zon – Pagina 3 – Visionair

Een van de vele voorstellen voor zonne-energiecentrales in de ruimte.

Zonne-energie in de ruimte: zin of onzin?

10 reacties / Analyses, Wetenschap, Zonnestelsel / Door Germen Roding / 16 november 2011 17 november 2011

Volgens diverse populair-wetenschappelijke websites is het dé oplossing voor het wereldenergietekort: zonnepanelen in de ruimte. Wat zijn de voor- en nadelen van het toepassen van satellieten die zonne-energie in de ruimte verzamelen? Een analyse.

Hoe zullen de zonnecentrales er in de praktijk uit zien?
Een zonnecentrale zweeft boven de aarde om het zonlicht in de ruimte op te vangen. Omdat er helaas nog geen ruimtelift bestaat, moet de opgevangen zonne-energie draadloos naar de aarde worden gezonden en daar worden omgezet in elektriciteit. In diverse plannen worden hiervoor microgolven (bekend van de magnetron), een soort radiogolven, voorgesteld.
In de voorgestelde configuratie worden de zonnepanelen in een geostationaire baan (GEO) om de aarde gebracht. Deze hoogte, op rond de 35 786 km boven zeeniveau, heeft als voordeel dat de satelliet altijd boven dezelfde plek blijft zweven. GEO is uiteraard een gewilde plek voor bijvoorbeeld communicatiesatellieten; op dit moment zweven al veel satellieten in GEO.

Wat zijn de voordelen van een zonnecentrale in de ruimte?

De satelliet ontvangt bijna 24 uur per dag zonlicht, waardoor de zonnecentrale vrijwel continu vermogen kan leveren, ook als zonnepanelen op het aardoppervlak in de nachtzone terecht komen. De satelliet kan zo manoeuvreren, dat het zonnepaneel altijd loodrecht op de zon staat en zo maximaal rendement haalt. Door dit effect alleen al levert een zonnepaneel in de ruimte meer dan twee keer zoveel vermogen als een zonnepaneel op de evenaar, de gunstigste locatie, geografisch gezien.
Atmosferische gassen absorberen geen zonnestraling. Naar schatting levert dit zo’n 44% vermogenswinst op. Dit voordeel wordt nog groter vergeleken met niet-woestijnachtige gebieden waar het vaak bewolkt is.
Door het ontbreken van een atmosfeer zijn er geen problemen door slechte weersomstandigheden.
Er is geen land nodig om de zonnepanelen op te plaatsen.
Door de draadloze transmissie kan de zonnecentrale energie sturen naar de punten waar er tekort aan elektriciteit is, bijvoorbeeld in delen van de wereld waar het avond of winter is.
Ieder land kan zijn eigen zonnecentrale in een baan om de aarde plaatsen. Hierdoor is het land niet meer afhankelijk van het buitenland. Voor bijvoorbeeld Japan is dat een groot voordeel.

.. en de nadelen?

De ruimte is een uitermate slopende omgeving. Kosmische deeltjes bewegen met procenten van de lichtsnelheid door de ruimte en laten weinig heel van zonnepanelen. Dit halveert in de praktijk hun levensduur.
Ontelbare micrometeorieten bewegen met tientallen kilometers per seconde door het heelal. Ook deze beschadigen een zonnepaneel.
Een zware zonnevlam kan onvoldoende beschermde satellieten roosteren.
Er gaat het nodige vermogen (vijftien tot vijftig procent) verloren als de zonne-energie in de vorm van microgolven naar de aarde wordt gestuurd.
De lanceerkosten zijn hoog. Om aan het aardse zwaartekrachtsveld te ontsnappen is minimaal 17,4 kWh aan energie per kg massa nodig. Daarbij komt nog de gepeperde prijs voor de raket en het feit dat een raket verre van efficiënt werkt.
Reparaties vereisen een dure bemande vlucht, al zou je dit in principe op kunnen lossen door van op afstand bedienbare robots in te zetten.
Er moet een ontvangststation voor de straling worden ingericht. Dit moet voldoende ver van de bewoonde wereld worden ingericht en een enorme diameter hebben: rond de 10 km doorsnede. Ter vergelijking: een dergelijke oppervlakte, wanneer bedekt met zonnepanelen in de Sahara, is al groot genoeg om een derde van Nederland van energie te kunnen voorzien. We weten overigens ook niet of deze microgolfstraling niet schadelijke biologische gevolgen heeft. Uit experimenten in Wageningen blijkt dat in ieder geval de hoogfrequente straling van WiFi-router mogelijk nare gevolgen op planten heeft.
Wordt gekozen voor een geconcentreerde bundel op bijvoorbeeld een gebied van enkele hectares, dan ontstaan veiligheidsrisico’s. Als een hacker besluit voor de gein de bundel op het hoofdkantoor van Goldman Sachs te richten, of nog erger, ergens anders op, dan zijn de gevolgen vergelijkbaar met het gebakken worden in een magnetron.

Het Franse ruimtevaartbedijf Astrium ontwikkelde dit concept.

Doen of niet doen?
De huidige voorgestelde vorm is in ieder geval onzinnig. Er zal of een veilige, maar enorm grote constructie voor veilig vermogenstransport moeten komen, of een onveilige, geconcentreerde richtantenne. Het is verstandiger om zonnecentrales drijvend op zee of in de woestijn (plus op daken van huizen en bedrijven) neer te zetten. Dit is veel goedkoper.

Als met de komst van een ruimtelift het transmissieprobleem is opgelost, wordt het wel interessant. Aan de ruimtelift zouden dan enorme hoeveelheden zonnepanelen kunnen worden gekoppeld – koolstofnanovezels geleiden redelijk goed stroom.

Zinniger is het idee om delfstoffen te gaan winnen op de maan of planetoïden, aangedreven door zonne-energie. De gesmolten ertsen kunnen met een maglev-rail worden gelanceerd richting aarde of, nog slimmer, op de maan worden gebruikt voor het fabriceren van ruimtevaartuigen waarmee de rest van het zonnestelsel kan worden gekoloniseerd. Ook kunnen zeer energievretende fabricageprocessen – denk aan het fabriceren van koolstofnanovezels en kunstdiamant – in de ruimte uitgevoerd worden, waarbij dan zonne-energie gebruikt wordt.

Geheim voor superefficiënte zonnepanelen ontdekt

16 reacties / Ideeën en techniek, Wetenschap / Door Germen Roding / 8 november 2011 9 november 2011

Drie keer zo efficiënte dunne-film zonnepanelen, en nog goedkoper ook. Al die tijd zaten wetenschappers er flink naast. Niet het invangen, maar juist uitzenden van extra fotonen leidt tot meer rendement. Zonnepanelen kunnen veel efficiënter worden door deze nieuwe inzichten. In 2012 is het zover.

Goede zonnecel kan goed straling uitzenden
“Een goede zonnecel moet ook een goede LED-lamp zijn,” aldus Eli Yablonovitch, de elektrotechnisch ingenieur die het onderzoek leidde. Op het eerste gezicht lijkt dit heel vreemd. Is de bedoeling van een zonnecel nu juist niet om zoveel mogelijk licht op te vangen? Wat Yablonovitch en zijn groep hebben laten zien, is echter precies dat. Hoe beter een zonnecel er in slaagt fotonen uit te zenden, hoe groter de spanning die de cel levert en hoe efficiënter de cel is.

Prestaties dure zonnecellen overtroffen met goedkope zonnecel
Standaard p-n zonnecellen (de meeste zonnecellen) kunnen in theorie maximaal 33,5% van alle invallende licht omzetten in elektriciteit. Deze grens heet de Shockley-Queisser efficiency limiet. Op dit moment is de gebruikelijke efficiëntie van een heel goede (en dure) dikke zonnecel iets meer dan 23 procent, dus als we deze limiet zouden naderen, zou dit het rendement per vierkante meter vijftig procent groter maken. Dat laatste is precies wat Yablanovitch en zijn team nu is gelukt. De halfgeleider galliumarsenide is in staat deze limiet zeer dicht te naderen. Yablonovitch’s bedrijf, Alta Devices, heeft zeer goedkope zonnecellen ontwikkeld die maar liefst 28,4% halen. Zie afbeelding. Dat is drie keer zoveel als dunne goedkope filmzonnepanelen nu. Teamlid Owen Miller weet nu waarom deze cellen zo goed werken. Externe fluorescentie, uitzenden van fotonen dus, levert de hoge spanning en opbrengst die door de onderzoekers van Alta werd waargenomen.

Vierkante meter met milligrammen materiaal
Gallium arsenide is weliswaar veel duurder dan silicium (gallium is vrij zeldzaam), maar absorbeert licht tienduizend maal zo goed bij dezelfde dikte. Dat betekent dat een laagje van enkele honderden nanometers dik voldoende is om een hoogrendement zonnecel te maken. Voor een vierkante meter zonnepaneel, goed voor een paar honderd watt vermogen, heb je zo aan enkele honderdsten gram gallium genoeg, waardoor het toch nog heel aantrekkelijk wordt.

Onderzoek in het verleden probeerde de cel zoveel mogelijk fotonen op te laten slorpen. Logisch, want zo krijg je meer energie. Hoe meer fotonen, hoe meer elektronen los slaan, die weer terugvloeien en zo vermogen leveren. Gaat het oogsten van elektronen niet snel genoeg, dan geven de elektronen hun energie af als hitte. Slecht nieuws voor het rendement. Millers berekening laat zien, dat als de elektronen hun energie als fotonen uitzenden, dit de opbrengst van de cel enorm toe laat nemen.

Einde 2012 markt overspoeld met extreem goedkope en efficiënte zonnecellen
Alta Devices denkt deze ultra-efficiënte zonnecellen, die drie keer zoveel rendement hebben als goedkope dunne-film zonnecellen, voor einde 2012 op de markt te hebben. Ze zullen wel moeten, want de concurrentie uit onder meer China is moordend.

Goed nieuws voor ons allen, want hoe eerder we van vervuilende brandstoffen als olie en kolen af kunnen komen, hoe beter. Hopelijk kan dan ook de SQ limiet aan diggelen. De meest voor de hand liggende methode is zonnecellen te stapelen. In proefopstellingen zijn zo rendementen tot tegen de vijftig procent gehaald. In theorie is bij een oneindig aantal laagjes zelfs 89% haalbaar.

Bron:
Research sparks record-breaking solar cell performances, Physorg.com (2011)
Intense Internal and External Fluorescence as Solar Cells Approach the Shockley-Queisser Efficiency Limit, Arxiv.org (2011)

Cactussen zijn een stuk mooier dan een gifgroen gazon en je hoeft ze nooit te maaien.

Pret in de zandbak

1 reactie / Ideeën en techniek, Visionair leven, Wereld / Door Germen Roding / 7 november 2011 10 november 2011

Stel je hebt een onafzienbare vlakte met zand, veel zon en je wilt wat. Voor sommigen een reden de moed maar op te geven en weg te trekken, voor anderen een reden tot eindeloze inspiratie. Dat het voornaamste probleem van woestijngebieden peak fantasy is, bewijzen deze opmerkelijke kunstenaars en uitvinders. Check de filmpjes.

Markus Kayser is een Duitse kunstenaar en productontwerper. Juni 2011 haalde hij wereldwijde bekendheid met zijn unieke Solar Sinter project, een Fresnel lens die met een computer gestuurd wordt. Een verzengend hete bundel zonlicht verandert het zand in glas, waardoor hij laagje voor laagje voorwerpen kan aaneensinteren.
Kaiser deed zijn experimenten in Siwa, een schilderachtige oase in West-Egypte. Dit zal de kliek rond ex-dictator Mubarak wel niet leuk vinden, want ze hebben de afgelopen jaren grof geld verdiend met woekerprijzen voor bouwmaterialen.

Ook aan de overkant van de grote plas hebben ze de nodige woestijn en ook hier sloeg peak fantasy genadeloos toe. Onvervangbare aquifers werden leeggezogen om de inwoners van Las Vegas en Phoenix aan gifgroene golfvelden midden in de woestijn te helpen. Een gemiddelde inwoner van Las Vegas jaste er in de zomer zo’n 1,2 kuub per dag doorheen. Gelukkig wordt hier xeriscaping, tuinieren met waterbesparende planten, steeds populairder. Ze moeten ook wel. Lake Mead, het grootste stuwmeer in het gebied, is snel aan het droogvallen.

Chili kent in het noorden de droogste woestijn op aarde: de Atacama, een kurkdroge kustwoestijn waar minder dan twee mm regen per jaar valt. Lokale kustbewoners gebruiken vochtvangende gordijnen om dauwvocht aan de lucht te onttrekken.
Het Chileense establishment is minder creatief dan de bewoners aan de kust: het land wordt geplaagd door voortdurende elektriciteitstekorten en blackouts. Geen wonder dat zonne-energie nu erg hot is in Chili. Hierboven beelden van AFP van de eerste solar race in het land.

Water is er in de woestijn genoeg. Diep onder de grond zijn er natuurlijk aquifers, die tegenwoordig in hoog tempo worden leeggeslurpt. Het zoveelste gevalletje peak fantasy. Maar er is nog een tweede, onverwachte bron, waar maar weinig mensen aan denken. De lucht! Zelfs hartje woestijn bevat de lucht nog zeker 11 milliliter water per kubieke meter. Australië, dat voor het grootste deel uit de enorme Gibsonwoestijn bestaat, wordt al jaren geteisterd door droogte. Edward Linnacre, een student aan de Universiteit van Melbourne, verzon een slimme low-tech oplossing. Een proefopstelling van zijn AirDrop oogst per dag een liter water. Als op elke vierkante meter een AirDrop komt te staan, levert dit rond de 350 mm extra neerslag. Dit is het verschil tussen een woestijn en een savanne. Vooral als dit water geheel ten goede komt aan één plant, wordt landbouw in de weostijn hiermee mogelijk. Geheel terecht sleepte Linnacre hiermee de Dyson Award 2011 in de wacht.

De AirDrop werkt door woestijnlucht onder de grond te zuigen met een motortje en zo af te laten koelen tot onder het dauwpunt. Bron: James Dyson Foundation

Drijvende zonnepanelen verminderen ook de verdamping. Ideaal voor irrigatievijvers. Bron: Sunergy Inc.

Zon op zee: oceaan beter dan woestijn

4 reacties / Ideeën en techniek, Maatschappij, Nederland / Door Germen Roding / 5 november 2011 6 november 2011

Uit recent onderzoek blijkt dat zonnepanelen plaatsen in de woestijn heel veel zoet water kost om ze te koelen. Gelukkig is er een uitstekend alternatief: de zee. Mede ontwikkeld in India en Israël.

Sahara: walhalla voor zonne-energie
Zonne-energie ontwikkelaars kijken verlekkerd naar de Sahara. Geen wonder. De grootste woestijn ter wereld, acht miljoen vierkante kilometer groot, krijgt per vierkante meter een indrukwekkende hoeveelheid zonneschijn binnen: 3200 kWh per vierkante meter, twee keer zoveel als in Spanje. Zet een oppervlakte van honderd bij honderd kilometer (de drie noordelijke provincies) vol en je wekt voldoende elektriciteit op om heel Europa van elektriciteit te voorzien[1].

Maar… geen koelwater
Er is alleen één maar. Zonnepanelen werken niet goed als ze erg heet worden en juist dat is in de Sahara, waar je in de middag op de motorkap van je auto een ei kan bakken, een groot probleem.

Firma’s als Desertec, die een netwerk van zonnecentrales in de Sahara plannen, werken daarom met CSP[2], concentratortechnologie, die met spiegels werkt in plaats van met zonnepanelen. De ‘natte’ vorm werkt door omzetting van water in stoom. Water, zoals bekend, is uiterst schaars in de Sahara. Volgens berekeningen van onderzoekers zou zelfs een vijfde van alle zoetwater in de Sahara-regio nodig zijn om de zonnepanelen te koelen[2]. Vermoedelijk iets waarop woestijnbewoners wat minder enthousiast zullen reageren, al maken dure auto’s en satellietschotels vermoedelijk veel goed. Een oplossing, door [3] gesuggereerd, is de droge variant van CSP te kiezen, bijvoorbeeld de gesmolten zout-variant in combinatie met een zonnetoren. Dit zou zelfs minder water kosten dan het huidige fossiele brandstofverbruik.

Drijvende zonnepanelen in het Nassermeer?
Een optie zou zijn deze zonnepanelen te laten drijven in het Egyptische Nassermeer ten zuiden van Aswan(ibid). Dit zou de evapotransporatie hierin ook wat verminderen. Goed nieuws voor Egypte, dat met ernstige watertekorten kampt. Hiervoor kan een Indiaas-Australisch ontwerp worden gebruikt.

Zonnefarm op zee
De politieke situatie in Egypte met een uiterst actieve tak van de Moslimbroederschap is echter nogal instabiel. Een voor Europa gunstiger oplossing is daarom een drijvende zonnefarm op zee. Weinig bekend is echter dat het gebied met weinig bevolking zich ook over zee uitstrekt. Ter hoogte van bijvoorbeeld de Canarische en Kaapverdische Eilanden valt ook weinig regen. Eilanden in deze regio, zoals Kaapverdië en ook Aruba zijn daarom nogal droog. De hoeveelheid zonneschijn hier is daarom aanzienlijk.

Firma’s als Solaris Synergy hebben al goede drijvende zonnepanelen ontwikkeld[4]. Voor open zee is uiteraard een robuustere constructie nodig. De opgewekte energie kan dan in tankers in de vorm van bijvoorbeeld waterstof naar het vasteland worden vervoerd. Als dit wordt gecombineerd met windmolens en golfslaggeneratoren ontstaat een volwaardige drijvende energiefarm met mogelijk wat land- of tuinbouw. Of bewoning. Vooral voor Nederland is dit interessant. Zowel in het geval van een nieuwe ijstijd als in het geval van een sterke zeespiegelstijging wordt ons land onbewoonbaar. Een uitwijkmogelijkheid op zee is dan geen gek idee.

Bronnen
1. Hani El-Nokraschi, The Desert of Egypt als Everlasting Powerhouse of Energy and Water
2. Desertec promotiefolder
3. ‘Water-Intensive CSP is Impossible for Desert Solar’
4. Solaris Synergy

De zonnerevolutie in beeld

7 reacties / Europa, Maatschappij / Door Germen Roding / 2 november 2011 2 november 2011

Een plaatje zegt meer dan duizend woorden. Hoe lang duurt het nog totdat zonnepanelen goedkoper worden dan fossiel? Op sommige plaatsen in Europa is het al zover.

Bij deze berekening is uitgegaan van een terugverdientijd van tien jaar en een kilowattuurprijs van tien eurocent.
Eind 2011 zijn de kosten per watt-piek, inclusief installatie, ongeveer anderhalve euro. Dat betekent dat zonne-energie nu al interessant is voor de meeste Spanjaarden, Portugezen, Cyprioten en veel Grieken, Italianen en Turken.Let ook op de Alpen en Pyreneeën.

Daalt de prijs tot onder de euro per geïnstalleerde watt (leuk weetje: de productiekosten van veel zonnepaneelfabrikanten liggen daar al onder), dan rukt het gratis energiegebied op tot Noord-Frankrijk, Slowakije en de Alpen. Binnen twee jaar is het zover. Bij een nog verdere prijsdaling tot 0,75 per watt piek hoeven alleen de IJslanders, Noren en Lappen zonder elektriciteit te zitten. Geen punt, want daar is voldoende waterkracht en geothermische energie. Ook is Lapland het winderigste gebied van Europa.

Lees ook: Prijsoorlog zonnepanelen breekt uit en Zonnestroom binnenkort goedkoper dan uit stopcontact

De zon is zo groot dat de aarde bijna wegvalt. Maar er zijn sterren die nog duizelingwekkend veel groter zijn.

Van de aarde naar Aldebaran

2 reacties / Universum, Visionaire vragen / Door Germen Roding / 7 oktober 2011 7 oktober 2011

We voelen ons klein en nietig vergeleken met de wereldproblemen. Op kosmische schaal is de aarde echter een minuscuul stofje. Deze infographic neemt je mee naar sterren, die zo groot zijn dat zelfs de zon, meer dan 1,4 miljoen kilometer doorsnede, er onzichtbaar naast is.

Link

Om een tipje van de sluiter op te lichten: de allergrootste bekende ster, VY Canis Majoris, is volgens de gangbare schatting zo groot, dat als hij op de plaats van de zon zou staan, hij zelfs Saturnus op zou slokken. Bijna het complete zonnestelsel dus, in een enkele ster.

De Spanjaarden en Grieken kunnen duizend euro per jaar rijker worden door zonne-energie in te zetten. Dat is een maandsalaris extra.

Prijsoorlog zonnepanelen breekt uit: zon even duur als fossiel

12 reacties / Europa, Maatschappij / Door Germen Roding / 6 oktober 2011 6 oktober 2011

Het tijdperk van permanente overvloedige energie komt er eindelijk aan. De afgelopen 24 maanden is de prijs van zonnepanelen met zeventig procent gezakt. Op dit moment kost een watt vermogen van een zonnepaneel minder dan een dollar (0,70 euro). Dat was drie jaar geleden drie keer zoveel. Geen wonder dat er veel fabrikanten nu failliet gaan. Zeer goed nieuws: het break-even point, waarop zon goedkoper wordt dan fossiel, zonder subsidie, is nu in veel landen al bereikt. Zijn onze energieproblemen over twee jaar voorbij?

China deelt enorme leningen tegen lage rente uit aan grote zonnepaneelproducenten.

Onderzoek in plaats van oorlogen brengt energieonafhankelijkheid
Waar politici meer dan een biljoen euro hebben verkwist aan oorlogvoeren en het vergiftigen van de lokale bevolking met verarmd uranium, zijn technici en onderzoekers stug doorgegaan met het ontwikkelen van betere en goedkopere zonnepanelen. Drijvende kracht hierachter waren Duitsland en China. Duitsland heeft geen inheemse energiebronnen behalve de zeer vervuilende bruinkool, dus koos mede daarom voor duurzame energie. Dankzij het ruimhartige Duitse stimuleringsbeleid heeft de zonne-energieindustrie een enorme prikkel gekregen.

Zonnepanelen kopen met Chinese staatssubsidie
Ook de Chinese overheid heeft een vergelijkbaar probleem als Duitsland. China heeft overvloedige steenkoolvoorraden, maar de luchtvervuiling loopt totaal uit de hand. Om die reden heeft China de zonne-energiesector met enorme bijna gratis leningen gestimuleerd. Wie Chinese zonnepanelen koopt, doet dat dus met Chinese staatssubsidie.Voor een deel doet China dat om een voorsprong op de buitenlandse concurrentie te krijgen, maar ook om de afhankelijkheid van olielanden en steenkoolimport te verminderen. Ook bestaat een groot deel van China uit winderige woestijn. Een ideale plek dus voor grote zonne- en windenergiecentrales, die daar nu ook in recordtempo worden neergezet.

Ongekend lage prijzen maken zonnepanelen ook zonder subsidie al interessant
Het resultaat mag er zijn. Op dit moment zijn zonnepanelen te bestellen vanaf 1,17 dollar per watt-piek[2] (86 eurocent per watt-piek). In Nederland levert 1 wattpiek 0,88 kWh per jaar op, dus een euro investeren levert per jaar iets meer dan een kilowattuur op. Met de energiebelasting in Nederland betekent dit dus 20% rendement. Niet gek, zie dat nu maar eens te krijgen bij de bank. Wat zonnepanelen duur maakt, worden daarom steeds meer de inverters en andere randapparatuur. Hierdoor verdubbelen de kosten of meer. Bij het plaatsen van grote hoeveelheden, zeg maar liever: een overcapaciteit, zonnepanelen zouden deze kosten in verhouding behoorlijk moeten dalen.

Spanje en Griekenland nu al break-even
In Griekenland levert een euro investeren nu al 1,5-1,8 kWh op per jaar. In Spanje zelfs iets meer. Dat is bijna twee keer zoveel als in Nederland. Een verstandige Griek of Spanjaard zet dus nu al zijn dak vol met zonnepanelen, want zelfs als de prijzen nog verder zouden dalen, heeft hij de kosten er al in een paar jaar uit. Hiermee is een historisch punt bereikt: voor het eerst in de geschiedenis is zonne-energie goedkoper dan fossiel. Hierbij is de ondersteunende apparatuur niet meegerekend, maar ook hiervan zal de prijs snel dalen. Als de bewoners van zuidelijke landen geen geld meer hoeven uit te geven aan elektriciteit, levert dat per Griek of Spanjaard duizend euro op. Een extra maandsalaris dus, met dank aan de zon.
De prijzen zullen nog verder dalen, waardoor de zonnegrens verder naar het noorden zal schuiven.

Dus even doorbijten, waarde lezers. Na 2014 breekt de zon door de wolken om niet meer te verdwijnen.

Lees ook:
Stroom van zonnepanelen binnenkort al goedkoper dan uit stopcontact

Bronnen
1. A Silver Lining in Declining Solar Prices, Renewable Energy World, 2011
2. Cheapest solar planels: survey (Ecobusiness Links; 2011)

Voorbij Einstein: kern zon als zwaartekrachtsdetector

Laat een reactie achter / Wetenschap, Zonnestelsel / Door Germen Roding / 9 september 2011 9 september 2011

Hoe kunnen we ontdekken of Einsteins zwaartekrachtstheorie ook in zeer zware hemellichamen opgaat? Antwoord: door de zon als natuurlijke zwaartekrachtsdetector te gebruiken, stelt fysicus Castanella voor. Kunnen we zo twee vliegen in één klap slaan?

Algemene relativiteitstheorie niet volmaakt
Einsteins algemene relativiteitstheorie is een van de twee hoekstenen van de moderne natuurkunde. Toch zijn er met algemene relativiteit wat vervelende dingen aan de hand. Zo is het lastig om het conflict tussen de algemene relativiteitstheorie en kwantummechanica op te lossen.

De zon, volgens een neutrinotelescoop. Duidelijk is te zien dat bijna alle kernfusie in de kern plaatsvindt. — De zon, volgens neutrinotelescoop Super-Kamiokande. Duidelijk is te zien dat bijna alle kernfusie in de kern plaatsvindt. Bron: NASA

Er zijn ook enkele minder algemeen bekende problemen. Einsteins vergelijkingen vertellen ons over de zwaartekracht in het luchtledig op enige afstand van een massief hemellichaam. Maar hoe gedraagt zwaartekracht zich in een zeer zwaar object zoals de zon of een neutronenster? In een zwak zwaartekrachtsveld, zoals dat van de aarde, is er weinig aan de hand. De zwaartekrachtsvergelijkingen reduceren tot de klassieke zwaartekrachtstheorie van Newton en die zijn welbekend. Anders wordt het in een veel sterker veld. Niemand weet precies hoe de vervorming van ruimte-tijd in materie plaatsvindt.

Neutronensterren
Welke invloed de aanwezigheid van materie op een bepaalde plaats precies heeft op een zwaartekrachtsveld op die plaats is een mysterie. Verschillende theoretici hebben aanpassingen aan de zwaartekrachtstheorie voorgesteld die weinig of geen verschil maken voor zwaartekracht in een vacuüm, maar belangrijke implicaties hebben voor zwaartekrachtsvelden in grote, massieve voorwerpen. Dit heeft grote gevolgen voor de manier waarop bijvoorbeeld neutronensterren worden gemodelleerd. Neutronensterren, de bizarre objecten die we kunnen waarnemen als pulsars, hebben de dichtheid van een atoomkern maar de massa van een complete ster, samengeperst in een bol met een doorsnede van iets meer dan tien kilometers. Hun dichtheid is zo extreem groot dat hier afwijkend gedrag van de zwaartekracht in materie een grote rol gaat spelen. De dichtstbijzijnde pulsar staat op honderden lichtjaren afstand, dus er was tot nu toe geen praktische methode om deze metingen uit te voeren.

De zon als gevoelig zwaartekrachtsinstrument
Daar is nu verandering in gekomen. Jordi Casanellas van de Technische Universiteit van Lissabon in Portugal met enkele collega’s hebben ontdekt dat deze kleine veranderingen in de zwaartekrachttheorie invloed hebben op de interne structuur van de zon. En dat laatste heeft weer gevolgen op hoe de zon zich gedraagt, wat we uiteraard kunnen meten.

Op dit moment begrijpen zonnekenners redelijk goed hoe onze ster functioneert. De zon is, zoals alle stabiele sterren, in evenwicht tussen de verpletterende zwaartekracht en de stralingsdruk door de kernfusie van waterstof in helium. In hun modellen wordt een volledig Newtoniaans zwaartekrachtsveld in de zon aangenomen. Elke kleine verandering in de zwaartekrachtstheorie moet volgens de onderzoekers een duidelijk waarneembaar effect hebben. Immers: verandert de sterkte van de zwaartekracht, dan verandert ook de temperatuur van de kern van de zon. Hoe sterker de zwaartekracht, hoe heter de zon moet zijn om voldoende kernfusie op te wekken. En hoe sneller de fusie dus verloopt.

Neutrinotelescoop
Gelukkig is er een manier om rechtstreeks in de kern van de zon te kijken. Er komen bij kernreacties neutrino’s vrij, spookachtige deeltjes die zelfs door een half lichtjaar massief lood kunnen vliegen zonder geabsorbeerd te worden. Een secundaire kernreactie in de zon is de vorming en het weer uiteenvallen van boor-8. Hoe heter de zon, hoe vaker deze kernreactie optreedt en hoe meer neutrino’s voorkomen.

Neutrinotelescopen op aarde (die het meeste weg hebben van een monsterachtig groot vat vloeistof, omringd met deeltjesdetectoren) hebben nauwkeurig de neutrinoflux van deze reactie gemeten. Daarom kunnen we sterke beperkingen zetten op de maximale grootte van eventuele afwijkingen van de zwaartekrachtstheorie.

De muziek van de zon
Een andere methode is te letten op de manier waarop de zon trilt. De zon vibreert in allerlei verschillende frequenties, die weer veel informatie opleveren over hoe heet het diep in de zon is en hoe dicht de materie.

Casanellas en zijn collega’s hebben deze bestaande gegevens gebruikt om sterke beperkingen te zetten op de maximale grootte van door koppeling van materie en zwaartekracht veroorzaakte afwijkingen van de zwaartekracht. Helaas zijn de belangrijkste theorieën over gemodificeerde zwaartekracht nog steeds niet uitgesloten door de waarnemingen. Als in de toekomst waarnemingen nauwkeuriger worden, kan dat wel – of ontdekken we totaal nieuwe eigenschappen van de zwaartekracht.

Tijd dus voor een nauwkeuriger zonnesatelliet. Niet alleen kunnen we zo de zon en gevaarlijke zonnestormen beter voorspellen, ook zitten we zo op de eerste rang voor de grootste zwaartekrachtdetector denkbaar. En kunnen we ontdekken of de zwaartekrachtstheorie niet wat aanpassingen nodig heeft.

Bron
J. Casanellas et al., Testing Alternative Theories of Gravity Using the Sun, ArXiv (2011)

Door het regelmmatige patroon (rechts) wordt vrijwel 100% efficiÃ«ntie bereikt bij de energieoverdracht.

Zonne-energie: 100 procent efficiënte energieoverdracht bereikt

2 reacties / Ideeën en techniek, Wereld / Door Germen Roding / 4 september 2011 4 september 2011

In een geslaagde poging het fotosynthetische systeem na te bootsen dat planten en sommige bacteriën gebruiken, hebben Japanse wetenschappers een belangrijke mijlpaal bereikt: honderd procent efficiënte energieoverdracht. Wel is dit nog maar één schakel in het totale lichtoogstsysteem, zij het wel een erg belangrijke. Als alle stappen goed werken, kunnen we met deze kunstmatige fotosynthese veel efficiënter dan planten dat kunnen, brandstof voor auto’s maken uit bijvoorbeeld water en kooldioxide.

Natuurlijk lichtoogstsysteem bereikt vrijwel 100%
De onderzoekers, geleid door Shinsuke Takagi van de Tokyo Metropolitan University en PRESTO van het Japan Science and Technology Agency, hebben hun werk september 2011 gepubliceerd in het scheikundige vakblad Journal of the American Chemical Society. In lichtoogstsystemen komen veel stappen voor waarin energie van de ene component naar de andere wordt overgedragen, aldus Takagi. Stel dat er vijf stappen zijn en elke stap heeft een efficiëntie van 90%, dan wordt er in totaal maar (0,90)⁵, dus ongeveer 59% van de totale energie overgedragen. Jammer, uiteraard.

In een natuurlijk lichtoogstsysteem, bijvoorbeeld de bladgroenkorrels in groene planten, raakt een lichtdeeltje de korrel. Deze hele korrel is kwantumverstrengeld, waardoor met vrijwel 100% efficiëntie de energie van dit foton wordt overgedragen aan het biochemische systeem dat de plant gebruikt om deze energie om te zetten in suikers. Dit lichtoogstsysteem bestaat uit chlorofylmoleculen die regelmatig gerangschikt zijn en zo de energie overdragen naar het reactiecentrum. In een kunstmatig lichtoogstsysteem, of kunstblad, proberen onderzoekers hetzelfde te bereiken met functionele kleurstofmoleculen.

Zelfassemblerende porfyrine op kleilaagje
Dit bleek lastig. Porfyrine, de kleurstof die de onderzoekers gebruikten, heeft de vervelende eigenschap op onregelmatige wijze samen te klonteren of zich te splitsen op een kleioppervlak. Als de moleculen te dicht op elkaar zitten, treden er ook andere, ongewenste interacties op (elektronuitwisselingen, fotochemische reacties) waardoor energie weglekt. Zitten de moleculen te ver van elkaar, dan vallen de ‘aangeslagen’ porfyrinemoleculen terug in hun grondstaat voordat ze de energie aan een buurmolecuul hebben kunnen overdragen.

Hiervoor gebruikten de onderzoekers een slimme nieuwe techniek. Ze stelden het kleiopppervlak zo samen dat hierop op regelmatige plaatsen elektrisch negatief geladen plekken voorkomen, die vervolgens de positief geladen delen in de porfyrinemoleculen aantrokken. Dit soort zelfassemblage is niet nieuw, maar gebeurt gewoonlijk door de moleculen onderling. Het resultaat: de moleculen gaan keurig op precies de juiste afstanden van elkaar zitten. Hiermee maakten ze een oude droom waar: honderd procent efficiënte energieoverdracht. Dit maakt porfyrinekleurstof en kleioppervlakken een interessant uitgangsmateriaal voor kunstmatige bladeren.

Kunstmatige bladeren: de oplossing voor het olietekort?
De meest cruciale stap blijft uiteraard het opvangen van zoveel mogelijk golflengtes licht. In Takagi’s syteem komen maar twee verschillende kleurstoffen voor, waardoor maar een beperkt deel van het zonlicht kan worden opgevangen. Bij planten is dat ook zo, daarom zijn ze groen in plaats van zwart. In feite gebruiken planten maar de helft van alle straling. Takagi’s team wil nu meer verschillende pigmenten gebruiken, zodat alle zonlicht geoogst wordt. Als dit systeem wordt uitgebreid met een deel waarin fotochemische reacties plaatsvinden, bijvoorbeeld het splitsen van water in waterstof en zuurstof, kan je volgens de onderzoekers echt spreken van een “anorganisch blad”.

Zet hier bijvoorbeeld woestijnen mee vol en je hebt een overvloedige bron van brandstoffen. Het voordeel van chemische brandstoffen boven elektriciteit is dat ze veel makkelijker zijn op te slaan en ook een hogere energiedichtheid hebben dan de batterijen tot nu toe. En nu steeds meer Japanners na de Fukushima-ramp hun buik vol hebben van kernenergie, zou dit wel eens snel in de praktijk omgezet kunnen worden.

Bronnen
Artificial light-harvesting method achieves 100% energy transfer efficiency, PhysOrg (2011)
Yohei Ishida et al., Efficient Excited Energy Transfer Reaction in Clay/Porphyrin Complex toward an Artificial Light-Harvesting System, JACS (2011)

Wat zou er gebeuren als de zon er van het ene op het andere moment niet meer is?

Wat zou gebeuren als de zon zou verdwijnen?

16 reacties / Visionaire vragen, Wetenschap / Door Germen Roding / 20 augustus 2011 20 augustus 2011

Alles op aarde, enkele diepzeewormen uitgezonderd, is afhankelijk van de zon. Wat zou er gebeuren als van het ene op het andere moment de zon er niet meer zou zijn? Hoe lang zouden we in leven kunnen blijven? Een tijdlijn.

Acht minuten van zalige onwetendheid
De zon staat op ongeveer 150 miljoen kilometer, acht lichtminuten, van de aarde. De eerste acht minuten zouden we dus niets merken. Immers, het licht en de andere invloeden van de zon kunnen niet sneller dan de lichtsnelheid, ongeveer 300 000 km per seconde.

Licht, zwaartekracht en de maan ‘verdwijnen’
Dan zou op de helft van de aarde die door de zon wordt beschenen, van het ene op het andere moment de nacht invallen en de sterren zichtbaar worden, als er tenminste geen wolkendek is. Ook de maan zou vrijwel onzichtbaar worden. Als het volle maan is, dat wil zeggen dat de maan het verste van de zon af staat, dan zou de maan nog 2,6 seconde langer zichtbaar zijn, de tijd die het licht nodig heeft om van de aardbaan naar de maan te reizen en weer terug, voor de eeuwige duisternis invalt. Alleen het zwakke licht van de sterren laat dan de maan nog oplichten.

Als de zon verdwijnt, betekent dat dat ook de zwaartekrachtsput van de zon in één klap verdwijnt. We merken dat door een lichte schok. De aarde beweegt niet meer om de zon, maar volgt nu een rechte lijn. Dat wil zeggen dat we elke nacht altijd dezelfde sterren zullen zien. De aarde blijft nog wel om zijn as draaien, maar er zijn geen seizoenen meer.

Langzamerhand zien we ook andere hemellichamen oplossen in het niets. Mercurius en Venus zijn al tegelijkertijd of enkele minuten na de zon verdwenen, binnen een half uur tot een uur volgt Mars. Na tien uur zijn zelfs Neptunus en Pluto onzichtbaar geworden. De sterren blijven uiteraard zichtbaar. Met een infraroodkijker blijven ook de reuzenplaneten zichtbaar. Jupiter straalt bijvoorbeeld meer dan twee keer zoveel energie (in de vorm van warmte) uit als de zon aan Jupiter geeft. Jupiter of een andere reuzenplaneet zal niet in staat zijn de aarde in te vangen. Daarvoor is de bewegingssnelheid van de aarde, die immers dicht bij de zon staat, met dertig kilometer per seconde te hoog.

Winter in de tropen
De temperaturen gaan nu snel dalen. Elke nacht daalt de temperatuur al een graad of vijf, bij een dik wolkendek, tot een graad of veertig, in woestijnklimaten. Nu de zon er niet meer is om deze afkoeling te stoppen, daalt na enkele dagen op het grootste deel van het landoppervlak de temperatuur tot onder het vriespunt. Gelukkig biedt de zee nog even respijt. Er is namelijk heel veel warmte opgeslagen in water en voordat die warmte verdwenen is, gaat er veel tijd voorbij. Nu de lucht snel afkoelt, vormt de waterdamp sneeuw.

Het gaat overal sneeuwen, eerst in de buurt van de polen en uiteindelijk ook op de evenaar. Binnen een week is de gemiddelde temperatuur op aarde dertig graden onder nul. Er vallen in tropische landen binnen een week miljarden doden, omdat de mensen daar deze kou niet gewend zijn en zich nauwelijks kunnen beschermen. De ijskap op Antarctica en op de Noordelijke IJszee breidt zich snel uit naar de tropen. Op zee en op kleine eilanden in de tropen blijft het klimaat nog het langste behaaglijk. Dan, na enkele weken, vriest de zee overal dicht. Ook in landen als Nederland geven kolen- en gascentrales het op als de temperaturen Siberische diepten bereiken. Met gevaar voor eigen leven proberen de technici de centrales zo lang mogelijk nog te laten werken. Nederland en België veranderen in een levenloze ijswoestijn vol doodgevroren dieren en mensen. Zaden in rust en winterharde bomen kunnen het nog enkele tientallen jaren of langer volhouden. In feite wordt biologisch materiaal zo goed gehouden. Alleen in de Limburgse mergelgrotten en andere mijnen kunnen overlevenden nog even schuilen, tot ook hun voedsel en energie opraakt. En de lucht.

Zonder de zon zou de aarde veranderen in een ijzige zwerfplaneet.

Atmosfeer bevriest
Dit was de laatste effectieve rem. Nu alle water bevroren is en de aardoppervlakte bedekt is met een isolerende sneeuwdeken, is er weinig meer dat de afkoeling tot in de buurt van het absolute nulpunt kan stoppen. Daalt de temperatuur tot ver onder de honderd graden onder nul, dan bevriest eerst de kooldioxide, dan de stikstof en uiteindelijk de zuurstof. Als alle lucht bevriest, ontstaat een dikke laag sneeuw. Kooldioxide vormt maar 0,04% van de atmosfeer, dus het kooldioxidelaagje is maar een dun laagje rijp, enkele millimeters. Vervolgens wordt eerst de zuurstof (onder de 82 kelvin, 82 graden boven het absolute nulpunt dus) en dan de stikstof (79 kelvin) vloeibaar.

De aarde wordt dan bedekt door een zee van vloeibare zuurstof en stikstof van ongeveer tien meter diep. Dit gebeurt na enkele maanden. Overlevenden moeten dus niet alleen voldoende voedsel en energie hebben, maar ook over reservelucht beschikken of ruimtepakken om zuurstof te “oogsten”. Het is natuurlijk nog veel slimmer om onderaardse kwekerijen te bouwen, zo komen de overlevenden zowel aan zuurstof als voedsel. Als de temperatuur daalt tot onder de twintig kelvin, zal ook deze zee bevriezen. Zowel bij het vloeibaar worden als het bevriezen van de lucht komt de nodige warmte vrij.

IJsland: het beloofde land
Aardwarmte, op dit moment leverancier van twee procent van alle energie op aarde, wordt dan de enige energiebron die we aan kunnen spreken. IJsland bestaat grotendeels uit vulkanen en het land beschikt over heel veel aardwarmte. Sterker nog: het land draait er voor het grootste deel op. Je wilt als overlevende dus graag in IJsland of in de buurt van een of andere actieve vulkaan zitten. De Vulkaaneifel is een goede kandidaat. Dus verdwijnt de zon, boek dan snel een enkele reis Reykjavik. Of graaf een diepe tunnel onder je vakantiehuisje op de Vesuvius.

Aardwarmte als reddende engel
Deze aardwarmte houdt echter ook de aarde een beetje warm. Op dit moment geeft de aarde ongeveer een tiende watt per vierkante meter vermogen af. Dat is heel weinig. Als mens produceer je 200 watt, ongeveer evenveel vermogen als een half voetbalveld aan aardwarmte ontvangt. Maar dankzij de dikke isolerende ijsdeken van atmosfeer en dichtgevroren oceanen is er ook niet erg veel nodig om diep onder de oppervlakte warm te blijven. Er werd tot voor kort gedacht dat na maximaal duizend jaar de oceanen geheel dicht zijn gevroren[1].

Nu weten we dat het iets genuanceerder ligt, zie dit artikel. Aan de oppervlakte van de aarde zal uiteindelijk een evenwichtstemperatuur van dertig kelvin bereikt worden, wat betekent dat een deel van de lucht vloeibaar zal blijven, waarop zuurstof- en stikstofijs drijven. Als de aarde 3,5 maal zo zwaar zou zij als nu, zouden de oceanen vloeibaar blijven. Na ongeveer duizend jaar zullen de abyssale vlakten dus geheel dichtgevroren zijn, maar de kans is zeker groot dat in de buurt van subductiezones, waar twee aardplaten uit elkaar worden getrokken, toch kleine delen van de oceaan vloeibaar blijven. Door de afkoeling zullen de aardplaten vermoedelijk veel dikker worden. Het vulkanisme wordt zo veel explosiever. Overlevenden zullen dus waarschijnlijk in kleine kolonies wonen rond vulkanische hotspots. Energie zal dé beperkende factor zijn. Het zal van levensbelang worden om alternatieve energiebronnen, zoals kernfusie, aan te boren. Aan de andere kant: de enkele duizenden overlevenden kunnen uiteraard veel langer doen met de uranium- en thoriumvoorraden dan wij.

Bronnen
1. Caltech Question of the Month: If the sun ceased to exist right now, how long would mankind survive?” Would the oceans freeze?
2. ArXiv.org