waterstof

Isotopenscheiding met kooimoleculen brengt kernfusie dichterbij

Deuterium, een belangrijke grondstof voor kernfusie, is nu lastig te winnen en daarom duur.

Indertijd, in de jaren tachtig van de vorige eeuw was het groot nieuws: het bestaan van buckyballs (C60), voetbalvormige koolstofmoleculen. Met het ontdekken van buckyballs ontstond ook het concept dat atomen, ionen en kleine moleculen in deze “kooi” opgesloten konden worden. Sindsdien is het stil rond buckyballs en soortgelijke moleculen. Alleen grafeen en koolstofnanobuisjes mogen zich in blijvende belangstelling verheugen. Nu blijk er toch een spectaculaire nieuwe toepassing te zijn. Voor kernfusie is deuterium nodig. Dat verschilt van de meest voorkomende vorm van waterstof omdat er niet alleen een proton, maar ook een neutron in de kern zit. Ongeveer één van de 6240 waterstofatomen is een deuteriumatoom. (Er is nog een derde waterstofisotoop, tritium (wellicht bekend van de ’tritium lights’), een radioactieve variant met een halfwaardetijd van iets meer dan tien jaar. Daarom komt tritium van nature bijna niet voor).

Deuterium scheiden van protium, ‘normale’ waterstof, is een moeizaam proces: beide isotopen zijn chemisch namelijk vrijwel identiek. Weliswaar is deuterium door de dubbele massa iets langzamer in chemische reacties dan protium, en zijn hoge concentraties deuterium in het lichaam (denk aan vele procenten van alle waterstof) daarom giftig, maar erg groot is dit verschil niet. Erg vervelend, want nu moeten beide isotopen met behulp van kostbare technieken, zoals gasdiffusie, van elkaar gescheiden worden. Op dit moment kost pure deuterium daarom enkele duizenden euro’s per kilogram.

Met deze nieuwe techniek komt hier, mogelijk, verandering in. De speciale moleculaire structuur van de separatorlaag – met strategisch geplaatste grote en kleine holtes – versnelt de zwaardere deuteriumdeeltjes ten opzichte van de protiumdeeltjes. Op die manier ontstaat een verrijking in deuterium in het concentraat. Als deze stap maar vaak genoeg herhaald wordt, ontstaat er uiteindelijk een zeer deuteriumrijk concentraat. Als deuterium eenmaal een hoog percentage van het concentraat uitmaakt, is het veel eenvoudiger om het deuteriumgehalte nog verder op te voeren.

Deuterium is de zwaardere variant van waterstof. Deuterium is zeldzaam: slechts 1 op de 3200 waterstofatomen op aarde is een deuteriumatoom. Bron: dancingwithwater.com
Deuterium is de zwaardere variant van waterstof. Deuterium is zeldzaam: slechts 1 op de 3200 waterstofatomen op aarde is een deuteriumatoom. Bron: dancingwithwater.com

De gebruikte techniek werkt alleen bij temperaturen die ongeveer dertig graden boven het absolute nulpunt liggen. De onderzoekers hopen een variant van de isotopenscheiding te ontwikkelen, die ook bij hogere temperaturen is toe te passen.

Bron:
Ming Liu et al. Barely porous organic cages for hydrogen isotope separation, Science (2019). DOI: 10.1126/science.aax7427

Het periodiek systeem Waterstof (H)

Een serie artikelen over de verschillende elementen. De legoblokjes waarmee wijzelf, onze aarde en de materie van het universum is opgebouwd hebben allemaal hun eigen specifieke eigenschappen. In deze serie gaan we stap voor stap langs elk element en kijken we wat voor zinvolle zaken de Wikipedia erover te zeggen heeft, met daarnaast een interessant filmpje van de universteit van Nottingham waarmee verschillende experimenten met het betreffende element worden gedaan.

Om de spits af te bijten het eerste element van de 118, Waterstof (H)

Klik hierop om naar de wikipedia versie te gaan waarbij je gemakkelijk naar de verschillende elementen kunt doorklikken

Waar komt waterstof voor?

Waterstof is het lichtste en meest voorkomende element. Zuiver waterstof, H2, is een brandbaar, zelfs explosief gas en komt op aarde alleen in zeer kleine hoeveelheden in aardgas voor. Vrijwel alle waterstof op aarde komt gebonden, in de vorm van water en koolwaterstoffen, voor. De zon en de gasreuzen Jupiter en Saturnus bestaan voor het grootste deel uit waterstof. Ongeveer driekwart van alle uit atomen ogebouwde materie in het heelal bestaat uit waterstof.

Eigenschappen van waterstof
De verreweg meest voorkomende soort, protium, bestaat uit slechts één proton met daarom heen een elektron. Deuterium heeft naast een proton ook een neutron in de kern, het radioactieve tritium zelfs twee neutronen. Waterstof kan slechts een enkelvoudige chemische binding vormen omdat het maar één elektron heeft. Je vindt waterstofatomen daarom altijd aan de uiteinden van moleculen waar het deel van uitmaakt. Wel kan waterstof zogeheten waterstofbruggen vormen, het gevolg van de aantrekkingskracht tussen de positief geladen waterstofatomen en de negatief geladen zuurstofatomen in bijvoorbeeld water. Deze zijn ongeveer 10% zo sterk als een normale atoombinding. Bestonden deze niet, dan was water een gas, net als kooldioxide.
Onder zeer hoge druk verandert waterstof in een metaal (de reden dat Jupiter een zo sterk magnetisch veld heeft).
Als waterstofkernen samensmelten tot helium komen zeer grote hoeveelheden energie vrij, per kilogram waterstof rond de 330 000 megajoule (iets minder dan 100 000 kWh, voldoende om een Nederlandse familie levenslang van stroom te voorzien).


Toepassingen
Voor industriële toepassingen zijn grote hoeveelheden waterstof nodig in zogenaamde hydrogenatiereacties, onder andere in het Haber-Boschproces waarin ammoniak geproduceerd wordt, het harden van vetten en oliën en de productie van methanol.

Andere toepassingen waar waterstof voor nodig is:

  • Hydroalkylatie, hydro-ontzwaveling, hydrokraken.
  • Productie van zoutzuurlassen, als raketbrandstof, en voor reductie van metaalertsen.
  • Vloeibaar waterstof wordt gebruikt bij cryogeen onderzoek
  • Waterstof weegt slechts 1/14 van een gelijk volume aan lucht. Om die reden werd het in het verleden veel toegepast als vulling in ballonnen en zeppelins. Vanwege de brandbaarheid wordt dit tegenwoordig veel minder gedaan.
  • Waterstof wordt gebruikt voor het koelen van generatoren met een vermogen groter dan 200 MW.
  • Het waterstofisotoop deuterium wordt in nucleaire toepassingen gebruikt als moderator om neutronen te vertragen. Deuteriumverbindingen vinden ook toepassingen in de chemie en biologie bij studies naar isotoopeffecten op reacties, en voor gebruik in NMR-experimenten en neutronenverstrooiing waar gewoon waterstof de meting zou verstoren.
  • Het waterstofisotoop tritium wordt geproduceerd in kernreactoren en is nodig voor de fabricage van een waterstofbom, in biologische en biomedische wetenschappen gebruikt als isotooplabel, en als stralingsbron in lichtgevende verf.
  • Deuterium en tritium worden ook gebruikt als brandstof in experimentele kernfusie reactoren zoals ITER.

 

Clusters calciumatomen met zes waterstofatomen hangen als druiventrossen aan een traliewerk van koolstofatomen, het carbyn.

Doorbraak waterstofopslag in benzinetank

Het gebruik van waterstof als autobrandstof of voor vliegtuigen wordt nu eindelijk echt interessant door een spectaculaire ontdekking.

Calciumdruiven aan koolstofranken
Een netwerk van met calcium ‘gedecoreerd’ carbyn is in potentie in staat zoveel waterstof op te slaan dat het ruim voldoet aan Amerikaanse normen om als “groene” alternatieve energiebron voor voertuigen te dienen, ontdekten onderzoekers van Rice University, een universiteit in de Texaanse stad Houston.

Clusters calciumatomen met zes waterstofatomen hangen als druiventrossen aan een traliewerk van koolstofatomen, het carbyn.
Clusters calciumatomen met zes waterstofatomen hangen als druiventrossen aan een traliewerk van koolstofatomen, het carbyn.

Nanomaterialen gebruiken als middel om energie op te slaan is de laatste jaren in hoog tempo populairder geworden. Geen wonder. De mogelijkheden blijken ongekend. Onder andere nanobuisjes en nanolinten worden onderzocht. Maar ze denken niet klein genoeg, toont nieuw onderzoek van theoretisch natuurkundige Yakobson aan. Boris Yakobson, hoogleraar materiaalkunde, werktuigbouwkunde en scheikunde aan Rice, is de auteur van een artikel in Nano Letters. Vergeleken met carbyn zijn nanobuisjes veel te log. Carbyn is in feite een koolstofketen die als het ware van grafeen af is getrokken, als een wollen draad uit een  trui. Dunner dan een draad van één atoom dik kan niet, aldus Yakobson.Vandaar dat het nieuwe materiaal opmerkelijke eigenschappen heeft.

Opslag bij kamertemperatuur
Carbyn is een exotisch materiaal, zo heeft elk koolstofatoom in carbyn meerdere vrije elektronen wat het extreem reactief maakt. Recente experimenten laten echter zien dat het kan worden vervaardigd en gestabiliseerd bij kamertemperatuur, de temperatuur waarbij opslag het interessantst is. Uiterst belangrijk, want andere nanomaterialen als koolstofnanobuisjes, buckyballs en grafeen zijn alleen effectief voor de opslag van waterstof bij zeer lage temperaturen – wat toepassing in bijvoorbeeld auto’s veel lastiger maakt.

Het calcium dient als ‘lokaas’ voor de waterstofmoleculen en maakt opslag bij kamertemperatuur mogelijk voor carbyn. Carbyn heeft veel weg van een tralienetwerk en kan in theorie ongeveer vijftig procent van zijn gewicht in waterstof opslaan, ver boven de 6,5 % die het Amerikaanse ministerie van Energie tot doel heeft gezet voor 2015. Deze ‘zwakke’ binding werkt echter alleen bij zeer lage temperaturen, aldus Yakobson. Althans: zonder calcium. Calcium geeft de absorptie van waterstof zoveel bindingsenergie (0,2 eV, dit is ongeveer de bindingsenergie waarmee watermoleculen aan elkaar zitten) dat deze ook bij kamertemperatuur nog plaatsvindt. Calciumatomen gaan niet op een kluitje op elkaar zitten, dus kunnen ze als druiven op een wijnrank aan de carbynketen hangen. Elk calciumatoom kan tot zes waterstofatomen binden. Dit zou het netwerk rond de acht procent van zijn gewicht in waterstof op kunnen laten staan. Iets boven de 6,5% die als drempelwaarde wordt gezien. Dit kan door de luchtige structuur van carbyn, waardoor er meer ruimte is voor waterstofatomen in de lege ruimte tussen de ketens.

Hoe kan dit materiaal worden vervaardigd?
Yakobson en zijn collega’s hebben verschillende methoden bedacht. In één configuratie, die veel weg heeft van metaal-organische frames, wordt een diamantachtig rooster vervaardigd. Zo kunnen ongeveer vijf waterstofatomen per calciumatoom worden geabsorbeerd. Het aantal koolstofatomen in elke tak zou de totale capaciteit bepalen. In een andere methode stelden ze voor met calcium ‘versierde’ koolstofketens van grafeen te trekken, wat zou kunnen dienen als raamwerk.

Volgens Yakobson is nog niet zeker welke vorm gaat werken en welke vorm deze in gaat nemen. Hij denkt dat het met enig geluk mogelijk is dat in drie tot vijf jaar dit concept productierijp is. Dus wie weet zullen we over vijf tot tien jaar rondrijden met een tank gevuld met calcium nanodruiventrossen, badend in waterstof…

Bron:
Carbon ‘grapevine’ may store hydrogen, Physorg (2011)
Calcium-Decorated Carbyne Networks as Hydrogen Storage Media, Nano Lett., 2011
Carbon ‘grapevine’ may store hydrogen -Rice University lab shows potential of calcium/carbyne lattice to power vehicles, Rice University (2011)

 

H6+ ziet er ongever zo uit: als een gedraaide kluif van zes waterstofatomen, waaraan een elektron ontbreekt.

Waterstofijs verklaring raadselachtige IR-gloed en donkere materie?

Waterstofijs is vrijwel onzichtbaar met radiotelescopen. Een ideale kandidaat voor donkere materie dus, zou je zeggen. Tot voor kort werd door astronomen aangenomen dat waterstofijs niet de donkere materie kan verklaren, omdat waterstofijs zelfs bij de zeer lage temperaturen in de interstellaire ruimte sublimeert (van vaste stof in gasvorm overgaat). Nu zijn ze daar niet meer zo zeker van: bepaalde onzuiverheden kunnen de atomen voldoende stabiel bij elkaar houden. Hebben we eindelijk de dader te pakken?

Vast waterstofijs is doorzichtig

H6+ ziet er ongever zo uit: als een gedraaide kluif van zes waterstofatomen, waaraan een elektron ontbreekt.
H6+ ziet er ongever zo uit: als een gedraaide kluif van zes waterstofatomen, waaraan een elektron ontbreekt.

Vaste waterstof is naar aardse begrippen een opmerkelijke stof. Het weegt bijvoorbeeld per liter slechts vijftig gram. Bij zeer hoge druk krijgt het metaaleigenschappen, de reden voor het extreem sterke magneetveld van de gasreus Jupiter. Vaste waterstof is in principe een kandidaat om donkere materie te verklaren. Astronomen weten al lang dat een groot deel van het heelal is gevuld met diffuse waterstof. In feite, kunnen ze geïoniseerd waterstofgas zien door de elektromagnetische golven dat het afgeeft.

In de jaren zestig suggereerden sommige astronomen dat het interstellaire medium ook zou kunnen zijn gevuld met vast waterstofijs. Diverse anderen wezen er later op dat dit onwaarschijnlijk was, omdat het ijs zou moeten sublimeren, zelfs in de extreme kou van de interstellaire ruimte. Kort geleden hebben sterrenkundigen toch dit idee heroverwogen en steeds meer wetenschappers beginnen te geloven in waterstofijs. Dat komt omdat chemici hebben ontdekt dat waterstofijs stabieler is als dit verontreinigingen bevat. De extra ionen in het rooster helpen om H2 ijs te stabiliseren.

Dat roept een interessante vraag op. Waterstofijs is min of meer doorzichtig op optische frequenties. Dus hoe kunnen we het detecteren in de ruimte?

‘H6+-ionen verklaren mysterieuze straling’
Ching Lin Yeh aan de Australian National University in Canberra en een paar collega’s doen een interessante suggestie. Ze zeggen dat wanneer fotonen waterstofijs treffen, ze geïoniseerd waterstof creëren en met name clusters van H6+ in het leven roepen. Dit complexe ioncluster van zes protonen en vijf elektronen wordt niet in waterstofgas gevormd, zodat de aanwezigheid ervan is een goede marker is voor waterstofijs. Bestaat H6+, dan bestaat er waterstofijs.

Het probleem is dat niemand weet hoe H6+ zich gedraagt – dit onderzoek is nog niet uitgevoerd in het lab. Dus Ching Lin Yeh en de zijnen hebben, uitgaande van de kwantummechanische beschrijving van het hypothetische H6+-ion, de vibrationele overgangen van het ion berekend. Hun conclusie is dat H6+ (en haar gedeutereerde neefje (HD)3+) verschillende infraroodemissies moet produceren.

Vervolgens vergelijken ze hun voorspellingen met daadwerkelijk door astronomen waargenomen frequenties. Het blijkt dat de interstellaire ruimte flauw gloeit: een complex mengsel van frequenties. Deze emissies zijn de zogenaamde diffuse interstellaire banden of DIBs en hun herkomst is al lang een raadsel voor astronomen. Ching Lin Yeh en zijn medeauteurs stellen dat de voorspelde emissies van H6+ nauw overeenkomen met die astronomen kunnen zien. “Wij concluderen dat het goed mogelijk is dat vaste H2 overvloedig aanwezig is in het interstellaire medium,” zeggen ze.

Eenvoudige verklaring: geen exotische chemische stoffen nodig
Dit is uiterst interessant. Waterstof moet een belangrijk onderdeel zijn van het interstellaire medium, maar astronomen weten dat gasvormige waterstof niet de waargenomen straling kan produceren. De in het nauw gedreven astronomen probeerden de straling te verklaren met behulp van allerlei soorten meer complexe moleculen, zelfs grote organische moleculen, zoals aminozuren en polycyclische aromatische koolwaterstoffen, de bouwstenen van het leven.

Er zijn duidelijke aanwijzingen dat deze moleculen aanwezig zijn in sommige dichte wolken (geproduceerd door supernova’s), maar het gaat uiterst ver, te beweren dat ze zijn verspreid over het hele interstellaire ruimte. Dat zou namelijk betekenen dat er tijdens of vlak na de Big Bang enorme hoeveelheden van deze stoffen zijn geproduceerd – wat in strijd is met zo ongeveer alle serieuze kosmologische modellen. Theoretisch gesproken is H6+ dus een godsend. Iemand moet H6+ van massief waterstof maken en nauwkeurig het stralingsgedrag in deep space meten. Lukt dat, dan zou dat een aantal theoretici van een uiterst vervelend probleem afhelpen. Geen gemakkelijke experiment, dat is zeker, maar beslist mogelijk met de huidige technologie.

Als donkere materie inderdaad uit vast waterstofijs bestaat, worden Bussard ramjets een aantrekkelijke keus voor interstellaire rumtereizen.
Als donkere materie inderdaad uit vast waterstofijs bestaat, worden Bussard ramjets een aantrekkelijke keus voor interstellaire ruimtereizen.

Gevolgen van grote hoeveelheden vast waterstofijs in de ruimte
Reizen met snelheden in de buurt van het licht worden aan de ene kant erg lastig, omdat brokjes botsende materie bij relativistische snelheden even explosief is als antimaterie. Zelfs een klein brokje waterstofijs heeft dan al verwoestende effecten.

Wellicht kan een ramjetdesign, zoals van Bussard, hierbij helpen. Het magnetische schepveld kan dan de geladen ijsdeeltjes invangen en laten fuseren, waardoor toch het sterrenschip wordt beschermd en tegelijkertijd brandstof uit het interstellaire medium wordt geschept.

Aan de andere kant zou dit materiaal als hulpbron kunnen worden ingezet met (naar moderne begrippen) haalbare technologie. Je kan je voorstellen dat enorme hoeveelheden vast waterstofijs worden samengebracht als brandstof voor  kernfusiecentrales of om nieuwe sterren mee te scheppen.

Bron:
Ching Lin Yeh et al., Interstellar Solid Hydrogen, arxiv.org

In de mini-pilaren wordt water in twee stappen omgezet in waterstofgas.

Doorbraak: waterstof uit zonlicht

Waterstof rechtstreeks produceren uit zonlicht kon tot nu toe alleen met het schaarse platina. Onderzoekers kunnen nu met een nieuw materiaal, bestaande uit het veel voorkomende molybdeen en zwavel, even hoge rendementen boeken. Komt de waterstofeconomie er nu dan toch aan?

Waterstof als oplossing energieopslagprobleem
Zonnepanelen zijn op dit moment de effectiefste manier om energie uit zonlicht op te wekken. Commerciële cellen halen tien tot twintig procent, het allerbeste laboratoriummodel zit tegen de veertig procent. Elektriciteit kent echter een vervelend probleem. Het is zeer lastig op te slaan. Dat is met waterstofgas makkelijker, zeker in grotere hoeveelheden. Daarom geloven veel onderzoekers in een waterstofeconomie, waarin energie over de wereld wordt getransporteerd in de vorm van waterstof.

Waterstof produceren uit zonlicht
Essentieel hierbij is het splitsen van water in waterstof en zuurstof. Dat kan door elektrische stroom door water te laten lopen. Hierbij wordt water gesplitst in waterstof en zuurstof. Een tweede methode is het verhitten van steenkool met waterdamp, waarbij kooldioxide en waterstofgas ontstaat. Uiteraard is de mooiste oplossing om water rechtstreeks te splitsen in waterstof en zuurstof met behulp van zonlicht. Tot nu toe was daar maar één effectieve methode voor waarbij het zeldzame edelmetaal platina als katalysator wordt gebruikt. Hierbij wordt meer dan 10% van alle zonlicht gebruikt om waterstof mee te produceren: het rendement van een goedkope zonnecel.

In de mini-pilaren wordt water in twee stappen omgezet in waterstofgas.
Aan het oppervlak van de mini-pilaren wordt water in twee stappen omgezet in waterstofgas.

Molybdeensulfide als zonnecel
Nu is een nieuwe methode ontwikkeld, waarbij molybdeensulfide wordt gebruikt. Chemische zonnecellen bestaan uit kleine staafjes, waarvan het bovenste deel blauw licht absorbeert en met behulp hiervan water splitst in H+-deeltjes (protonen) en zuurstof. In het onderste deel worden onder invloed van rood licht elektronen aan de H+-deeltjes toegevoegd en geoxideerd tot waterstofgas. Voor die tweede reactie werd tot nu toe platina gebruikt. De onderzoekers hebben nu ontdekt dat molybdeensulfide (Mo3S4) dit laatste proces even efficiënt uitvoert. Hierbij absorbeert een silicium P-halfgeleider (waaruit de staafjes bestaan) het rode licht en draagt de energie (en elektronen) over aan molybdeensulfide, dat de protonen met de elektronen samenvoegt en zo waterstofgas produceert.

De onderzoekers keken de kunst af van bacteriën. Ze stelden vast hoe bacteriën protonen in waterstofgas omzetten en wat deze reactie zo efficiënt maakte. Ze ontdekten toen dat dit effect met molybdeensulfide uitstekend te repliceren is.

Helaas is er nog steeds geen materiaal dat de eerste stap, het omzetten van water in protonen en zuurstof, efficiënt kan verrichten. De onderzoekers willen ook dit probleem op soortgelijke wijze aanpakken en op deze manier een even effectief materiaal ontdekken. Ook dit belooft een taaie klus te worden.

Doorbraak waterstofeconomie?
Lukt het deze onderzoekers (of hun collega’s) ook de laatste missende schakel te vinden en zo een effectief en goedkoop proces te ontwikkelen om waterstof te produceren, dan worden grote drijvende zonnefarms denkbaar, die in de wintermaanden de Noord-Europese landen van waterstofgas kunnen voorzien om zo de productie uit andere alternatieve bronnen aan te vullen. Dit zou effectief de energieafhankelijkheid van Europa terugbrengen tot nul.

Bronnen
Yidong Hou et al., Bioinspired molecular co-catalysts bonded to a silicon photocathode for solar hydrogen evolution, Nature Materials (2011)
Hydrogen fuel tech gets boost from low-cost, efficient catalyst, CINF Denemarken

Plantlab's kassen zien er buitenaards uit omdat alle straling die nauwelijks door planten wordt gebruikt, weggelaten is.

‘Kunstlicht oplossing hongersnood’

Van alle zonne-energie die neerstraalt op gewassen kunnen ze maar een klein deel gebruiken. Het grootste deel, bijvoorbeeld groen licht, kan zelfs schadelijk werken omdat het de plant dwingt meer water te verdampen. Is het niet beter woestijnen zwart te maken dan groen?

Maar ongeveer de helft van alle licht kan door planten worden gebruikt. Zelfs van dit licht verandert maar een klein percentage in biomassa.
Maar ongeveer de helft van alle licht kan door planten worden gebruikt. Zelfs van dit licht verandert maar een klein percentage in biomassa.

Landbouw inefficiënt met energie
Het productierecord van de hoogstrenderende gewassen staat op ongeveer driehonderd kilogram droge stof per hectare per dag (dertig gram per vierkante meter, overeenkomend met 504 kJ aan energie, ongeveer 0,14 kWh). Dat is veel meer dan boeren nu in de praktijk halen, maar vergeleken met de hoeveelheid zonnestraling die per vierkante meter per dag in de equatoriale woestijnen binnenkomt (31,6 MJ; 8,8 kWh) is dit maar een kleine fractie.

Plantlab's kassen zien er buitenaards uit omdat alle straling die nauwelijks door planten wordt gebruikt, weggelaten is.
Plantlab's kassen zien er buitenaards uit omdat alle straling die nauwelijks door planten wordt gebruikt, weggelaten is.

Planten zijn kieskeurige eters
Voor een deel komt dat omdat er veel energie verloren gaat in het omzetten van licht in aangeslagen elektronen en in het om zetten van de elektronen in koolwaterstoffen. Een andere oorzaak is echter dat maar een klein deel van de totale straling door planten gebruikt kan worden. Het aandeel zogeheten PAR, photosynthetically active radiation, is iets minder dan de helft.

Alle licht met een golflengte tussen de 530 en 660 nanometer (wij nemen dit waar als groen en geel) wordt nauwelijks gebruikt. Zonde, vinden ze bij het Nederlandse bedrijf PlantLab. Het is veel slimmer om deze straling door zonnepanelen in elektriciteit om te laten zetten en de plant alleen die straling te geven waar deze wat mee kan. Rode en blauwe straling dus.

Dat kan vrij nauwkeurig en zeer efficiënt met LEDs. Het is in feite veel moeilijker om met LEDs wit licht te produceren. Ook spaarlampen moeten een  speciale behandeling ondergaan om hun spectrum een beetje op daglicht te laten lijken (en zelfs dat lukt niet al te best – de reden dat veel mensen de voorkeur geven aan het thermische spectrum van gloeilampen).

Kassen in woestijnen
Kasteelt is ook veel zuiniger met water dan teelt in de open buitenlucht. Als bijvoorbeeld een hectare woestijn met zonnepanelen wordt overdekt, kan door het recyclen van water ongeveer een kilogram eetbaar product per liter water worden geproduceerd. In woestijnlanden is water extreem schaars, wat dit argument doorslaggevend maakt. Verscheidene andere projecten werken ook met kassen om efficiënter gebruik te maken van de beperkte hoeveelheid water in de woestijn. Ook is de hoeveelheid zonnestraling in woestijnen hoger dan optimaal. De biochemie in de cel kan het nauwelijks bijbenen. De enorm hoge verdamping overbelast de houtvaten, waardoor zelfs bij voldoende water planten gaan verwelken.
In een kas kan extra kooldioxide worden toegevoerd. In feite heerste de afgelopen twintig miljoen jaar een kooldioxide-hongersnood en groeien planten veel beter bij een hoge kooldioxideconcentratie. In een kas kan dat, omdat het een gesloten systeem is.

Akkers van meer verdiepingen
Als deze twee technieken worden gecombineerd, ontstaat de mogelijkheid om meer dan een verdieping met gewassen te verbouwen. Er kunnen in landen als Libië zelfs zonnecentrales in het onbewoonde binnenland worden geplaatst die de dichtbevolkte steden aan de kust van elektriciteit voorzien om zo in agro-wolkenkrabbers grote hoeveelheden voedsel te produceren. Een probleem in landen als Libië en Saudi-Arabië blijft wel dat de bevolking werken met de handen vernederend vindt, een voortvloeisel van de uitgebreide slavenhouderscultuur van voorbije eeuwen, tot de westerse koloniale machten een einde aan de slavernij maakten. Gelukkig zijn er ook woestijngebieden, denk aan de Chileense Atacama-woestijn, de Egyptische woestijnen, de Thar-woestijn in India en de Chinese Gobi-woestijn, waar de bevolking daar anders over denkt en die met deze techniek tot bloei gebracht kunnen worden.

Bronnen
Wiley
PlantLab

Raketten moeten heel veel brandstof meeslepen om te kunnen ontsnappen aan de aarde.

Metallisch waterstof als raketbrandstof

Metallisch waterstof belooft de heilige graal van raketvoortstuwing te zijn: veel voortstuwing met weinig massa. Met een raket gevuld met metallisch waterstof is één rakettrap zelfs voldoende om de maan te bereiken. Er is één probleem. We hebben het spul nog steeds niet geproduceerd…

Raketten: het fundamentele probleem van massa en impuls
Auto’s en fietsen komen vooruit door zich af te zetten tegen de weg. Een propellorvliegtuig zet zich met de propellor af tegen de lucht. Een straalvliegtuig slikt lucht in en zet zich af tegen de uitgestoten straal lucht. Het probleem in het luchtledig van de ruimte is dat er niets is om je tegen af te zetten.

Raketten moeten heel veel brandstof meeslepen om te kunnen ontsnappen aan  de aarde.
Raketten moeten heel veel brandstof meeslepen om te kunnen ontsnappen aan de aarde.

Dat is heel vervelend, want de wet van behoud van impuls, wellicht bekend van de middelbare school als het principe actie=reactie, is zelfs na vier eeuwen nog steeds zo ongeveer het meest heilige natuurkundige principe dat er bestaat.

Impuls is iets anders dan energie. Impuls is massa maal snelheid. Door massa een drie keer zo hoge snelheid mee te geven is de impuls te verdrievoudigen, maar de hoeveelheid energie die je daar voor nodig hebt vernegenvoudigt, met het kwadraat dus: bewegingsenergie is [latex]E=1/2 m*v^2[/latex]. Einsteins algemene relativiteitstheorie maakt de situatie nog beroerder: er is extreem veel energie voor nodig om massa te versnellen tot, zeg, 99% van de lichtsnelheid (om precies te zijn: meer dan Nederland in een half jaar aan elektriciteit verbruikt), maar de impuls is nog steeds [latex]0,99c * m[/latex], dat is de impuls van een langzaam rijdende trein. Met andere woorden: om massa te versnellen moet je heel veel massa (raketbrandstof) meenemen. Die ook weer versneld moet worden.

Gelukkig is er één kleine troost. Voortstuwing wordt om dezelfde reden veel effectiever bij hoge snelheden. Het kost evenveel impuls om te versnellen van nul naar één meter per seconde als het kost om van 100.000 naar 100.001 meter per seconde te versnellen terwijl de benodigde hoeveelheid energie in dat tweede geval twee keer zo hoog is.

Samengeperste waterstof
De gasreus Jupiter heeft het sterkste magnetisch veld van het zonnestelsel: meer dan tien keer zo sterk als dat van de aarde. De aarde heeft een vloeibare kern bestaande uit de (elektrisch geleidende) metalen ijzer en nikkel die een sterk magnetisch veld opwekken, maar Jupiter heeft nauwelijks metalen in zijn kern.  Dus moet er iets anders zijn dat dit veld opwekt. Onderzoekers denken dat dit geheimzinnige materiaal waterstof is, zo dicht samengeperst dat het zich als een metaal gaat gedragen.

De gasreuzen Jupiter en Saturnus bestaan voor een groot deel uit metallische waterstof, denken astrofysici.
De gasreuzen Jupiter en Saturnus bestaan voor een groot deel uit metallische waterstof (donkergrijs), denken astrofysici.

Metallisch waterstof
Er bestaan vanuit elektrisch oogpunt twee soorten materialen: isolatoren en geleiders (en uiteraard allerlei interessante tussenvormen: halfgeleiders).  In een geleider (zoals alle metalen) kunnen er sommige elektronen vrij bewegen. Daardoor geleiden ze elektriciteit. Waterstof bestaat uit een positief geladen atoomkern (doorgaans een enkel proton) en  een negatief elektron dat er omheen hangt. Gewoonlijk zitten deze elektronen stevig vastgenageld aan de atoomkern. Het gevolg: er kan geen elektrische stroom (die immers bestaat uit elektronen) lopen door waterstof: het is een isolator.

Het verhaal wordt anders bij extreem hoge drukken en dichtheden. Elektronen en atoomkernen worden dan zo dicht op elkaar geperst dat waterstofatomen uiteenvallen en elektronen vrij tussen de atoomkernen kunnen bewegen, net als in een metaal. Deze gedegenereerde vorm van waterstof wordt metallisch waterstof genoemd. Op dit moment is alleen zeer kort metallisch waterstof geproduceerd. Toen onderzoekers in 1996 een kogel afvuurden op vloeibaar waterstof bleek de elektrische weerstand een fractie van een seconde sterk te dalen. De meest logische verklaring is dat de waterstof een fractie van een seconde in een metaal veranderde. Helaas zijn alle verdere pogingen om metallisch waterstof te produceren tot op dit moment mislukt, alhoewel wel supergeleiding is aangetoond in extreem samengeperst siliciumhydride (SiH4).

Volgens de theorie is er 400 gigapascal, ongeveer vier miljoen atmosfeer, nodig om waterstof direct om te zetten in metallisch waterstof. Dat is drie keer zo veel als het wereldrecord waterstofatomen martelen op dit moment.

Metallisch waterstof als wonderbrandstof
Raketbouwers zijn erg geïnteresseerd in dit materiaal, want de energiedichtheid van metallisch waterstof is met 216 megajoule per kilo vele malen zo groot als het verbranden van waterstof oplevert (zeker als je het gewicht van de benodigde zuurstof meerekent). Er hoeft dus veel minder brandstof meegenomen te worden: op dit moment moeten honderden kilo’s brandstof meegesleept worden om één kilo nuttige lading in de ruimte te krijgen.

Volgens sommige theorieën is metallisch waterstof metastabiel. Dat wil zeggen dat het ook bij lagere drukken en temperaturen in metallische staat blijft. Terroristen opgelet: dat maakt het ook meteen een ideale springstof. Vooral door die coole waterstofexplosie direct er na. De ETA zal stinkend jaloers zijn. Gelukkig wel makkelijk aan te tonen met een metaaldetector, dus geen paniek als u een vakantievlucht hebt gepland. Ook is metallisch waterstof milieuvriendelijk: als het op aarde ontploft komt alleen waterdamp vrij en in de ruimte bestaan de meeste rondzwervende atomen al uit waterstof.