafeen zelfs overtreffen. Is grafeen nog maar het topje van de ijsberg?

Een materiaal dat tegelijkertijd zo sterk als diamant is en atoomdik. Een goede geleider, vergelijkbaar met een metaal in bepaalde gevallen, makkelijk vervormbaar en nog enkele andere unieke eigenschappen, zoals toepassing in batterijen. Geen wonder dat aan de ontdekkers van grafeen in 2010 de Nobelprijs natuurkunde is toegekend.

‘Grafyn geleidt stroom maar in één richting’
Toch blijkt uit nieuwe computersimulaties dat een weinig bekend verwant materiaal, grafyn, in sommige opzichten interessanter kan zijn dan grafeen. Uit de simulaties blijkt dat de geleidingelektronen in bepaalde typen  grafyn, net als in grafeen, extreem snel reizen, maar, uiterst interessant, slechts in één richting. Van deze eigenschap kunnen technici handig gebruik maken om bijvoorbeeld diodes (gelijkrichters) en snellere transistoren (essentiëkle onderdelen in vrijwel alle elektronica, waaronder computerchips) te maken, aldus de ontdekker theoretisch chemicus Andreas Görling van de Duitse universiteit van Erlangen-Neurenberg. Nu moet met allerlei kunst- en vliegwerk het éénrichtingsverkeer, denk aan het combineren van elektronrijke en arme materialen, kunstmatig opgewekt worden wat de productie arbeidsintensief maakt. Door dit nieuwe materiaal hoeft dat niet meer. Ook werken deze onderdelen veel betrouwbaarder omdat ze van nature de eigenschap al hebben.

Grafeen: een soort atomair kippengaas. Bron: Wikimedia Commons
Grafeen: een soort atomair kippengaas. Bron: Wikimedia Commons

Wat zijn grafeen en grafyn?
Grafeen krijgt zijn bijzondere eigenschappen door zijn afwijkende structuur. Grafeen bestaat uit een vlak van aan elkaar grenzende zeshoeken, met in elke punt van elke zeshoek een koolstofatoom. Een soort atomair kippengaas. Koolstof heeft vier vrije bindingselektronen, maar in grafeen worden er maar drie gebruikt. Het gevolg is dat de bindingen heen en weer wisselen tussen enkele en dubbele binding, waardoor deze extra sterkte krijgen en het materiaal nauwelijks uit elkaar getrokken kan worden.

In grafyn komen ook C=C bindingen voor. Grafynen hebben dan ook niet het regelmatige zeshoekige honingraatpatroon van grafeen. Omdat de dubbele en driedubbele bindingen op allerlei plaatsen kunnen voorkomen, zijn er een enorm aantal potentiële grafynen – met elk andere eigenschappen. Theoretisch chemici doen al sinds de tachtiger jaren onderzoek naar grafynen, maar pas nu is er voor het eerst naar de elektronische eigenschappen gekeken. Elektronica ligt namelijk ver af van de belevingswereld van chemici.

De Dirac kegels in grafeen dwingen de elektronen met een hoge vaste snelheid te bewegen.
De Dirac kegels in grafeen dwingen de elektronen met een hoge vaste snelheid te bewegen.

Dirac kegels
In de meeste elektrische geleiders is de energie van elektronen gelijk aan het kwadraat van hun impuls (dat is massa maal snelheid). De unieke structuur van grafeen maakt dat de elektrische energieniveaus in zogeheten Dirac kegels zijn gestapeld. Het puntje waar beide kegels samenkomen is een vaste combinatie van impuls en energie, m.a.w. elektronen in grafeen hebben daarom altijd dezelfde, hoge, snelheid. Deze bedraagt een significante fractie van de lichtsnelheid.

Görling’s groep heeft deze eigenschappen nu in een computersimulatie bestudeerd, Hierbij ontdekten ze in een bepaalde grafyn – 6,6,12-grafyn,wat een rechthoekig rooster heeft, er nog steeds Dirac kegels bestaan, maar dan in een verwrongen, samengeperste vorm. Het gevolg: elektronen bewegen liever in een bepaalde richting dan in een andere richting.

Nu nog de praktijk
Wel zegt een computersimulatie niet alles. Dit type grafyn zal in werkelijkheid na moeten worden gebouwd en labtests zullen dan uitwijzen of het computermodel klopt. Volgens theoretisch vaste-stof fysicus Mikhail Katsnelson van de Radboud University Nijmegen zijn inderdaad experimenten het definitieve bewijs, maar is de gebruikte techniek, dichtheid-functionele berekeningen, behoorlijk betrouwbaar. Als voorbeeld geeft hij gehydrogeneerde grafeen, een type grafeen dat gebruikt wordt om transistoren te maken. Dit was eerst voorspeld door density-functionele berekeningen en daarna experimenteel geobserveerd.

Dat is echter gemakkelijker gezegd dan gedaan. Grafeen komt van nature voor in grafiet, maar tot nu toe is slechts één type grafyn ook daadwerkelijk gesynthetiseerd en dat was niet het 6,6,12-grafyn van Görlings groep. Görling hoopt nu dat synthetisch chemici de handschoen op zullen pakken en zullen proberen het veelbelovende 6,6,12 grafyn in elkaar te knutselen.

Kortom: het lijkt er dus op dat het wondermateriaal grafeen nog maar het topje van de ijsberg vertegenwoordigt. Er ligt een compleet onmbekende klase van nieuwe high-tech materialen op ons te wachten met vermoedelijk allerlei nog onbekende, maar zeer nuttige elektronische en andere eigenschappen.

Bron:
Graphyne Could Be Better Than Graphene, Science Magazine (2012)

tDCS, het brein electrocuteren met een zwakke stroom, wordt steeds populairder.

Overklok je brein

Heb je zelf studieproblemen, of doet je kindje het niet goed op school? GoFlow, een Amerikaanse startup beweert dé oplossing te hebben, voor nog geen honderd dollar. Lees en huiver.

Overklokken
Computerfanaten kennen wel het begrip overklokken: door een processor met een hogere frequentie aan te sturen, m.a.w. de kloksnelheid flink te verhogen, kan deze veel sneller rekenen. Er zijn natuurlijk wel wat probleempjes, zo heb je werkelijk een monsterachtige hoeveelheid koeling nodig, maar dat schrikt de echte overklokfanaat niet af.

tDCS, het brein electrocuteren met een zwakke stroom, wordt steeds populairder.
tDCS, het brein electrocuteren met een zwakke stroom, wordt steeds populairder.

Brein opvoeren met stroom
Naar nu blijkt kan iets dergelijks ook bij mensen. Uiteraard is de hardwarearchitectuur van het menselijke brein totaal anders dan die van een computer – zo kent ons brein geen processor, maar bestaat uit honderd miljard parallelle rekeneenheden, de neuronen, die tegelijkertijd als geheugenelement en processor dienen.

De grap hier is niet hogere kloksnelheden op te wekken, maar het brein te synchroniseren met elektrische stroom. Door middel van de techniek tDCS, hier al eerder beschreven, kan op kunstmatige wijze een flowtoestand worden opgewekt, waardoor ons brein veel sneller en gestroomlijnder gaat werken. Dit zie je terug in sterk verbeterde leer- en rekenprestaties. In literatuur wordt factor twee genoemd. Als je bedenkt dat de mens een jaar of vijftien tot twintig van zijn leven op opleidingsinstituten doorbrengt, is dat natuurlijk een enorme vooruitgang. Ook de motorische coördinatie verbetert aanzienlijk. Onder meer het Amerikaanse leger, er altijd als de kippen bij veelbelovende technologie te weaponizen,  experimenteert hiermee. De vele vijanden van de VS maken geen kans als ze door breingezapte killers in een moorddadig tempo worden omgelegd.

Doe-het-zelf brein overklok kit
Het slechte, of m.i. goede nieuws is dat deze apparatuur duizenden euro’s kost en alleen wordt geleverd aan wetenschappelijk onderzoekers. De techniek is in principe veilig, maar moet wel door iemand met een gedetailleerde kennis van het menselijk brein (in de praktijk: minimaal een basisarts of nog beter: een neuroloog) worden toegepast om te voorkomen dat er ongelukken gebeuren.

Althans: tot nu toe. Een groepje Amerikaanse studenten heeft nu een doe-het-zelf kit ontwikkeld waarmee wanhopige mensen hun brein (of dat van hun kroost) kunnen zappen voor de luttele somma van 99 dollar (plm. 77 euro). In de VS is de concurrentie op scholen en universiteiten nog veel harder dan hier, dus daar zullen de kitjes gretig aftrek vinden. Ook hier is een grote markt. Want zeg nou zelf: welke student wil er geen collegegeld besparen of strafheffingen vermijden?

9V-batterij met twee stroomdraadjes en elektrolytische sponsjes
De kitjes bestaan uit een negen-voltbatterij en twee stroomdraadjes plus sponsjes en elektrolyt, die op de schedel worden aangesloten. Het is uiterst belangrijk dat 1. de elektroden op precies de juiste plaatsen worden aangesloten en 2. met de juiste spanning en (vooral) polariteit worden aangesloten.

Zoals met alle krachtige geneeskundige toepassingen, zijn er de nodige gevaren aan dit systeem. Er zijn gevallen bekend van bewusteloosheid door ondeskundig gebruik. In theorie kan dit bij onoordeelkundig gebruik leiden tot dodelijke afloop. We raden lezers daarom af hier zelf mee te experimenteren, tenzij ze over gedegen achtergrondkennis beschikken en/of er de nodige tijd in steken dit systeem zeer grondig, door en door te leren kennen. Wellicht is een open-minded huisarts of specialist over te halen voor medewerking aan experimenten. Ook moeten ze zich er grondig van verzekeren dat er geen sprake is van contra-indicaties (hoofdpijn of chronische huidproblemen op de schedel, bijvoorbeeld). tDCS op zich is overigens, wanneer deskundig toegepast door een universitair opgeleide basisarts of specialist, veilig en wordt al toegepast voor de behandeling van chronische pijnklachten en depressies. Wel zijn de lange-termijn effecten nog steeds niet bekend. Een reden te meer om uiterst voorzichtig te zijn.

Maar ik wil toch experimenteren.
Dat gezegd hebbende, zijn hier aanvullende materialen te vinden:

Om te beginnen een instructievideo. Op de pagina waar deze video embedded is, staan ook uitgebreide instructies. Zorg dat je – en de begeleidende arts – deze terdege begrijpen voor je met experimenteren begint. Raadpleeg ook dit artikel. Zorg dat alle materialen genoemd in de instructievideo en documentatie voorhanden zijn voor je begint. De website van GoFlow is hier te vinden.

Prototype 2 van de Speech Jammer is draagbaar. Lachen gieren brullen, vooral bij autocue lezers zoals Amerikaanse politici.

Zwijgkanon brengt sprekers tot zwijgen

Sommige mensen genieten het meest van hun eigen stemgeluid, anderen wat minder. Japanse onderzoekers bouwden een eenvoudig apparaat, waarmee sprekers direct tot zwijgen kunnen worden gebracht. Liggen Big Brother achtige toestanden op de loer?

Prototype 2 van de Speech Jammer is draagbaar. Lachen gieren brullen, vooral bij autocue lezers zoals Amerikaanse politici.
Prototype 2 van de Speech Jammer is draagbaar. Lachen gieren brullen, vooral bij autocue lezers zoals Amerikaanse politici.

Vooral bij ellenlange toespraken op festiviteiten waar je verplicht bij moet zijn, voel je al en toe de neiging naar de afstandsbediening te grijpen. Klaarblijkelijk zaten een aantal Japanse techneuten met dezelfde frustratie. Ze sloegen aan het knutselen en buitten een bekend herseneffect maximaal uit.

Kazutuza Kurihara  van het National Institute of Advanced Industrial Science and Technology in Tskuba en mededader  Koji Tsukada van Ochanomizu Universiteit, ontwikkelden een baanbrekend apparaat: een zwijgkanon dat vervelende sprekers tot stilte dwingt.

Hoe werkt het zwijgkanon?
Het principe achter het zwijgkanon is simpel. Psychologen kennen al sinds 1997 de effecten van DAF, delayed audio feedback, op spraak. Als stemgeluiden ongeveer 200 milliseconden vertraagd worden afgespeeld, wordt het spraakcentrum van de hersenen ontregeld. Kurihara en Tsukada hebben een eenvoudig draagbaar toestel, bestaande uit een richtmicrofoon en een luidspreker, gebouwd dat precies dat doet: de stem van een persoon opnemen en opnieuw afspelen met een vertraging van ongeveer 0,2 seconde omgebouwd. Ook de luidspreker wordt gericht. Het apparaat kan als een soort geweer op een slachtoffer worden gericht.

Kurihara en Tsukada hebben hun zwijgkanon reeds uitgeprobeerd en zeggen dat deze goed werkt. “Het systeem kan van een afstand de spraak van mensen ernstig in de war sturen zonder lichamelijk ongemak.”

Zwijgkanon helpt vooral tegen lezers van een autocue
Uit hun testen bleken nog twee aanvullende effecten. Ten eerste is het apparaat het effectiefste als de vertraging steeds varieert. Ten tweede blijken vooral nieuwslezers en anderen die een tekst oplezen, het gevoeligste voor het apparaat. De kans is daarom groot dat presidentskandidaten die “live” een toespraak houden, er alles aan zullen doen te voorkomen dat ze stil zullen worden gelegd. Vervelend nieuws volgens de ontwikkelaars is dat juist de meest hersenloze uitingen, zoals Aaaaaahh en dergelijke, niet kunnen worden geblokkeerd door het apparaat.

Geen sprekers meer voor hun beurt
Kurihara en Tsukada denken aan verschillende toepassingen. Volgens hen kunnen hiermee stiltezones, zoals in openbare bibliotheken, worden afgedwongen en discussies in groepsbijeenkomsten beter worden gestuurd. Voor je beurt praten kan niet meer. Een idee voor politieke debatten op TV, waar de heren en enkele dame altijd haantje de voorste proberen te zijn? Kortom: vermoedelijk zal dit apparaat erg populair worden bij liefhebbers van gemene streken.

Verklaring voor raadselachtige versprekingen bij nieuwslezers?
Bij onze collega’s van Grenswetenschap.nl is er al weer een tijdje geleden aandacht besteed  aan een aantal raadselachtige episoden op televisie waarbij nieuwslezers en presentatoren plotseling wartaal begonnen uit te slaan (helaas kan ik het nieuwsbericht niet meer in de zoekmachine terugvinden). Mogelijk veroorzaakte tijdens een TV-uitzending een elektronische feedbacklus met een vertraging van 0,2 seconde deze problemen.

Bron
SpeechJammer: A System Utilizing Artificial Speech Disturbance with Delayed Auditory Feedback

Met elektrische impulsen kunnen we sneller trainen en dingen leren. De toekomst?

Elektrische stroom maakt expert

Het kost ongeveer tienduizend uur oefening om ergens expert in te worden. Er is nu een apparaat ontwikkeld dat deze periode drastisch inkort. Maak je klaar voor schokkend nieuws.

De ijzeren tienduizend-uren regel
Het kost ongeveer tienduizend uur om tot de top van een bepaald vakgebied te gaan behoren. Dit geldt voor totaal verschillende vakken variërend van pianovirtuoos tot natuurkundige of topsporter. Dit bleek uit onderzoek van de Deens-Amerikaanse psycholoog Anders Ericssen. In deze tienduizend uur worden de neuronen in het brein van de beoefenaar geherstructureerd. Dit vereist de nodige oefening en concentratie, die spelenderwijs wordt bereikt met flow.

Met elektrische impulsen kunnen we sneller trainen en dingen leren. De toekomst?
Met elektrische impulsen kunnen we sneller trainen en dingen leren. De toekomst?

Flow: moeiteloze productiviteit
Er zijn van die momenten dat het werk haast vanzelf lijkt te gaan en er zonder dat je er bij stilstaat heel veel uit je handen komt. De Hongaars-Amerikaanse psycholoog Mihaly Csikszentmihalyi noemde deze zen-achtige bewustzijnstoestand flow. Als je in flow bent, werken je hersens zonder haperingen. Je zelf lost op in het uitvoeren van je taak, waardoor je brein op maximale capaciteit werkt. Als werkenden de hele dag voortdurend in flow zouden zijn, zou de arbeidsproductiviteit tientallen procenten hoger liggen. Geen wonder dus dat er veel onderzoek wordt gedaan naar het wezen van flow en manieren om deze bewustzijnstoestand te bereiken. Als beoefenaars van een bepaalde discipline in flow raken, zullen ze snel uitgroeien tot experts. Raakt iemand zelden in flow, dan zal hij er al snel het bijltje bij neergooien. Flow is onder bètawetenschappers niet erg populair. De term is doortrokken van mystieke en meditatieve connotaties. Pas eind jaren zeventig definieerde de toen jonge Csikszentmihalyi de staat helder en maakte het mogelijk er empirisch onderzoek naar te doen – wat hij ook deed. Interviews met talenten op divers gebied (van schaakgrootmeesters tot topwiskundigen en balletdansers) maakten hem duidelijk dat flow vier kenmerkende eigenschappen heeft.

  1. Een intense, gefocuste absorptie die het tijdsbesef doet wegvallen.
  2. Autoteliciteit: wat je doet is al beloning in zichzelf.
  3. De taak die je verricht is niet te simpel en niet hopeloos moeilijk.
  4. Het werk lijkt als vanzelf te gaan.

Flow en hersengolven
Csikszentmihalyi ontdekte met de in die tijd primitieve elektro-encefalogrammeters, dat bij flow de voorhoofdskwabben, vlak achter het voorhoofd, minder actief zijn. De beste schaakspelers bleken de minste activiteit in dit hersendeel te hebben. De reden: zelfkritische gedachten, het gevolg van de werking van de voorhoofdskwabben, belemmeren flow. Latere studies, onder andere aan golfers, zie The International Journal of Sport and Society, vol 1, p 87, bevestigden deze bevindingen en onthulden dat op het moment dat flow optreedt, er een plotseling piek in alfagolven optreedt. Dit type hersengolven, met een frequentie van rond de zeven hertz, treedt ook op tijdens de REM- (droom)slaap. Daarnaast ademden de mensen in flow rustiger en daalde het tempo van hun hartslag – ook een teken van ontspanning. In meerdere andere studies werden soortgelijke effecten in andere sporten gevonden.

Omgekeerd bleek het leren opwekken van alfagolven (dat kan met neurofeedback: iemand probeert het voor hemzelf zichtbare hersengolfpatroon te beïnvloeden door anders te denken) ook het succes bij het sporten te verveelvoudigen. Het kostte hen minder dan de helft van de tijd van de controlegroep om nauwkeurig te leren schieten. (The International Journal of Sport and Society, vol 1, p 87). Neurofeedback is alleen verre van gemakkelijk. Ook alfagolven leren op te wekken is niet gemakkelijk. Gelukkig lijken bepaalde machines hetzelfde effect te kunnen bereiken.

Apparaat wekt flow op
Een simpel apparaat, dat in feite neerkomt op een 9-voltbatterij met twee elektroden, bereikt dit effect. De positieve elektrode wordt verbonden met de slaap en de negatieve elektrode met de linkerarm. Ongevaarlijk is dit niet. Als één van de elektroden tussentijds wordt verwijderd kan  de proefpersoon enkele seconden blind worden.

Deze techniek staat bekend als transcranial direct current stimulation (tDCS) en wordt nu door het Amerikaanse leger gebruikt om sluipschutters nog sneller op te kunnen leiden. Via de elektroden loopt een stroom van 2 milliampère door het deel van de hersenen dat objecten herkent. De milde elektrische schok depolariseert de neurale membranen in de regio, waardoor de cellen gevoeliger voor signalen worden. Weisend, de onderzoeksleider, denkt net als veel collega-neurologen dat dit de vorming van nieuwe neurale paden stimuleert op het moment dat iemand een vaardigheid praktiseert. Door deze techniek  kunnen sluipschutters nu met een factor 2,3 sneller vijanden herkennen en dus neerschieten (Experimental Brain Research, vol 213, p 9). Onverklaarbaar worden deze lange termijn veranderingen voorafgegaan door een flow-achtig gevoel, veroorzaakt door de elektrische stroom. Voor mensen die experimenteren met tDCS lijkt de tijd zeer snel te verstrijken. Hun bewegingen worden automatischer. Zelf ervaren ze kalme, gerichte concentratie – en een grote sprong vooruit in prestatie. Waarom is niet duidelijk. Sommigen denken dat het te maken heeft met het uitschakelen van de voorhoofdskwabben door de stroom – het effect van flow. Niet iedereen is echter even lovend. We weten immers niet waarom het effect optreedt. Wellicht treden er in andere delen van de hersenen ongewenste veranderingen op. Ook treedt het flow-effect alleen op als de elektroden op bepaalde plaatsen worden geplaatst.

Zelf experimenteren
Machines die transcranial direct current stimulation (tDCS) leveren kosten rond de zesduizend euro per stuk. De makers verkopen ze doorgaans alleen aan onderzoekers. Toch laten enthousiaste tDCS hobbyisten zich hierdoor niet afschrikken. Op online forums volop levendige beschrijvingen van home-made experimenten, inclusief akelige beschrijvingen van blunders die in één geval iemand tijdelijk blind achterliet. De reden dat mensen deze risico’s nemen is vermoedelijk de steeds zwaardere prestatiedruk Met het oprukken van computers en kunstmatige intelligentie is de mens steeds vaker de zwakste schakel. Steeds meer mensen grijpen daarom naar dit soort middelen.

Bron:
New Scientist