zon

De aarde en de zon drijven elk jaar zo'n vijftien centimeter van elkaar weg. Waarom?

Aarde verwijdert zich van de zon: waarom?

22 reacties / Wetenschap, Zonnestelsel / Door / 17 augustus 2011

Naar schatting verwijdert de aarde zich ieder jaar zo’n 15 cm van de zon. Waarom? Een kosmisch raadsel dicht bij. Onderzoekers staan voor een raadsel. Tot nu toe. Tahako Miura heeft mogelijk de oplossing gevonden.

De aarde en de zon drijven elk jaar zo'n vijftien centimeter van elkaar weg. Waarom?
De aarde en de zon drijven elk jaar zo'n vijftien centimeter van elkaar weg. Waarom?

Aarde en zon drijven uit elkaar
Al duizenden jaren proberen astronomen in te schatten hoe ver de zon van de aarde staat. Zo was er bijvoorbeeld de Griekse natuurkundige en astronoom Aristarchos van Samos die in de derde eeuw voor Christus leefde. Hij schatte dat de zon twintig keer verder van de aarde stond dan de maan. In werkelijkheid staat de zon op 150 miljoen km van de aarde, dat is vierhonderd keer verder dan de maan.

Nu beschikken we, anders dan de arme Aristarchos die het met waterklokken, zonnewijzers en meetstokken moest doen, over zeer nauwkeurige meetapparatuur. Met behulp van radarmetingen aan verschillende hemellichamen in het zonnestelsel en het nauwkeurig tracken van interplanetaire ruimtesondes, is de afstand aarde-zon zeer nauwkeurig bekend. Op dit moment (2011) is de waarde vastgesteld op 149 597 870,696 km. Twee Russische onderzoekers, Gregoriy A. Krasinsky en Victor A. Brumberg, berekenden in 2004 dat de zon en aarde ongeveer 15 cm per jaar uit elkaar drijven. Over vijf miljard jaar, als de zon een verschroeiende rode reus wordt, zou de aarde dus ongeveer een half procent verder weg staan. We kunnen de aarde tegen die tijd dus beter een handje helpen.

Oorzaak: tot nu toe onbekend
Dit is honderd keer meer dan de meetfout, dus deze uitkomst berust niet op toeval. Maar wat veroorzaakt dit effect? Verschillende ideeën zijn al overwogen. Sommigen denken dat de zon zoveel massa verliest, door kernfusie en het uitstoten van zonnewind, dat de aantrekking tot de aarde vermindert. Andere meer exotische verklaringen zijn dat de zwaartekrachtsconstante G van grootte vermindert, een gevolg van kosmische uitzetting is of zelfs dat donkere materie de boosdoener is. Geen van deze verklaringen bleek echter bevredigend.

Of toch bekend?
Takaho Miura en drie collega’s van de Hirosaki Universiteit in Japan denken dat ze het antwoord hebben gevonden: getijdeeffecten. Zon en aarde drukken elkaar weg door de getijden die ze bij elkaar opwekken. Dit proces zorgt er overigens ook voor dat de maan zich van de aarde verwijdert met ongeveer 4 cm per jaar. De energie die elke keer vrijkomt bij de getijden wordt geleverd door de rotatie van de aarde (deze wordt steeds langzamer). Miura en zijn groep denken dat de aarde ook een (zeer kleine) getijdegolf in de zon opwekt. Door de interactie met de aarde en de andere planeten (uiteraard vooral de gasreus Jupiter, die meer dan duizend keer zwaarder is dan de aarde) tolt de zon elke eeuw drie milliseconden langzamer. Op dit moment roteert de zon nog ongeveer een keer per maand. Door de impulsoverdracht tussen aarde en zon stoten de twee hemellichamen elkaar langzaam af. Een vergelijkbaar effect zal uiteraard ok op de andere planeten inwerken.

Bron
Tahako Miura et al., Secular increase of the Astronomical Unit: a possible explanation in terms of the total angular momentum conservation law, Arxiv (2009)

Waren de rellen in Londen het geval van de enorme zonnestorm vlak daarvoor?

‘Extreme zonnestorm oorzaak rellen Londen augustus 2011’

29 reacties / Wetenschap / Door / 13 augustus 2011

Het aardse magnetische veld dreunt nog na van een enorme klasse-X7 zonnestorm, die een zeer grote plasmawolk richting de aarde afvuurde. Volgens sommige onderzoekers braken de massale Londense rellen en plunderingen in de tweede week van augustus 2011 uit als gevolg van de enorme plasma-ontlading die 5 augustus 2011 de aarde raakte. Maar… hoeveel bewijs is er voor deze opmerkelijke theorie?

De zon als oorzaak voor rellen?
Iedereen wijst met de vinger – naar blunderende politici, criminelen, boze jongeren, incompetentie bij de Londense  politie, Libische geheime agenten of hebberige bankiers. Zou de werkelijke oorzaak de zon zijn? Bekend is dat zich op de zon geregeld enorme ontladingen vormen – coronale massa-ejecties (CME’s). Deze worden vervolgens de ruimte in geslingerd. Al drie keer eerder waarschuwde NASA voor zonnestormen die elektriciteitscentrales en stroomverdeelpunten kunnen laten doorbranden. Het noorderlicht was tijdens de zonnestorm van 5 augustus 2011 tot in Centraal-Europa, waaronder Londen,  te zien volgens NASA.

Waren de rellen in Londen het geval van de enorme zonnestorm vlak daarvoor?
Waren de rellen in Londen het geval van de enorme zonnestorm vlak daarvoor?

Het aardmagnetisch veld vibreerde nog dagen na: de Schumann-resonanties, met pieken op 7,83 (fundamenteel),14.3, 20.8, 27.3 en 33.8 Hz worden actiever waardoor meer extreem laagfrequente radiostraling wordt uitgezonden (denk aan enkele trillingen per seconde). Deze frequenties komen overeen met de frequentie van bepaalde typen hersengolven (alfa-, beta- en thetafrequenties), die qua frequentie ongeveer in hetzelfde bereik liggen. Volgens sommige grenswetenschappers kunnen deze geomagnetische stormen mensen beïnvloeden, hun stemming veranderen en door effecten op de stofwisseling van het lichaam mensen aanzetten tot ‘negatief gedrag’. Volgens enkele studies worden meer mensen wegens een depressie in een inrichting opgenomen tijdens een geomagnetische storm. Ook neemt het aantal zelfmoorden toe  en maken handelaren eerder pessimistische keuzes, aldus een studie van de Bank van Atlanta uit 2003[1].

Het scenario loopt dan ongeveer als volgt. Door de zonnestorm worden vatbare mensen, ongeveer tien tot vijftien procent van de bevolking [2], gespannen en negatief ingesteld. Door de schuldencrisis en de bezuinigingen is de stemming onder het grootste deel van de bevolking in Londense probleemwijken toch al beneden het nulpunt.  Een rel lijkt veel op een bosbrand. Er moeten voldoende mensen in de buurt zijn die mee willen rellen om een opstootje totaal uit de hand te laten lopen. Door de zonnestorm is dit percentage veel hoger dan normaal, waardoor een handjevol relschoppers snel aan kan groeien tot een leger.

‘Zonnestormen beïnvloeden beurskoersen’
Ongebruikelijk hoge niveaus van geomagnetische activiteit hebben  een negatief, statistisch en economisch significant effect op de beurskoersen van de week erna op alle Amerikaanse aandelenindexen, volgens het rapport van de Federal Reserve Bank in Atlanta[1].

Het kan natuurlijk puur toeval zijn dat dit een zeer enerverende week op de markten is geweest en dat het Verenigd Koninkrijk werd geteisterd door een golf van heftige rellen en plunderingen, maar de over het algemeen nogal bijgelovige marktvolgers (astrologen doen goede zaken bij beurshandelaren) zijn blij dat het ruimteweer daarna rustiger is geworden. Daarmee is niet gezegd dat het rustig blijft. De zon wordt nu steeds actiever en zal de meeste activiteit vertonen in 2013. Deze geomagnetische storm was dus duidelijk niet de laatste.

Klopt de theorie?
Op het eerste gezicht lijkt het verband absurd. Immers, de golven zijn extreem zwak. Er is echter de laatste jaren aangetoond dat de hersenen zwakke elektromagnetische velden opwekken en neuronen zich  met behulp hiervan gelijkrichten. Zie dit artikel. Van onder meer sommige vogels weten we dat ze het aardmagnetisch veld kunnen waarnemen. Waarom zou de mens niet over vergelijkbare zintuigen kunnen beschikken? Uit onderzoek bij mensen afkomstig van natuurvolken die een zogeheten geografische taal spreken, is bekend dat ze een fabelachtig oriëntatievermogen hebben. Zelfs wanneer ze geblinddoekt zijn en rond werden gedraaid, konden ze nog het noorden aanwijzen. Ook het empirische bewijs voor psychische effecten van zonneuitbarstingen uit diverse onderzoeken, zie bronvermeldingen, is indrukwekkend. Zouden de wijdverbreide plunderingen mede veroorzaakt zijn door een hersenblackout? Een mogelijkheid die het op zich waard is nader onderzocht te worden.

Meer informatie
1. Anna Krivelyova en Cesare Robotti, Playing the Field: Geomagnetic Storms and the Stock Market, Atlanta Federal Reserve Bank (2003)
2. Does the Earth’s magnetic field cause suicides? (New Scientist, 2008)
3. Palmer, S. et al., Solar and geomagnetic activity, extremely low frequency magnetic and electric fields and human health at the Earth’s surface, Surveys in Geophysics, 2006
4. Riots, wild markets: Did space storms drive us mad? (Reuters, 2011)

Zonnestormen blijken rechtstreeks het weer op lagere breedtes te beïnvloeden, is nu voor het eerst aangetoond.

Bewezen: Ruimteweer beïnvloedt klimaat

5 reacties / Wereld, Wetenschap, Zonnestelsel / Door / 13 juli 2011

Bekend is al dat zware zonnestormen in staat zijn stroomkabels door te laten branden en felle uitbarstingen van noorderlicht veroorzaken in de poolstreken en ver daarbuiten. Nu is voor het eerst wetenschappelijk aangetoond dat zonnestormen in staat zijn het weer te beïnvloeden. Niet in Lapland of het zuidpoolstation Vostok, maar in het subtropische Zuid-Korea. De natuur blijft ons voor verrassingen stellen…

Invloed ruimteweer steeds meer serieus genomen
Ruimteweer, de veranderingen in straling en magnetische velden in het zonnestelsel, wekt steeds meer de interesse van ruimtewetenschappers en onderzoekers met een meer aardse interesse. Zonnefysici weten al heel lang dat de zon krachtige magnetische wolken onze kant op stuurt. Wanneer ze toeslaan kan de schade enorm zijn. De magnetische velden wekken enorm sterke stromen in lange geleiders, zoals treinrails, stroomkabels (en in de negentiende eeuw, telegraafkabels) op. De gevolgen van zonnestormen kunnen vernietigend zijn. Zo zijn er meerdere blackouts veroorzaakt door zonnestormen, die verdeelstations door lieten branden.

Beïnvloedt het ruimteweer het aardse klimaat?

Zonnestormen blijken rechtstreeks het weer op lagere breedtes te beïnvloeden, is nu voor het eerst aangetoond.
Zonnestormen blijken rechtstreeks het weer op lagere breedtes te beïnvloeden, is nu voor het eerst aangetoond.

Minder goed bekend is hoe het ruimteweer het aardse weer en klimaat beïnvloedt. De zonnewind en de magnetsich gelden wolken die hier soms mee gepaard gaan bevatten enorme hoeveelheden energie. Veel van deze energie wordt geabsorbeerd of weggekaatst door het aardmagnetisch veld. Van tijd tot tijd slagen magnetische wolken er echter in voor een deel door het aardmagnetisch veld te breken. Gedurende deze zogeheten Forbush Decreases, komen er meer deeltjes van de zonnewind doorheen en dumpen hun lading in de bovenste atmosfeer. De gedachte lijkt logisch dat een dergelijke injectie van energie invloed heeft op het weer. Er bestaat inderdaad bewijs dat dit op hoge breedtes, in de buurt van de polen, soms gebeurt. De rest van de planeet lijkt echter beter beschermd. Nu is echter duidelijk geworden dat schijn bedriegt.

Luchtdruk stijgt na zonnestorm
Il-Hyun Cho and zijn collega’s van het Korea Astronomy and Space Science Institute in Daejeon, Korea, zegge dat ze het eerste bewijs hebben gevonden dat zonnewind de luchtdruk op zeeniveau kan beïnvloeden op lagere breedtegraden (Korea ligt ongeveer ter hoogte van Griekenland). De klimatologen doorzochten weerdata vanaf 1983 tot 2011 en keken naar momenten dat de zonnewind sneller ging dan achthonderd kilometer per seconde. Deze snelheid wordt slechts in een duizendste deel van de tijd gehaald. Ze vonden twaalf van deze hoge-snelheidsgebeurtenissen, waarvan er negen werden vergezeld door een Forbush afname.
Vervolgens vergeleken ze deze data met die van 76 weerstations rond Zuid-Korea om de effecten op de luchtdruk op zeeniveau te meten gedurende deze gebeurtenissen.

Inderdaad vonden ze een kleine toename in luchtdruk vlak nadat de zonneuitbarsting de aarde trof. Erg groot was de verandering niet – 2,5 millibar of hectopascal. Ter vergelijking: de luchtdruk is normaliter 1000 hectopascal of millibar. Wel is dit de eerste keer dat er hard wetenschappelijk bewijs is voor een rechtstreekse verandering in luchtdruk. Althans: als de onderzoekers gelijk hebben en de waarneming statistisch significant is.

Waardoor wordt de luchtdrukverhoging veroorzaakt?
De onderzoekers denken dat tijdens een Forbush afname een grote hoeveelheid energierijke deeltjes de lagere delen van de atmosfeer bereikt en deze opwarmt. Bekend is al dat zonnestormen de atmosfeer, vooral de ijle thermosfeer, laten uitzetten. Dit kostte de voorloper van het ISS, Skylab, de kop.  Het effect is klein op zeeniveau, maar de toevoer van extra energie en toename van de luchtdruk zal het dampevenwicht verschuiven waardoor instabiele wolken mogelijk uiteenvallen. Aan de andere kant vormt ioniserende straling condensatiekernen voor waterdruppeltjes. Dit is precies hoe een bellenvat, een ouderwets type deeltjesdetector, werkt. Als een kosmisch deeltje elektronen losrukt, vormen zich ionen waaromheen waterdamp zich clustert. Volgens een uiterst omstreden theorie van de Deense meteoroloog Svensmark is wolkenvorming door kosmische straling, en niet het broeikaseffect, de voornaamste oorzaak van klimaatverandering. Periodes met veel kosmische straling zouden wolkenvorming stimuleren en zo ijstijden opwekken.

De onderzoekers zetten nu hun analyses voort met behulp van andere meteorologische data. En in Denemarken zal waarschijnlijk een jarenlang verketterde meteoroloog zich gnuivend in de handen wrijven….

Bron
1. Il-Hyun Cho et al., Changes in Sea-Level Pressure over South Korea Associated with High-Speed Solar Wind Events,Arxiv.org (2011)
2. Solar Wind Changes Atmospheric Pressure over South Korea, MIT Technology Review ArXiv Blog (2011)

Spectrolab's ultra-efficiënte zonnepanelen zijn oorspronkelijk ontwikkeld voor satellieten. Spectrolab gaat deze kennis nu ook op aarde topassen.

Veertig procent rendement-zonnepaneel komt op de markt

2 reacties / Ideeën en techniek, Wereld, Zonnestelsel / Door / 11 juli 2011

Spectrolab, de zonne-energiepoot van vliegtuiggigant Boeing, gaat C3MJ+, een record-brekende zonnecel die ze enkele jaren geleden hebben ontwikkeld, nu in massaproductie nemen. Dit zou het zonne-energiepotentieel verdubbelen. Want bijna veertig procent van alle zonnestraling wordt door dit zonnepaneel in elektrische energie omgezet…

Recordvermogen nu 20%

Spectrolab's ultra-efficiënte zonnepanelen zijn oorspronkelijk ontwikkeld voor satellieten. Spectrolab gaat deze kennis nu ook op aarde topassen.
Spectrolab's ultra-efficiënte zonnepanelen zijn oorspronkelijk ontwikkeld voor satellieten. Spectrolab gaat deze kennis nu ook op aarde topassen.

Zonnepanelen anno nu bereiken rond de twintig procent, maximaal. Het bedrijf SunPower heeft hiermee in juni 2011 het Guinness Book of World Record gehaald (met een paneel dat nominaal 22.4% rendement bereikt)[1]. Dat record zou echter wel eens in gruzelementen kunnen gaan als Boeing-dochter Spectrolab haar belofte waarmaakt en zonnepanelen die nu alleen nog voor satellieten leverbaar zijn, in massaproductie gaat nemen. Inderdaad is in april 2011 de massaproductie van deze zonnepanelen begonnen. Deze zonnepanelen zijn extreem duur, maar het grote voordeel is dat ze in combinatie met een concentrator kunnen worden gebruikt. Als met spiegels het zonlicht op deze panelen wordt gekaatst, kan een klein, maar efficiënt zonnepaneel zeer veel zonne-energie produceren. Deze constructie is vooral interessant voor zonarme landen als Nederland. Als de opbrengst van zonnepanelen in Nederland zou worden verdubbeld, is Nederland in staat om in alle energiebehoeften te voorzien door middel van zonnepanelen op daken, openbare infrastructuur en dergelijke.
Zie ook ons artikel: Maakt alle daken vol zonnepanelen zetten Nederland zelfvoorzienend?

Hyperefficiënt, maar extreem hoge prijs
Spectrolab is van oudsher producent van zonnepanelen voor satellieten. Gewicht per watt en lange levensduur is daar belangrijker dan kostprijs (een kilogram lanceren kost al gauw duizenden euro’s). De reden dat deze zonnepanelen zeer efficiënt, maar ook erg duur zijn. Om ook een kans te maken tegen de moordende concurrentie van de producenten van goedkope zonnepanelen, die op dit moment al rond een dollar per watt piekvermogen zitten, is sterk in de kosten gesneden[3]. Ook scheelt het dat de cellen in combinatie met spiegels worden gebruikt. De spiegels, die per vierkante meter natuurlijk veel goedkoper zijn dan zonnecellen, concentreren het zonlicht op de kleine cel, die op die manier een maximaal rendement behaalt.

Bronnen
1. Re-Broken Any Records Lately? We Have. Meet SunPower’s E20 Series Solar Panels, sunpower.com (2011).
2. Boeing to Mass-Produce Industry’s Most Efficient Terrestrial Solar Cell, boeing.com (2010)
3. Small cells, big power: Spectrolab’s CPV efficiency milestone only an interim stop on road to 40%, pvtech.org (2010)

Zonnevlammen zijn zeer energierijke uitbarstingen op de zon, die invloed lijken te hebben op radioactief verval. Waar komt die energie vandaan?

‘Radioactief verval beïnvloed door zonnerotatie’

1 reactie / Wetenschap, Zonnestelsel / Door / 11 juni 2011

Al eerder deden Fischbach, Jenkins en Sturrock veel stof opwaaien met hun artikel over het verband tussen radioactief verval en zonneactiviteit. Deze keer hebben ze een verband gevonden tussen zonnerotatie en radioactiviteit. Hypothetische nieuwe deeltjes, die ze neutrello’s hebben gedoopt, zouden de missing link zijn. De implicaties zijn enorm.

‘Radioactief verval helemaal niet constant’

Zonnevlammen zijn zeer energierijke uitbarstingen op de zon, die invloed lijken te hebben op radioactief verval. Waar komt die energie vandaan?
Zonnevlammen zijn zeer energierijke uitbarstingen op de zon, die invloed lijken te hebben op radioactief verval. Waar komt die energie vandaan?

Al eerder beschreven we een publicatie door de natuurkundigen Fischbach, Jenkins en Sturrock, waarin de drie onderzoekers een verband beschreven tussen veranderingen in de snelheid van radioactief verval en zonnevlammen, grote explosies op de zon. Hiermee trapten ze heel wat collega’s tegen het zere been. Al sinds radioactiviteitspionier Becquerel  postuleerde dat niets de radioactieve vervalsnelheid kan beïnvloeden, is dit een nauwelijks aangevochten dogma geworden. Geen wonder. De ouderdom van gesteenten en andere materialen wordt bepaald door middel van radioactief verval. Veel wetenschapsdisciplines, denk aan geologie en paleontologie, komen stevig in de problemen als we de radioactieve datering niet meer kunnen vertrouwen.

Er ontstond stevig rumoer, want geen enkele theoreticus had dit zien aankomen. En daar worden theoretici niet blij van. De afgelopen tachtig jaar heeft het zogeheten Standaardmodel zich redelijk ongestoord kunnen ontwikkelen zonder dat het door experimentele waarnemingen werd verstoord. Theoretici begonnen deze voorspelbaarheid vanzelfsprekend te vinden. Dit gaf theoretici de gelegenheid de metafysische snaartheorie, volgens de aanhangers een theorie van alles, uit te vinden en uit te werken. Aan dat feestje lijkt zo langzamerhand echter steeds meer een einde te komen. De natuur heeft een aantal verrassingen in petto.

Invloed van zonnerotatie
Verdere analyse van de datasets waar de onderzoekers mee werkten heeft bewijs opgeleverd van een 32-daagse periodiciteit (die overeenkomt met de rotatiesnelheid van de zon en een asymmetrie, mogelijk door een langzaam draaiende kern). Ook wees analyse van de datasets  op een 173-daagse periodiciteit die overeenkomt met de Rieger-periodiciteit, een golfverschijnsel in de zon.

Helioradiometrie
Het drietal denkt dat aan de hand van het meten van de radioactieve vervalsnelheid, zonnevlammen meer dan een dag van tevoren zijn te voorspellen. Ongeveer een dag voor de zonnevlammen die ze hebben bestudeerd zich voordeden, verloopt het elektronen-vangproces van mangaan-54 een promille langzamer dan anders. Als hun resultaten worden geverifieerd, zou dit zeer goed nieuws betekenen voor de operators van satellieten en andere installaties die gevoelig zijn voor heftige zonnestormen. Er kunnen dan op tijd maatregelen worden genomen om ze te beschermen.

Neutrello’s: neutrino’s of een onbekend deeltje?
Er moet uiteraard iets deze invloed overdragen van de zon naar de radioactieve atoonkernen op de aarde. Fischbach, Jenkins en Sturrock denken dat dat neutrinoachtige deeltjes zijn die ze neutrello’s hebben gedoopt. Neutrello’s -als ze bestaan-  hebben een aantal opvallende eigenschappen. Zo zijn ze in staat om dwars door de dichte kern van de zon te vliegen.

Althans, dat is de eenvoudigste manier om waarnemingen van het drietal, waarbij gedurende het optreden van de zonnevlam de daling van radioactiviteit in stand bleef, ook als de zonnevlam achter de kern van de zon schuil gaat, te verklaren. Ze zijn wel in staat zware atoomkernen op aarde te beïnvloeden. Klaarblijkelijk moeten deze zware atoomkernen iets hebben dat niet aanwezig is in de  kern van de zon (die uit een dichte zee van waterstofkernen, heliumkernen en elektronen bestaat). Alleen deze laatste eigenschap wordt niet gedeeld met neutrino’s. De kans is dus groot dat het ‘neutrello’ in feite een neutrino is, aldus de onderzoekers.

Zonneraadsel
De interessantste vraag is uiteraard: waar komen deze deeltjes vandaan? Zonnevlammen zijn nog steeds een niet goed begrepen verschijnsel. De hypothese dat zonnevlammen een puur magnetisch verschijnsel zijn klopt duidelijk niet. Neutrino’s en andere vergelijkbare subatomaire deeltjes komen alleen vrij bij kernreacties of -misschien- interacties met donkere materie. Mogelijk dat door de zeer hoge versnellingen door de sterke elektromagnetische velden in de buurt van een zonnevlam de kernfusie daar oplaait. In principe zijn de elektromagnetische velden daar sterk genoeg voor. Ook is niet uit te sluiten dat er iets heel anders aan de hand is. Nieuwe natuurkunde?

Bron
Ephraim Fischbach, Jere H. Jenkins en Peter A. Sturrock, Evidence for Time-Varying Nuclear Decay Rates: Experimental Results and Their Implications for New Physics, Arxiv.org (2011)

Een batterij met een pomp in plaats van groeiende en krimpende polen. In een flowreactor verandert niet de elektrode, maar de samenstelling van de elektrolyt.

Doorbraak flow batteries

2 reacties / Ideeën en techniek, Wereld, Wetenschap / Door / 7 juni 2011

Wind en zon leveren heel onregelmatig vermogen. Een ramp voor de netbeheerders, zij moeten de pieken en dalen opvangen. Tot nu. Een Amerikaanse startup zou wel eens de oplossing hebben kunnen ontwikkeld. Eindelijk een massale doorbraak van wind en zon?

Vermogenspieken nekken alternatieve energie
Windmolenparken zijn berucht door de vermogenspieken die ze opleveren. Als het hard waait, leveren windturbines extreem veel energie (deze energie neemt met de derde macht met de windsnelheid toe). Als het windstil is, is de energie nul. Zonne-energie is regelmatiger dan wind (ook bij een bewolkte dag leveren zonnepanelen nog de helft). Ook voor zonne-energie geldt dat de zon alleen overdag schijnt en er in de winter maar 10% zoveel zonneschijn is al in de zomer. In de praktijk moeten netstroombeheerders daarom gascentrales als backup gebruiken. Als er te weinig vermogen door de leidingen stroomt, kan de gascentrale snel inspringen. Het omgekeerde betekent helaas vaak dat windmolens afgekoppeld moeten worden. En dus dat er veel stroom verloren gaat.

Kortom: er moet een goedkope en effectieve manier komen om elektriciteit op te kunnen slaan. De bestaande alternatieven zijn duur en niet erg effectief. Het startende Californische bedrijfje Primus lijkt nu een goed en goedkoop alternatief te hebben ontwikkeld. Hierbij maken ze gebruik van een flow batterij.

Hoe werkt een flow battery?

Een batterij met een pomp in plaats van groeiende en krimpende polen. In een flowreactor verandert niet de elektrode, maar de samenstelling van de elektrolyt.
Een batterij met een pomp in plaats van groeiende en krimpende polen. In een flowreactor verandert niet de elektrode, maar de samenstelling van de elektrolyt.

Een normale batterij werkt met twee elektrodes (gewoonlijk bestaande uit verschillende metalen, bijvoorbeeld koper en zink) en een ionenrijke oplossing: de elektrolyt. Als de batterij energie levert, slaan (in dit voorbeeld) koperionen neer op de positieve elektrode en nemen elektronen op. Bij de negatieve elektrode gaat zink in oplossing en staat hiervoor zijn elektronen af. In de elektrolyt worden zo langzamerhand de koperionen vervangen door zinkionen. Als alle koperionen neergeslagen zijn, is de batterij leeg. Er ontstaat zo een elektrische stroom waar apparaten op werken.

Flow batteries (1) werken anders, namelijk met twee elektrolyten die gescheiden zijn door een doorlaatbaar membraan. Bij de zink-broom flow battery, bijvoorbeeld, wordt bij het opladen aan de  positieve pool broom afgezet en aan de negatieve pool tegelijkertijd zink. Aan de elektrodes worden deze stoffen niet opgeslagen, maar afgevoerd met de stroom. Dus aan de zink-kant veranderen zinkionen in vast zink (bekend van de dakgoot), aan de broomkant veranderen bromide-ionen in vloeibaar broom (een bruin, uiterst onaangenaam ruikend goedje). Daarom kan de capaciteit van de flow batterij ook enorm groot zijn.

Flow batteries zijn doorgaans enorme tanks van tien tot twintig meter groot. Tot nu toe zijn flow batteries nog niet erg populair, omdat ze vanwege hun enorme formaat op maat gebouwd moeten worden (dus erg duur zijn) en hun efficiëntie laag, rond de zestig tot vijfenzeventig procent.

Massa-productie van kleine cellen
Primus Power heeft nu een flow battery ontwikkeld die ongeveer zo groot is als een badkuip. Dit maakt de technologie ook voor toepassing op kleinere schaal interessant. Omdat deze mini flow batteries naar wens op elkaar gestapeld kunnen worden, is maatwerk niet meer nodig en kan de fabriek een automatische productielijn voor tienduizenden mini-flow batteries ontwikkelen. Bestuursvoorzitter Tom Stepien verwacht op deze manier de kosten te kunnen drukken tot vijfhonderd dollar per kilowattuur opslagcapaciteit. Dat is maar de helft van de kosten van een lithium-ionbatterij (2).  Primus werkt op dit moment ook aan een batterij die slechts voor honderd dollar per kilowattuur stroom kan opslaan. Wordt deze limiet bereikt, dan is het in ieder geval in Californië zelf zonder subsidie goedkoper om deze batterijen te plaatsen, dan om een nieuwe fossiele centrale neer te zetten om de pieken op te vangen. Het is dan echt einde oefening voor fossiel in zonnige en/of windrijke gebieden. En dat zijn er behoorlijk veel. Nederland, Spanje en Denemarken, bijvoorbeeld.

Bronnen
1. Flow Batteries: Elektropaedia
2. Startup Thinks It Can Make Flow Batteries Cheaper, MIT Technology Review

De Nuna 5 is zeer licht gebouwd om een maximale snelheid uit de zon te persen. Het wagentje zou wel eens de voorloper kunnen zijn van volkomen energieonafhankelijke auto's, in ieder geval in woestijnlanden en tropiasche gebieden.

Kan een auto 100% op eigen energie rijden?

1 reactie / Ideeën en techniek, Wereld / Door / 5 juni 2011

Nooit meer hoeven te tanken. Is het in theorie mogelijk dat er ooit een auto komt die geheel in staat is om op zonlicht of andere energiebronnen te rijden, zonder op te laden?

De Nuna 5 is zeer licht gebouwd om een maximale snelheid uit de zon te persen. Het wagentje zou wel eens de voorloper kunnen zijn van volkomen energieonafhankelijke auto's, in ieder geval in woestijnlanden en tropiasche gebieden.
De Nuna 5 is zeer licht gebouwd om een maximale snelheid uit de zon te persen. Het wagentje zou wel eens de voorloper kunnen zijn van volkomen energieonafhankelijke auto's, in ieder geval in woestijnlanden en tropiasche gebieden.

De hoeveelheid zonlicht in Nederland is zeer wisselend. Rond 21 juni, de dag met de grootste daglengte, valt er per vierkante meter ongeveer tien keer zoveel zonne-energie (rond de vijf kilowattuur) als rond 21 december. De allerbeste zonnepanelen hebben op dit moment een rendement van ongeveer veertig procent.

In zonnige landen als Israël en India kan het. Er valt daar gemiddeld rond de zes kilowattuur aan zonnestraling per vierkante meter. Als we aannemen dat een auto helemaal met zeer efficiënte zonnepanelen bekleed is en dat  gemiddeld ongeveer vijf vierkante meter door de zon loodrecht beschenen wordt, dan betekent dat dus dat de auto per dag ongeveer twaalf  kilowattuur opwekt uit zonlicht. Voldoende voor tachtig tot honderd kilometer rijden. Er is daar ook in de winter voldoende zonne-energie voor de gemiddelde automobilist om zonder te tanken door te kunnen  blijven rijden. Op dit moment zijn deze zonnecellen helaas nog te log en te duur.

In Nederland wordt ongeveer tien kilowattuur geproduceerd, voldoende voor ongeveer zeventig tot tachtig kilometer. Met voldoend grote accu’s is dit net voldoende voor de gemiddelde forens in de zomer, als hij in het weekend de auto laat opladen. In de winter is de hoeveelheid elektriciteit met één kilowattuur per dag uiteraard veel te weinig. Dan zal je dus bij moeten tanken.

Er zijn echter technische doorbraken bereikt waardoor er zicht is op zonnecellen met een rendement tot 65% of meer. Ook zullen betere accu’s lichter zijn en kunnen de auto’s van lichtere materialen zoals koolstofvezel of grafeen vervaardigd worden.  Als zonnecellen anderhalf keer zo efficiënt worden en het energieverbruik van de auto door het lagere gewicht en betere aerodynamische vormgeving nog eens met vijftig procent daalt, dan zal de auto zelf het grootste deel van het jaar voldoende energie opwekken. In een woestijnland zal een auto dan in een netto energieproducent veranderen. De rendementen van zonnecellen schieten omhoog, terwijl de kostprijs steeds meer daalt. Kortom: het olietijdperk zou wel eens eerder voorbij kunnen zijn dan de meeste mensen zich realiseren.

In het woestijnachtige landschap rond Sevilla leveren de heliostaten negen maanden per jaar continu vermogen.

Zonnecentrale levert energie midden in de nacht

10 reacties / Ideeën en techniek, Wereld / Door / 4 juni 2011

Een zonnecentrale in Andalusië krijgt voor elkaar wat tot nu toe logisch voor onmogelijk werd gehouden: energie produceren midden in de nacht. Voor 25 000 huishoudens. Hoe krijgen ze dat voor elkaar?

In het woestijnachtige landschap rond Sevilla leveren de heliostaten negen maanden per jaar continu vermogen.
In het woestijnachtige landschap rond Sevilla leveren de heliostaten negen maanden per jaar continu vermogen.

Zonnecentrale lost piekstroomprobleem elegant op
Toegegeven: je moet er bijna twee vierkante kilometer land voor klaar hebben liggen en driehonderd miljoen euro kunnen regelen bij de bank, maar dan beschik je ook over een indrukwekkende zonnecentrale. De Gemasolar Power Plant bij de Spaanse stad Sevilla in het zonnige Andalusië wekt voldoende elektriciteit op om maar liefst 25 000 huishoudens van energie te voorzien.

De zonnecentrale bestaat uit concentrische ringen heliostaten – spiegels die zo met de zon meebewegen dat ze licht altijd naar een centrale toren weerkaatsen, waar gesmolten zout tot negenhonderd graden Celsius wordt verhit. De spiegels weerkaatsen 95% van alle licht en zijn dus in deze eerste stap veel efficiënter dan een zonnepaneel. In de tweede stap wordt de zonnestraling geabsorbeerd door het vloeibare zout. In theorie is ongeveer tweederde van de hitte-energie af te tappen en in elektriciteit om te zetten.In de praktijk is dit veel lager, maar het rendement is toch vergelijkbaar met dat van hoogwaardige zonnepanelen.

Tegelijkertijd accu
De zonnecentrale werkt 270 dagen per jaar, dat is ongeveer driekwart van de tijd. Dat is driehonderd procent beter dan vergelijkbare alternatieve energieopwekkers. Dit is te danken aan het zonnige klimaat in Zuid-Spanje. Heel bijzonder is dat de centrale ook midden in de nacht energie kan leveren. Dat komt omdat de energie wordt opgeslagen in de vorm van zeer heet gesmolten zout. Overdag wordt een overschot aan energie geproduceerd en in de vorm van gesmolten zout opgeslagen. In de nacht kan deze energie worden afgetapt door het gesmolten zout een stoomturbine te laten verhitten.

De concentrische cirkels van de Gemasolar zonnekrachtcentrale hebben veel weg van een bovenmaats kunstproject.
De concentrische cirkels van de Gemasolar zonnekrachtcentrale hebben veel weg van een bovenmaats kunstproject

Toepasbaarheid kan zelfs nog groter
De uitvoering zou zelfs nog goedkoper kunnen en ook het grondgebruik minder als de heliostaten boven op de gebouwen van een bestaande of nieuw te bouwen stad zouden kunnen worden geconstrueerd. Ook zouden de heliostaten welkome schaduw leveren aan de inwoners van een dergelijke stad, wat airconditioners uitspaart. Mogelijk kunnen de metalen spiegels in de nacht dienen als condensatiekernen voor waterdamp, waardoor ook drinkwater zou kunnen worden geproduceerd. Ook kan de grond worden gebruikt voor tuinbouw, mogelijk overdekt met plastic om water te sparen. Op die manier zou het land twee keer benut kunnen worden en zelfs de stad van voedsel kunnen voorzien.

Bronnen
Torresol Energia
Daily Mail

Het patroon van schokgolven dat ontstaat als een klein zwart gat de zon treft.

‘Inslag primordiale zwarte gaten in zon waarneembaar’

13 reacties / Wetenschap, Zonnestelsel / Door / 25 november 2021

Twee natuurkundigen hebben een manier bedacht om de spookachtige mini-zwarte gaten toch waar te kunnen nemen. Gebruik de zon als een enorme zwarte-gat detector.

Zwerven er ontelbare mini-zwarte gaten door het heelal?

Astronomen hebben tot nu toe twee types zwarte gaten waargenomen: superzware zwarte gaten in het centrum van sterrenstelsels en zwartegaten van enkele zonsmassa’s, die vormen als reuzensterren sterven. Er is echter geen reden waarom zwarte gaten van kleinere groottes zich niet kunnen vormen. Volgens veel astronomen leiden de variaties in dichtheid in het vroege heelal vanzelf tot de vorming van relatief kleine zwarte gaten.

Het patroon van schokgolven dat ontstaat als een klein zwart gat de zon treft.
Het patroon van schokgolven dat ontstaat als een klein zwart gat de zon treft.

De kleinste zwarte gaten, zouden nu zijn verdampt. Grotere zwarte gaten met de massa van een asteroïde zouden het tot nu toe nog overleefd kunnen hebben. De vraag is: hoe vinden we ze. Diverse theoretici hebben voorgesteld op hun lenseffect te letten (massieve objecten, zoals zwarte gaten, buigen ruimtetijd om hen heen,  waardoor ze werken als zwaartekrachtslens, wat te merken is als er bijvoorbeeld een ster wordt verduisterd). Ook de gamma-uitbarstingen die ontstaan als de zwarte gaten uiteenvallen, zijn detecteerbaar. Geen van deze methoden heeft tot nu toe echter definitief bewijs opgeleverd.

De zon als zwart gat-detector

Michael Kesden van New York University en Shravan Hasanoge van Princeton Universiteit in New Jersey hebben nu een andere methode bedacht. Gebruik de zon als zwarte-gat detector. Volgens hen is het effect van een oer-zwarte gat dat inslaat in de zon gemakkelijk waarneembaar.

Een dergelijke gebeurtenis betekent niet dat de zon wordt opgeslokt en we zullen bibberen van de kou. In feite is de kans veel groter dan een oer-zwarte gat met een massa van een asteroïde of komeet dwars door de zon heen zal vliegen, waarbij een kleine uitbarsting van röntgenstraling plaatsvindt. Een dergelijke uitbarsting zou zelfs nog kleiner zijn dan de achtergrondstraling van zonne-röntgenstraling, dus onmogelijk door astronomen waargenomen kunnen worden. Echter: de botsing levert ook een supersonische verstoring op die de zon zal laten rinkelen als een bel. Zwarte gaten worden immers niet afgeremd in het gas van de zon en verdampen niet.

Beide heren hebben in dit artikel berekend hoe deze turbulenties er uit uit zouden zien. Hun conclusie is dat deze turbulenties nu al waarneembaar zijn als een vorm van zonnehik. Mogelijk hebben we dit allang waargenomen zonder dat onderzoekers beseften wat het was.

Zonneonderzoekers zullen nu waarschijnlijk als bezetenen hun data gaan controleren en vaststellen of inderdaad tekenen van deze zwarte-gat botsingen voorkomen in hun waarnemingsdata. Als ze die inderdaad vinden, zullen ze deze uiteraard snel publiceren en wereldkundig maken.

Zwarte oergaten zijn volgens de meeste modellen echter nogal zeldzaam. Botsingen met de zon zullen zeldzaam zijn, met lange tussenpozen. Volgens Kesden en Hasanoge is het daarom interessanter te kijken hoe andere sterren vibreren. Hoe dan ook: deze vibraties zullen veel meer vertellen over de processen die in deze andere sterren plaatsvinden – en hiermee ons ook helpen de zon beter te begrijpen.

De kwantum dots op deze afbeelding zijn elk enkele atomen breed.

Kwantumdot-zonnecellen: goedkoper en efficiënter

2 reacties / Wetenschap / Door / 20 april 2011

Kwantumdots beloven zonnecellen efficiënter te maken dan de huidige generatie. Ook zijn ze zuiniger met kostbare grondstoffen, want een laagje van maar enkele tientallen atomen dik is al voldoende. Het is nu voor het eerst gelukt om kwantumdots te dopen om ze zo geschikt te maken voor zonnepanelen.

Voor de productie van zonnecellen zijn nu nog dure, zeldzame grondstoffen nodig. China richt al steeds meer barrières op voor de export van strategische mineralen zoals de zogeheten zeldzame aardmetalen.

De kwantum dots op deze afbeelding zijn elk enkele atomen breed.
De kwantum dots op deze afbeelding zijn elk enkele atomen breed.

Kwantumdots efficiënter dan klassieke zonnecellen
Silicium transistors en ook silicium zonnecellen werken omdat ze uit laagjes elektronrijke (n) en p-materialen (met gaten) bestaan. Hierdoor kan de stroom van elektronen door de halfgeleider met spanning worden geregeld: essentieel voor zowel transistoren als zonnecellen.

Het is in theorie mogelijk om dat wat nu door een dikke laag halfgeleider gebeurt, ook door quantum dots, groepjes van rond de duizend atomen met een doorsnede van enkele nanometers, uit te laten voeren. Het theoretisch rendement hiervan is zelfs groter dan dat van klassieke zonnecellen, omdat de golflengtes waarvoor quantum dots gevoelig zijn precies overeen kunnen stemmen met die van zonlicht, door de quantum dots de gewenste eigenschapen en grootte te geven (1).

Dit zou vanzelfsprekend enorm veel grondstoffen schelen. Ook kunnen quantum dots goedkoop worden geproduceerd. Helaas bleek het onmogelijk om quantum dots te “dopen” met atomen die net als n- en p-materialen extra elektronen of juist een elektronengat opleveren. Fosfor- en booratomen, die gewoonlijk worden gebruikt, werken niet in een quantum dot. Materialen op nanoschaal krijgen heel andere eigenschappen, waardoor de andere atomen ze als het ware uit de quantum dot wippen.

Goedkoop te fabriceren
Althans: tot voor kort. De Israëlische onderzoekers Eran Rabani van de universiteit van Tel Aviv en zijn collega prof. Uri Banin van de universiteit van Jeruzalem zijn er in geslaagd afzonderlijke gedoopte quantumdots te produceren. Hierbij gaan ze uit van een oplossing met zilver- of koperionen en voegen deze oplossing geleidelijk toe aan een suspensie (fijne deeltjes zwevend in vloeistof) van kristalletjes indiumarsenide. Dit leidde tot met zilveratomen gedoopte p-dots of met koperatomen gedoopte n-dots.

De nanodeeltjes zijn opgelost in een vloeistof, dus zouden op eenvoudige wijze door een printkop of via een drukpers op plooibare plastic sheets kunnen worden aangebracht.

Indium en zilver zijn weliswaar met enkele honderden euro’s per kilo niet goedkoop, maar per vierkante meter zonnepaneel is van elk minder dan een gram nodig omdat quantumdots zo extreem klein zijn. Indien hier een werkend zonnepaneel van is te fabriceren, dan betekent dat, dat voor enkele tientjes een geheel dak is te bedekken met volwaardige zonnepanelen.

Bron
1. MIT Technology Review: nanodots efficienter dan klassieke zonnecel
2. MIT Technology Review: quantum dots as solar cells