natuurkunde

Warp drive fysisch nu binnen bereik: studie

Volgens eerdere studies vereist het warp veld van een Alcubierre drive enorme hoeveelheden energie. Deze hoeveelheden liggen nu twee ordes van groter lager. Dat brengt een warp drive in de toekomst binnen bereik, zonder dat we een planeet zo groot als Jupiter op moeten stoken voor de aandrijving.

De Alcubierre-warpaandrijving is een exotische oplossing van de algemene relativiteitstheorie. Het maakt sneller dan licht reizen mogelijk, maar vereist enorme hoeveelheden materie met een negatieve massadichtheid. Om deze reden zien de meeste natuurkundigen de Alcubierre-warpaandrijving als “on-fysisch”, een aandrijving zonder praktisch toepasbare waarde. In deze studie ontwikkelden de auteurs een model van een andere, algemene ruimtetijd in de klassieke relativiteitstheorie. Dit nieuwe model omvat alle bestaande definities en maakt nieuwe metrieken mogelijk zonder de ernstigste problemen die aanwezig zijn in de Alcubierre-oplossing.

Een warp drive, volgens Les Bossinas, NASA. Public domain

Bestuurbare drive, geschikt voor een ruimteschip

In dit artikel presenteren beide auteurs het eerste algemene model voor subliminale positieve energie. Onderdeel hiervan zijn bolvormige warpbollen: sneller dan licht ruimte-tijden die aan kwantumongelijkheden voldoen. Ook opgenomen zijn optimalisaties voor de Alcubierre-metriek die de negatieve energiebehoeften met twee ordes van grootte verminderen. Met andere woorden: er is honderden malen zo weinig negatieve energie nodig. Ook introduceren beide auteurs een warp drive-ruimtetijd waarin de ruimtecapaciteit en de snelheid van tijd op een gecontroleerde manier kunnen worden gekozen. Met andere woorden: een warpveld dat kan worden bestuurd, dus bruikbaar is voor een ruimteschip.

Warp drive kan met bekende materie

Elke warpdrive, stellen de auteurs, inclusief de Alcubierre aandrijving, is een omhulsel van normaal of exotisch materiaal dat traag beweegt met een bepaalde snelheid. Daarom vereist elke warpaandrijving voortstuwing. Volgens het artikel kunnen we een klasse van subluminale, sferisch symmetrische (bolvormige) warp-aandrijf ruimtetijden, althans in principe, maken op basis van de natuurkunde van nu.

En, uiterst belangrijk, exotische materie is dus niet meer nodig, een warp drive bouwen kan in principe met onze “huis-tuin-en-keuken” bekende deeltjes van het Standaardmodel.

Vliegende schotel meest energie efficiënte vorm

Saillant detail: de meest veelbelovende vormen van warpruimtes hebben de vorm van een schotel, aldus het artikel. Dus zo ver naast zaten de bedenkers van Star Trek er niet. Als er in de toekomst inderdaad sneller-dan-licht schepen gebouwd gaan worden, is er dus een goede kans dat ze veel weg hebben van de Enterprise, of de vliegende schotels uit de UFO-folklore.

Met de nodige mitsen en maren: en reken maar op nog heel wat technische hordes: groot nieuws. Rest van het heelal, we komen er aan!

Bronnen

1. A. Bobrick en G. Martire, Introducing physical warp drives, Quantum Physics and Gravity, 2021 (https://doi.org/10.1088/1361-6382/abdf6e) (ArXiv versie)

Leptoquark: massa leptoquarks begrensd door CERN

Mogelijk bestaan er deeltjes die quarks in leptonen kunnen omzetten en andersom: de leptoquarks. Wat is een leptoquark?

Leptoquark: Quarks en leptonen

Alle stabiele, bekende (baryonische) materie bestaat uit quarks en leptonen. Om precies te zijn: de lichtste versies hiervan, de “eerste generatie”. Dit zijn het elektron en de up- en downquark. De tweede generatie zijn muon en charm/strange quarks. De derde, zwaarste generatie bestaat uit het tauon en top/bottom quarks. De tweede en derde generaties leven erg kort en komen, voor zover we weten, alleen in deeltjesversnellers en kosmische straling voor. Protonen bestaan uit twee up-quarks en een down-quark; neutronen bestaan uit één up-quark en twee down-quarks. Hieronder een handig overzichtje van alle deeltjes in het Standaardmodel. Elektron-, muon- en tauneutrino zijn vrijwel massaloos.

Alle elementaire deeltjes volgens het Standaardmodel. Maakt de leptoquark het compleet? Bron: Wikimedia Commons

Quarks hebben een merkwaardige lading. Up-quarks +2/3, down-quarks -1/3. Merkwaardig, omdat elektronen wél een gehele lading hebben: -1. Zouden er nog fundamentelere deeltjes dan elektronen bestaan? Deze vraag inspireerde de bedenkers van het leptoquark model. Maar wat zijn leptoquarks precies?

To be or not to be: bestaan leptoquarks?

Natuurkundigen zijn altijd op zoek naar eenvoud. Het Standaardmodel (SM) kan in theorie een stuk simpeler. Bijvoorbeeld, als de quarks en leptonen in elkaar omgezet zouden kunnen worden. Dit met een extreem zwaar boodschapperdeeltje. Dit deeltje moet dan het baryongetal en leptongetal kunnen veranderen: het leptoquark. Eén ding weten we: dit hypothetische deeltje moet een stuk zwaarder zijn dan alle eerder ontdekte deeltjes. De massa moet minimaal een TeV/c^2 zijn. M.a.w. minstens duizend maal zo zwaar zijn als een proton. Dit ligt boven het maximale vermogen van de CERN deeltjesversneller. Anders hadden we dit deeltje nu al ontdekt.

Als een leptoquark uit elkaar valt, gebeurt dit in een lepton en een quark. De theorieën met leptoquarks verzamelden tot nu toe stof in de la. Maar nu wordt dat anders, want de metingen kloppen niet meer met het SM. De spanning stijgt daarom.

De bij diverse experimenten gemeten vervalverhouding wijkt af van die door het Standaardmodel (SM) wordt voorspeld. Kunnen leptoquarks dit verklaren? Bron: [2]

Onverklaarbare b-meson anomalieën veroorzaakt door het leptoquark?

Het Standaardmodel voorspelt de interactie links, door de uitwisseling van een W boson. Maar de experimentele uitkomsten wijzen op een nog onbekend deeltje, mogelijk een variant van het Higgsdeeltje en van de W- en Z- deeltjes (midden) of het leptoquark (hier aangegeven met LQ, rechts). Bestaan leptoquarks? Bron: CERN [2]

Metingen aan het vervalproces van b-mesons wijken af van de voorspellingen van het Standaardmodel. Deze afwijkingen zijn vrij fors, maar nog niet betrouwbaar genoeg vastgesteld (met zes sigma). Daarom houden de onderzoekers van het CERN nog een slag om de arm. Dit is ook de enige plek, waar de gemeten waarden afwijken van de voorspelling van het Standaardmodel. Geen wonder dat de spanning stijgt. Zijn we nu nieuwe natuurkunde op het spoor?

Geen leptoquarks gevonden, wel ondergrens massa bepaald

De Large Hadron Collider heeft de afgelopen jaren enorm veel data opgeleverd waar nu tal van analyses op losgelaten worden. Het Compact Muon Solenoid (CMS)-team zocht naar leptoquarks van de derde generatie in een datamonster van proton-protonbotsingen. Dit monster is afkomstig uit de data van botsingen van de Large Hadron Collider (LHC) met een energie van 13 TeV. Deze werden geregistreerd door het CMS-experiment tussen 2016 en 2018. [2]

Specifiek zocht het team naar paren leptoquarks die veranderen in een top-down quark en een tauon of tau neutrino, evenals naar ‘losse’ leptoquarks die samen met een tau neutrino worden geproduceerd en transformeren in een top quark en een tauon. De CMS-onderzoekers vonden geen enkele aanwijzing dat dergelijke leptoquarks bij de botsingen werden geproduceerd. [3]

De CMS-detector. Op dit moment, december 2020, worden de vele terabytes aan data uit dit experiment nog steeds gebruikt. Bron: CERN

Ze waren echter wél in staat om ondergrenzen aan hun massa te stellen. Als leptoquarks van de derde generatie bestaan, zijn ze minstens 0,98–1,73 TeV/c^2 in massa.[3] Dit is dan weer afhankelijk van hun spin en de sterkte van hun wisselwerking met een quark en een lepton. Deze grenzen zijn enkele van de strengste tot nu toe voor leptoquarks van de derde generatie. Dankzij deze grenzen kan een deel van het leptoquark massabereik dat de B-meson anomalieën zou kunnen verklaren, worden uitgesloten. Met hierbij alle theorieën die het bestaan van deze lichtere leptoquarks vereisen.

Goed nieuws: voorlopig blijven we nog bestaan

Dat is goed nieuws, althans als deze hoge massa ook voor eerste-generatie leptoquarks geldt. Want hoe zwaarder het leptoquark, hoe kleiner de kans dat het spontaan ontstaat uit het vacuüm en een proton uit elkaar laat vallen. Dus blijven protonen nog quadriljoenen jaren stabiel. En aangezien wij voor een groot deel uit protonen bestaan, is dat best wel een geruststellende gedachte…

Bronnen
1. CMS sets new bounds on the mass of leptoquarks, CERN, 2020
2. The flavour of new physics, CERN Courier, 2019
3. Search for singly and pair-produced leptoquarks coupling to third-generation fermions in proton-proton collisions at s√= 13 TeV, CERN (ingezonden aan Physical Review Letters B)

Sterke aanwijzing voor bestaan donkere bosonen ontdekt

Er is naar schatting ongeveer vier maal zoveel donkere materie, als baryonische (standaard)  materie. Van de zwaartekrachtswisselwerking van donkere materie merken we veel, maar in deeltjesdetectoren ontbrak tot nu toe elk spoor. Maar mogelijk is daar nu verandering in gekomen.

Spookachtige donkere bosonen

Een belangrijke kandidaat voor donkere materie zijn extreem lichte deeltjes die zwak op elkaar inwerken. We kennen al één vorm van dergelijke deeltjes: de spookachtige neutrino’s. Neutrino’s wisselwerken alleen via de zwakke kernkracht en de zwaartekracht. Dit betekent dat we neutrino’s alleen waar kunnen nemen door radioactieve reacties in het uiterst zeldzame geval dat ze die opwekken. De hypothetische steriele neutrino’s, een van de kandidaten voor donkere materie, zijn alleen via de zwaartekracht waar te nemen. Met een hoge-energie supercollider zijn deze en andere lichte deeltjes niet waar te nemen, maar met alternatieve methoden mogelijk wel. Veel onderzoekers zijn hier mee bezig.

Extreem energierijke botsingen, zoals deze waarbij een Higgsdeeltje betrokken was, zijn veel te sterk om lichte deeltjes te kunnen vinden, Bron: Wikimedia Commons/Lucas Taylor (CERN)

Wat zijn donkere bosonen?

Donkere bosonen is een verzamelnaam voor alle kandidaten van donkere materie die dezelfde kwantumgetallen kunnen hebben in elkaars buurt (dus: zonder elkaar af te stoten op elkaar geplaatst kunnen worden). Vooral de lichtere deeltjes binnen deze verzameling, ‘lichte donkere bosonen’, staan in de belangstelling. Zij zouden als ze met een atoom in aanraking komen, namelijk de energieniveaus van elektronen moeten veranderen. Onderzoekers over de hele wereld hebben daarom geprobeerd alternatieve technologieën en methoden te ontwikkelen die de detectie van deze deeltjes mogelijk maken. Een veelbelovende benadering is het meten van de verschillen in energieniveaus van verschillende isotopen. In de spectra van koolstof-12, koolstof-13 en koolstof-14, bijvoorbeeld, zit een miniem verschil in het energieniveau van een aangeslagen elektron. Dat komt door het massaverschil in de kern van steeds één neutron extra. Als er in het atoom niets anders is dan protonen, neutronen en elektronen, zal het verschil in een bepaalde overgang tussen koolstof-12 en koolstof-13 precies even groot zijn als het verschil in diezelfde overgang tussen koolstof-13 en koolstof-14. Is er nog een onbekend deeltje bij betrokken, dan zal een lijn die getrokken wordt door deze waardes afwijken van een rechte lijn: de voorspelling van het Standaardmodel.

Nieuwe aanwijzing voor donkere bosonen gevonden

Omdat de verschillen hier echt miniem zijn, moet precisiespectroscopie toegepast worden om deze waar te kunnen nemen. In hun experimenten onderzochten de teams van de Deense Universiteit van Aarhus (met calciumionen[1]) en de Usaanse MIT (met ytterbiumionen[2]) deze overgangen. Het team van Aarhus mat een rechte lijn (wat overeenkomt met de rechte lijn van het Standaardmodel), maar de groep van het MIT mat een afwijking in het ytterbiumspectrum. Deze afwijking was relatief klein, drie sigma (een kans van 0,3 procent dat de waarnemingen op toeval berusten is naar natuurkundige begrippen nog te hoog; zes sigma, 0,00033 procent was de standaard voor bijvoorbeeld  de bevestiging van het Higgsdeeltje) maar wijst er toch op dat er waarschijnlijk “iets” aanwezig is. Het is goed mogelijk, dat de gebruikte benadering van het Standaardmodel bij het ytterbiumion niet volledig is en dat dit de afwijking verklaart, maar er is eveneens een goede kans dat dit het eerste echte spoor is van een nog onbekend deeltje.

Al eerder werden er aanwijzingen voor een nog onbekend deeltje aangetroffen in een met xenon gevuld vat diep onder de Italiaanse berg Gran Sasso. Verdere metingen en het uitwerken van het theoretische model moeten duidelijkheid opleveren.

Bronnen
1. Improved Isotope-Shift-Based Bounds on Bosons beyond the Standard Model through Measurements of the 2D3/2−2D5/2 Interval in Ca+. Physical Review Letters DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.123003.
2. Evidence for nonlinear isotope shift in Yb+ search for new Boson. Physical Review Letters
DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.123002.

Chip wekt energie op uit warmte

Een team natuurkundigen van de universiteit van Arkansas is er naar eigen zeggen in geslaagd om energie uit afvalwarmte op te wekken. Hun ontwerp maakt gebruik van de Brownse beweging: de willekeurige bewegingen op microscopische schaal door lokale oneffenheden. Hebben ze de Tweede Hoofdwet van de Thermodynamica gekraakt?

Wat is de Brownse beweging? 
Wat op macroschaal een oase van rust lijkt, is dat allesbehalve. De moleculen in lucht hebben alle verschillende snelheden en richtingen. Wat wij waarnemen is het gemiddelde van ontelbare miljarden moleculen die ons onophoudelijk treffen. Dit gemiddelde nemen we waar als luchtdruk. Op kleinere schaal, kleiner dan een micrometer, is er geen stabiel evenwicht meer. Geregeld treffen meer (of juist minder) moleculen het deeltje in de ene richting, dan in de tegenovergestelde richting. Als gevolg hiervan maakt het stofje een wanordelijke beweging. Deze Brownse beweging is met een microscoop waar te nemen aan bijvoorbeeld rookdeeltjes.

Een experimentele chip met de technologie. Bron/copyright: University of Arkansas, 2020

Hoe kan je hier energie uit opwekken? 
Alles wat beweegt, kan je gebruiken om elektriciteit mee op te wekken. Stel,. je zou aan het rookdeeltje een minuscule dynamo of andere generator bevestigen, dan kan je er in theorie stroom mee opwekken. Op het eerste gezicht lijkt dit een perpetuüm mobile van de tweede categorie: een machine die warmte onttrekt aan de omgeving waarmee iets nuttigs is te doen. Een dergelijk apparaat is erg handig: je kan dan je stroomabonnement opzeggen en je smartphone hoeft nooit meer aan de lader. Kortom; het klinkt te mooi om waar te zijn en dat is het ook. Want de Tweede Hoofdwet van de Thermodynamica verbiedt dat er bij een energieomzetting vrije energie bij komt. Of is er toch hoop?

Ja, zo blijkt uit een experiment met grafeen aan de universiteit van Arkansas. In de proefopstelling wordt het eigenlijke werk verricht door twee blaadjes grafeen tegenover elkaar. Deze één atoomlaag dikke koolstofblaadjes ‘wapperen’ voortdurend onder invloed van de Brownse beweging. Omdat ze tegenover elkaar zijn geplaatst, werken ze als een condensator. Als ze elkaar naderen, neemt de lading op beide plaatjes toe, als ze van elkaar verwijderd raken, stroomt deze weg. In de opstelling zijn twee diodes opgenomen: elektronische componenten die alleen eenrichtingsverkeer toelaten. De “gevangen” elektronen kunnen alleen via de energie-oogster (bijvoorbeeld een accu) terugvloeien. Het netto resultaat: warmte wordt omgezet in elektriciteit.

En de Tweede Hoofdwet dan?
De specifieke versie van de Tweede Hoofdwet: er ontstaan niet uit zichzelf temperatuursverschillen, lijkt met deze proefopstelling niet gebroken volgens onderzoeksleider Thibado. Op grotere schaal lijkt op het eerste gezicht echter wel degelijk sprake van een schending. Immers, als de proefopstelling afkoelt omdat er energie aan onttrokken wordt, ontstaat er wel degelijk uit het niets een temperatuursverschil met de rest van het universum. Ook is het geleverde vermogen laag, in de orde van picowatts. Zeg voorlopig dus uw elektriciteitsleverancier niet op. Maar als proof of principe is deze ontdekking uiterst belangrijk.
Het artikel is gepubliceerd in Physics Review E, een vooraanstaand natuurkundeblad.

Bronnen
Physicists Build Circuit That Generates Clean, Limitless Power From Graphene, University of Arkansas, 2020
Fluctuation-induced current from freestanding graphene, P. M. Thibado, P. Kumar, Surendra Singh, M. Ruiz-Garcia, A. Lasanta, and L. L. Bonilla, Phys. Rev. E 102, 042101
(ArXiv preprint versie)

Nucleaire diamantbatterij maakt accu’s overbodig

Stel je voor: nooit meer je smartphone aan de lader, alleen om de paar jaar de accu verwisselen. Dit ook met je laptop, je auto en andere oplaadbare apparaten. Science fiction? Niet lang meer, als het aan de startup NDB uit Californië ligt.

Wat is koolstof-14?
Niet alle atomen zijn gelijk. Ze verschillen onderling niet alleen in het aantal protonen (wat bepaalt hoe ze zich chemisch gedragen), maar ook in het aantal neutronen in de kern. Zo is elk atoom met 6 protonen in de kern een koolstofatoom, maar verschilt het aantal neutronen per variant. Deze varianten noemen we isotopen. Koolstof kent naast de twee stabiele isotopen, koolstof-12 en koolstof-13, met 6 protonen en 6 resp. 7 neutronen, ook meer dan tien radioactieve isotopen die na verloop van tijd uiteenvallen. Een daarvan is koolstof-14. Deze radioactieve isotoop heeft twee neutronen extra, waardoor deze atoomkern instabiel is geworden en in gemiddeld 5.730 jaar uiteenvalt in een elektron (bètastraling) en stabiel stikstof-14. Koolstof-14 is vooral bekend als erg nuttig hulpmiddel om te bepalen hoe oud bepaalde organische archeologische resten zijn. Als er nog maar de helft van het koolstof-14 over is, weten we dat de resten 5.730 jaar oud zijn.

Bètavoltaïsche batterij
De manier waarop koolstof-14 uiteenvalt maakt deze isotoop ook voor energieopslag erg interessant. Elektronen onder een spanningsverschil zijn namelijk de bron van elektriciteit. Als we in staat zijn om deze elektronen op te vangen en hun spanning af te tappen, hebben we een batterij. Een bètavoltaïsche batterij die letterlijk duizenden jaren meegaat. Een kilogram puur koolstof-14 levert, als deze in zijn geheel uiteenvalt in stikstof-14, 337 gigajoule. met andere woorden: evenveel als een inslag van een grote meteoriet zoals die in Chelyabinsk, of vergelijkbaar met het verbranden van 10 kuub benzine. Kortom: behoorlijk veel voor een batterij van een kilo. Het goede (of slechte) nieuws is dat deze energie langzaam vrijkomt. Dit blok levert iets minder dan 2 watt vermogen, waarvan slechts een klein deel kan worden afgetapt. Maar dit onophoudelijk, gedurende duizenden jaren. Het lage vermogen dat deze isotoop levert maakt het vooral interessant voor zeer langdurige toepassingen.
Bijzonder aan deze nieuwe techniek is de laag rond de isotoop zelf, die de elektronen invangt en in elektriciteit omzet. Deze bestaat uit kunstmatige diamant. Diamant is het hardste materiaal wat we kennen en ook een halfgeleider. Dit maakt diamant erg geschikt als beschermmateriaal. Omdat het hier om een bètastraler gaat, kan de diamant niet radioactief worden.

En korterlevende isotopen? Zoals tritium?
In principe kan iedere handelbare betastraling afgevende isotoop als “vulling” voor de diamantcapsule worden benut.Tritium, de enige radioactieve waterstofisotoop, met 2 extra neutronen, heeft bijvoorbeeld een veel kortere halfwaardetijd: rond de 12 jaar. Ook tritium is een bètastraler en valt onder uitzending van een elektron uiteen tot helium-3. Hierbij komt alleen veel minder energie vrij: een kilogram tritium levert bij uiteenvallen ongeveer 165 gigajoule aan bewegingsenergie van elektronen op (de rest verdwijnt in het heelal als antineutrino). Pluspunt is wel weer dat deze energie in een veel kortere tijd vrijkomt, waardoor het vermogen vele malen hoger is dan dat van koolstof-14: 450 watt per kilogram, in 12 jaar teruglopend tot de helft. Dit zou tritiumbatterijen erg interessant maken voor elektrische auto’s en smartphones. Gesteld dat we een goedkope methode ontwikkelen om aan tritium te komen. Op dit moment is het goedje peperduur.

Ook andere isotopen van koolstof en andere elementen zijn bruikbaar. Ze moeten slechts aan enkele eisen voldoen: louter en alleen uiteenvallen in elektronen en eventueel neutrino’s (pure bètastralers), voldoende energie afgeven voor de beoogde toepassing, voldoende lang meegaan en veilig opgeborgen kunnen worden in een diamanten omhulsel. In de eerste prototypes van Russische onderzoeksgroepen is bijvoorbeeld gewerkt met nikkel-63, een isotoop met een halfwaardetijd van een kleine eeuw [2].

Tritium sleutelhangers geven tientallen jaren zwak licht.
Bron: Bilious – Eigen werk, CC BY-SA 2.5, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=10843869

Welke isotopen gebruikt NDB?
De startup NDB doet op haar voorpagina boude claims over batterijen die in staat zouden zijn smartphones, auto’s en andere energieslurpende apparaten te voorzien van permanente energie. Claims die je, althans vermogen, alleen waar kan maken met tritium of een andere kortlevende bèta-isotoop, maar niet met koolstof-14 dat de radioactiviteit uitsmeert over duizenden jaren.
Op de “technology” pagina [1] doet het bedrijf erg geheimzinnig over de gebruikte radioactieve isotopen. Enkele citaten lichten echter een tipje van de sluier op. Zo komen er neutronen vrij: “Boron-doped SCD” moet neutronen invangen en omzetten in alfadeeltjes (heliumkernen). Dus duidelijk zijn dit niet alleen bètastralers. Elders spreekt men over “fissionable isotopes”, zoals Pu-238 en U-232. Dit is geen relatief onschuldige koolstof-14 uit grafietblokken meer en doet vermoeden dat men zijn heil zoekt in het verwerken van hoogradioactief kernafval in batterijen. Als dit op een veilige manier kan: waarom niet? Met alfa- en bètastralers kan dit, maar helaas niet met neutronenstraling. Neutronen zijn qua gezondheid uitermate vervelende deeltjes – ze veranderen stabiele atoomkernen in radioactieve kernen als ze ingevangen worden in de atoomkern. Neutronen houd je alleen tegen met een meter beschermend water of soortgelijk materiaal, wat uiteraard alleen praktisch is voor een atoomonderzeeër. Of in een reactor, om tritium te produceren uit deuterium. Die je dan in je batterij stopt. Wat uiteraard een stuk slimmer is.

Bronnen
1. NDB: Technology
2. V.S. Bormashov et al, High power density nuclear battery prototype based on diamond Schottky diodes, Diamond and Related Materials (2018). DOI: 10.1016/j.diamond.2018.03.006

Tijd, een onopgelost raadsel

Geen dag gaat er voorbij of we zijn ons bewust van de tijd. Klokken, kalenders en de alomtegenwoordige smartphones herinneren ons voortdurend aan het bestaan van de tijd. Maar hoe alledaags en vertrouwd tijd ook is, we begrijpen nog steeds niet de diepere achtergronden van dit schijnbaar zo alledaagse verschijnsel.

Tijd kan je meten met bijvoorbeeld een horloge, zoals hier gefotografeerd door Isabelle Grosjean ZA , Wikimedia Commons

Het raadsel tijd

Hoewel we tijd nu nauwkeuriger kunnen meten dan ooit tevoren, tot op attoseconden nauwkeurig, blijft het nog steeds een van de raadselachtigste fenomenen in de natuurkunde. Wat is tijd precies en waarom gaat deze altijd vooruit en niet achteruit? Waarom is op kwantumniveau tijd omkeerbaar en op grotere schaal niet? Waarom is er een onlosmakelijk verband tussen ruimte, tijd en de lichtsnelheid?
Pittige raadsels, waar natuurkundigen zich nog steeds het hoofd over breken. Zullen we ooit het geheim achter het bestaan van de tijd kraken, of zal het antwoord op onze vragen voor eeuwig verborgen blijven in het domein van de metafysica?
In deze video wordt een tipje van de sluier opgelicht.

Hoe wek je zelf je stroom op?

De Nederlandse overheid ontdekt gas en stroom steeds meer als lucratieve melkkoe. Off grid gaan, wat is daar voor nodig? Dit stappenplan kan helpen om jezelf los te koppelen van het stroomnet..

Raak vertrouwd met je stroomverbruik en identificeer de grootste stroomslurpers. Zoek hiervoor stroomzuiniger alternatieven.
Elke dag gebruikt de gemiddelde Nederlander of Vlaming zo’n vijf kilowattuur aan stroom. Ontdek hoe hoog jouw stroomverbruik is en hoe dat over de dag verdeeld is. Zonnestroom, bijvoorbeeld, is overvloedig aanwezig overdag en in de zomer, maar niet meer zodra de zon onder is en in de winter. Uit onderzoek blijkt dat drie op zich vrij nutteloze apparaten verantwoordelijk zijn voor het leeuwendeel van het stroomverbruik. Dat zijn waterbedden, elektrische boilers en tropische aquaria. Ook apparaten als vrieskisten, koelkasten en plasmaschermen zijn bericht om hun hoge stroomverbruik. Identificeer met een stroommeter de grootste stroomvreters. Wil je onafhankelijk worden, dan kan je deze het beste uit je leven bannen. Hoe minder stroom je gebruikt, hoe makkelijker het is om zelf in je stroom te voorzien. Slaag je er bijvoorbeeld in om je stroomgebruik terug te brengen tot bijvoorbeeld één kilowattuur per persoon per dag, dan heb je vijf maal zo weinig stroomleveranciers en opslagcapaciteit nodig.

Bekijk, welke mogelijkheden er zijn voor alternatieve energie.
De meest bekende vorm van alternatieve energie is de zon. Zonne-energie kan in twee vormen benut worden: via een zonneboiler op het dak of via zonnepanelen. De zon kan enorm veel vermogen leveren – op jaarbasis levert een zonnepaneel in de Lage Landen per kilowatt geïnstalleerd vermogen (1000 Wp) dat optimaal geplaatst is (45 graden, zuiden) zo’n 950 kilowattuur op. In theorie zou dat betekenen, dat het gemiddelde huishouden met vierduizend Wp volledig zelfvoorzienend zou zijn. Het nadeel van zonne-energie is de variabiliteit, vooral tussen winter en zomer. In de winter leveren zonnepanelen ongeveer een kwart op van de energie die ze in de zomer opleveren. Wil je energie-onafhankelijk worden, dan is het -zeker met de lage prijzen voor zonnepanelen nu – te overwegen om te overdimensioneren voor de winterzon en de zonnepanelen onder een hoek van minimaal 40 graden te plaatsen, zodat de opbrengst in de winter maximaal is.

Helaas stierf de Hyperion nucleaire batterij een vroege dood. Dit kleine apparaat kan een eiland zo groot als Texel voor tien jaar van stroom voorzien.

Het kan zijn dat lokale omstandigheden bijzondere vormen van energiewinning mogelijk maken. Zo maken veel boeren in de polders gebruik van brongas. Beschik je over een groter stuk land, dan worden biogas, houtgas en houtkachel interessant om in de winter voor aanvullende energie te zorgen.
Zorg in het geval van biogas wel voor goede isolatie of bijverwarming om de temperatuur van de gistingstank boven de 25 graden te houden. Een kilogram GFT-afval levert genoeg biogas om een uur op te koken.

Ook kan je papier inzamelen bij vrienden en bekenden; de verbrandingswaarde van papier per kilogram is ongeveer een derde van die van benzine. Door papieren briketten op te stoken, gemaakt van eigen papier met een brikettenpers, is in ongeveer de helft van de jaarlijkse warmtebehoefte te voorzien. Houtkachels zijn mooi te combineren met een Stirlinggenerator of Seebeck effect generator. Het rendement van Stirlinggeneratoren is niet verbijsterend hoog, te vergelijken met die van een benzinegenerator, maar ze hebben alleen een warmteverschil nodig om elektriciteit te genereren. Dat maakt Stirlinggeneratoren een droom voor creatieve knutselaars. Waar je dit warmteverschil vandaan haalt, maakt namelijk niet uit. Helaas zijn er alleen speelgoedmodellen of industriële modellen te koop. Prijzen voor particulieren liggen rond de tien- tot vijftienduizend euro. Beschrijvingen van kleinschalige zelfbouwmodellen van Stirlingmotoren en Seebeck effect generatoren zijn hier te vinden.

Een minder milieuvriendelijk, maar wel betaalbaar alternatief is het kopen van een generator op fossiele brandstof. Een dieselgenerator van vijfduizend watt kan voor onder de tweeduizend euro aangeschaft worden. Dieselgeneratoren kunnen met plantaardige oliesoorten zoals zonnebloemolie, afgewerkte frituurolie of slaolie gestookt worden. 8 uur stroom kost 13,5 liter diesel. Rond de vijftien euro per dag dus, of rond de dertig cent per kilowattuur. Dit is erg veel; hierbij zijn de kosten van de generator nog niet meegerekend. Wel is dit slechts een beperkt aantal malen nodig bij een forse overdimensionering van zonnepanelen.

Energieopslag
De variabiliteit van duurzame energiebronnen maakt het noodzakelijk om te investeren in een goede elektriciteitsopslag. Bekend is bijvoorbeeld de -dure- PowerWall van autofabrikant Tesla. Deze levert 13,5 kWh opslagcapaciteit voor rond de tienduizend euro. De Velkess vliegwiel kickstarter, waarover we eerder schreven, is helaas mislukt. Als gebruik wordt gemaakt van loodaccu’s, is deze 13,5 kWh opslagcapaciteit te realiseren voor omgerekend drie- tot vierduizend euro, zij het met grote verliezen aan stroom. Waar mogelijk moet je energie-intensieve taken, zoals de wasmachine gebruiken, plannen als er een overvloed aan energie is.

Een aardig alternatief qua verwarming, voor wie beschikt over veel land, is de zonnevijver. Water is door de zeer hoge warmtecapaciteit één van de beste warmteopslagmedia die er bestaan. Wel moet deze vijver dan goed geïsoleerd worden of overdekt worden door een kas. Per slot van rekening moet de vijver meerdere maanden de hoge temperatuur behouden.

Kunstmatig magnetisch veld om de aarde te redden?

In de verre toekomst, rond de 2 miljard jaar na nu, zal de convectie in de aardkern tot stilstand komen en het aardmagnetisch veld verdwijnen. Met de aarde zal dan gebeuren wat eerder met Mars gebeurde: een genadeloos bombardement van zonnewind zal de atmosfeer langzaam maar zeker uitputten en de aarde uitdrogen. Kan een kunstmatig magnetisch veld de aarde redden? Hoe sterk zou dit moeten zijn?

Hoe ontstaan magnetische velden?
Magnetisme bestaat alleen omdat de speciale relativiteit bestaat. Sterker nog: de speciale relativiteitstheorie is rechtstreeks af te leiden uit de vier fundamentele vergelijkingen van Maxwell die alle elektromagnetisme beschrijven. Een elektrische lading die beweegt, wekt een magnetisch veld op. Ook bestaan er elementaire magneetjes in de vorm van ijzeratomen of microstructuren, zoals in keramische magneten van neodymium en samarium. Deze wekken ook een magnetisch veld op: de reden waarom permanente magneten bestaan.
Op deze schaal zijn permanente magneten niet praktisch. We richten ons daarom op elektromagneten.

Het aardmagnetisch veld wordt opgewekt door stromingen in de aardkern. Als deze stoppen, hoe vervangen we die dan? – NASA

Hoe sterk is het aardmagnetisch veld?
Het aardmagnetisch veld heeft op de aardoppervlakte een sterkte van 25 tot 65 microtesla’s. Dit is op het eerste gezicht niet erg sterk: het veld van een sterke neodymiummagneet is tienduizenden malen sterker. Echter: dit veld omvat de gehele aarde. Om de zonnewind af te weren, moet een veld worden geconstrueerd dat minimaal dezelfde grootte en sterkte heeft.

Hoe vervangen we dit aardmagnetisch veld?
De eenvoudigste oplossing is een elektrisch supergeleidende spoel die om de aarde zweeft. Denk bijvoorbeeld aan een locatie op tienduizend kilometer van de aardkern, dus rond de 3 500 km boven de aardoppervlakte. Dit betekent een totale lengte per winding van rond de 62 800 km. Deze ring is in principe instabiel, dus moet voortdurend worden bijgestuurd en in de juiste baan worden gehouden.

Hier moet vervolgens een sterke stroom doorheen worden gestuurd. Voor een te bereiken veldsterkte van 50 microtesla en tienduizend windingen is dan in principe een stroom van 50 000 ampère toereikend om dit veld op te wekken. Japanse wetenschappers zijn er in 2014 in geslaagd om 100 000 ampère op te wekken en door een supergeleidend circuit te laten vloeien.

In theorie is deze oplossing dus zeker mogelijk. Echter: de bouw van 620 miljoen kilometer supergeleidende kabel die nooit mag haperen, zal zeer veel grondstoffen vergen. Wellicht is het dan slimmer om ionkanalen te openen – in de ruimte heerst vacuüm – die door richtringen worden gestuurd. Zeg maar een soort deeltjesversneller rond de aarde.

Oplossing voor Mars en Venus?
Deze techniek kan nu al worden gebruikt om een toekomstig geterraformeerd Mars te beschermen tegen de zonnewind. Omdat Mars veel kleiner is dan de aarde en de flux van de zonnewind maar de helft is, zou dit systeem kleiner kunnen.
Voor Venus zal een twee keer zo sterke veldsterkte, en hiermee stroomsterkte, nodig zijn om hetzelfde effect te bereiken.
Venus zal grondiger aangepakt moeten worden: zo moet de planeet weer in rotatie worden gebracht en verlost van de verstikkende deken koolstofdioxide. De hoeveelheden energie die hier voor nodig zijn, vereisen een Kardashev-II beschaving en liggen nog ver buiten ons bereik.

Negatieve massa geproduceerd

Massa is altijd positief. Er zijn in de natuur geen verschijnselen bekend die een negatieve massa hebben. Althans: tot nu toe. Nu is een groep onderzoekers er voor het eerst in geslaagd om materie zich te laten gedragen als negatieve massa.

Wat is massa?

Massa lijkt een van de eenvoudigste begrippen in de natuurkunde. Schijn bedriegt hier. Hoewel Newton zijn mechanica al meer dan vier eeuwen geleden opstelde, is massa nog steeds niet geheel begrepen. Om enkele voorbeelden te geven: fotonen, lichtdeeltjes, hebben geen massa. Het is echter wél theoretisch mogelijk om licht op te sluiten in een volmaakt spiegelende bol en dan blijkt licht wel degelijk massa te hebben; het is de opsluiting van energie die massa produceert. Het meest raadselachtige aan massa is misschien wel dat het zowel traag als zwaar is, dat de verhouding traagheid/zwaarte altijd gelijk blijft. Een massa van 1 kg valt daarom even snel  als een massa van 10 kg.

Hoe gedraagt negatieve massa zich?

In theorie is het mogelijk om een minteken achter het massagetal te zetten. Je beschrijft dan negatieve massa. Op dit moment zijn er geen echte voorbeelden van negatieve massa bekend – het ‘leger dan leeg’ quantumvacuüm tussen twee platen dat het Casimireffect veroorzaakt komt er wellicht het dichtste in de buurt. Negatieve massa versnelt tegengesteld aan de richting van de versnellende kracht. Een trap tegen een bal met negatieve massa betekent dat deze jouw kant op komt vliegen. Natuurkundigen berekenden dat de ‘klassieke’ variant van negatieve massa, waarbij positieve massa alles aantrekt en negatieve massa alles afstoot, tot onzinnige uitkomsten leidde en hiermee logisch onmogelijk is. Als negatieve massa bestaat, moet deze andere negatieve massa aantrekken, maar positieve massa afstoten. Dit type is wel theoretisch mogelijk.

Het gebied met negatieve massa is grijs. De uitbreiding stokt in dit gebied Bron: 1.

Bose-Einstein condensaat

Een ijzeren natuurwet is het onzekerheidsprincipe van Heisenberg. Als bijvoorbeeld de snelheid zeer nauwkeurig bekend is, wordt de positie zeer onnauwkeurig. Van een atoom in de buurt van het absolute nulpunt is de snelheid zeer nauwkeurig bekend: vrijwel nul. Dat maakt dat de positie zeer onnauwkeurig wordt: het atoom is overal tegelijk, m.a.w. verandert in een ijle waarschijnlijkheidswolk. In een Bose-Einstein condensaat overlappen de waarschijnlijkheidswolken van bosonische atomen (even aantal sub-deeltjes, zoals bij een helium-4 atoom) elkaar. Kwantummechanisch gezien is er geen onderscheid meer tussen deze atomen; ze gedragen zich als één geheel. Dit punt bereiken vereist nanokelvins, m.a.w miljardsten van graden boven het absolute nulpunt.

Hoe ontstond de negatieve massa?

Een Bose-Einstein condensaat is een extreem koud wolkje dat door middel van bijvoorbeeld lasers op zijn plaats gehouden wordt. Zo ook in dit experiment met rond de honderdduizend rubidiumatomen. Met een tweede verzameling lasers brachten de onderzoekers het condensaat in de gewenste spin- en baantoestand. Het condensaat werd in één dimensie vrijgelaten, waardoor het condensaat zich uitbreidde in deze dimensie. Hierbij ontstond er een gebied met pseudo-negatieve massa. Zodra het condensaat zich in dit gebied uitbreidde, gedroeg het zich alsof het negatieve massa had. Dat wil zeggen: het ging versnellen in de tegenovergestelde richting. Op de afbeelding is dit te zien omdat in de onderste opname de uitbreiding plotseling stopt, als door een onzichtbare kracht.

Wat is het praktische nut?

Dit is een fundamenteel-wetenschappelijke doorbraak. Als we experimenten kunnen doen met negatieve massa, al is het dan in een pseudo-vorm zoals hier, kunnen we het gedrag van het werkelijke goedje voorspellen, mochten we er in slagen deze te produceren. We kunnen nu ook gerichter zoeken naar verschijnselen waarin het mogelijk een rol speelt. Hebben we eenmaal negatieve massa verkregen, dan zouden we er bijvoorbeeld een wormgat mee open kunnen houden. Wormgaten zijn één van onze beste kanshebbers om sneller dan licht te kunnen reizen, of zelfs naar een ander universum te kunnen reizen. Dit zou het praktisch nut bijna oneindig groot maken, omdat het heelal zo eenvoudig bereisbaar voor ons wordt.

Bron
M. A. Khamehchi et al, Negative-Mass Hydrodynamics in a Spin-Orbit–coupled Bose-Einstein Condensate, Physical Review Letters (2017). DOI: 10.1103/PhysRevLett.118.155301
(budgetoplossing)

Sneller dan het licht is wél mogelijk

Vanaf onze vroege kinderjaren wordt ons al voorgehouden dat niets sneller dan het licht gaat. Mede omdat ik een provocerende persoonlijkheid bezit vind ik het leuk om dit soort onwaarheden aan de kaak te stellen. Een overzicht van dingen die sneller dan het licht gaan.

1: Tachyonen (hypothetisch),

Een tachyon (uit het Grieks: ταχύς (tachús), ‘snel’) is een hypothetisch exotisch deeltje dat beweegt met een snelheid groter dan de lichtsnelheid.

De eerste beschrijving van tachyonen wordt toegeschreven aan de Duitse natuurkundige Arnold Sommerfeld, maar het waren George Sudershan[1][2] en Gerald Feinberg[3] (die de term bedacht) in de jaren zestig die een theoretisch model ontwikkelden voor onderzoek. Tachyonen worden in meerdere theorieën gebruikt, waaronder de snaartheorie. In termen van speciale relativiteit is een tachyon een deeltje dat zich op een ruimteachtige(in plaats van een tijdachtige) baan beweegt en een imaginaire eigentijd heeft.

2: Expansie van het heelal,

Hoe snel expandeert ons heelal? Is dit sneller dan het licht, of juist langzamer? Een van de mooiste antwoorden die ik ooit heb gehoord heb kwam van Prof. Christoffel Waelkens. We hebben geen snelheid die te meten is in aardse begrippen. De uitdijing volgt uit de wet van Hubble, die stelt dat de sterrenstelsels zich van elkaar verwijderen met een snelheid evenredig met hun onderlinge afstand. Twee maal zo ver betekent twee maal zo snel. Helaas gaat deze wet alleen maar op bij de erg grote afstanden. De wet werd geformuleerd door Edwin Hubble in 1929.

3: Verstrengelde deeltjes,

Observaties betreffende verstrengelde staten lijken in strijd te zijn met de eigenschap van de relativiteitstheorie dat informatie niet sneller kan reizen dan de lichtsnelheid. Hoewel twee verstrengelde systemen elkaar lijken te beïnvloeden over grote afstand in de ruimte, is de huidige opinie dat geen bruikbare informatie op deze wijze overgebracht kan worden, wat betekent dat de ‘oorzakelijke natuurkunde’ niet geschonden wordt door verstrengeling. Dit is de geen-communicatie-stelling (“no-communication theorem“).

4: Superman,

Superman werd geboren als Kal-El, zoon van de wetenschapper Jor-El en zijn vrouw Lara Lor-Van, op de planeet Krypton. Deze planeet stond op het punt te ontploffen, waardoor Supermans ouders besloten hem te evacueren met een ruimteschip. Dit schip werd naar de Aarde gestuurd, aangezien deze planeet eveneens een perfect leefklimaat had voor Kryptonianen. Op de Aarde landde het schip net buiten het kleine dorpje Smallville, waar de jonge Kal-El werd gevonden en geadopteerd door Jonathan en Martha Kent. Zij noemden hem Clark Kent. (PS: voor de lezers met een autisme spectrum stoornis: ja, dit is humor)

5: Vuurtoreneffect,

De bundels elektromagnetische straling die pulsars rond sproeien, lijken veel sneller dan het licht te reizen. Als er een groot kosmisch scherm zou bestaan, zou je op dit scherm de bundels van pulsars in seconden tijd vele lichtjaren af zien leggen. Dit is echter maar schijn. De bundel kan geen informatie  sneller dan het licht laten gaan.

6: Evanescerende golven,

Er bestaat licht, dat sneller dan de lichtsnelheid gaat. Het gaat hier om zogenoemde evanescerende (‘verdwijnende’) golven. Deze ontstaan bij totale interne reflectie (alle licht in een optisch medium, zoals glas, wordt op het grensvlak teruggekaatst). Erg ver reizen evanescerende golven niet: hun intensiteit neemt in licht met een macht e af, elke 130 nanometer afstand. Dit is mogelijk, omdat evanescerende golven geen energie en informatie dragen. Wie niet bang is voor wat pittige optica, staat HIER hoe golven sneller dan het licht kan reizen.

Wiskundig is het al een aantal jaren mogelijk om sneller dan het licht te gaan. Trouwe Visionair-lezers wisten dit al in 2012 :

Al meer dan honderd jaar is het een dogma: niets kan sneller bewegen dan het licht, want in dat geval levert de speciale relativiteitstheorie onzin op. Maar klopt dat laatste wel? Wiskundigen zijn er nu in geslaagd een sneller-dan-licht beweging te beschrijven en zo Einsteins theorie voorbij de lichtsnelheid op te rekken.

Onze intergalactische ambities komen steeds dichterbij de realiteit, mede door visionairs als Alcubierre en Harold White. Deze mannen hebben de relativiteitstheorie goed begrepen. Alles is namelijk relatief.

Dutch