O p a v o n t u u r i n d e w e t e n s ch a p
!" #$%&'( )*+ Op avontuur , - ./012 in de3 wete4 nschap 5 6 7 8 9: <=
Bram Vermeer
Op avontuur in de wetenschap
Stichting FOM, Utrecht
Colofon CIP-gegevens Koninklijke Bibliotheek Vermeer, Bram Op avontuur in de wetenschap Utrecht, Stichting FOM ISBN 90-803011-3-2 NUGI 924 Eerste druk 2002 Trefwoorden: natuurkunde, toepassingen natuurkunde, technologie © Bram Vermeer, Amsterdam © licentie-uitgave Stichting FOM, Postbus 3021, 3502 GA Utrecht (www.fom.nl) Eindredactie: Huub Eggen Omslagontwerp, vormgeving en druk: Drukkerij Cees Badoux, Nieuwegein
Alle rechten voorbehouden. Niets uit deze uitgave mag worden verveelvoudigd, opgeslagen in een geautomatiseerd gegevensbestand of openbaar gemaakt in enige vorm of op enige wijze, hetzij elektronisch, mechanisch, door fotokopieën, opnamen of op enige andere manier zonder voorafgaande schriftelijke toestemming van de uitgever.
Voor zover het maken van kopieën uit deze uitgave is toegestaan op grond van artikel 16b j0 het Besluit van 20 juni 1974, St.b. 351, gewijzigd bij Besluit van 23 augustus 1985, St.b. 471 en artikel 17 Auteurswet 1912, dienen de daarvoor wettelijk verschuldigde vergoedingen te worden voldaan aan de Stichting Reprorecht (Postbus 882, 1180 AW Amstelveen). Voor het overnemen van gedeelten uit deze uitgave in bloemlezingen, readers en andere compilatiewerken (artikel 16 Auteurswet 1912) dient men zich tot de uitgever te wenden.
2
Colofon CIP-gegevens Koninklijke Bibliotheek Vermeer, Bram Op avontuur in de wetenschap Utrecht, Stichting FOM ISBN 90-803011-3-2 NUGI 924 Trefwoorden: natuurkunde, toepassingen natuurkunde, technologie
Inhoudsopgave
Voorwoord
5
Hoofdstuk 1 © Bram Vermeer, Amsterdam © licentie-uitgave Stichting FOM, Postbus 3021, 3502 GA Utrecht (www.fom.nl) Eindredactie: Huub Eggen Omslagontwerp, vormgeving en druk: Drukkerij Cees Badoux, Nieuwegein
Alle rechten voorbehouden. Niets uit deze uitgave mag worden verveelvoudigd, opgeslagen in een geautomatiseerd gegevensbestand of openbaar gemaakt in enige vorm of op enige wijze,
Natuurkunde van de grote vragen
6
Hoofdstuk 2
Natuurkunde en leven
44
Hoofdstuk 3
Natuurkunde en de maatschappij
64
hetzij elektronisch, mechanisch, door fotokopieën, opnamen of op enige andere manier zonder voorafgaande schriftelijke toestemming van de uitgever.
Hoofdstuk 4
Voor zover het maken van kopieën uit deze uitgave is toegestaan
Natuurkunde en de toekomst
86
op grond van artikel 16b j0 het Besluit van 20 juni 1974, St.b. 351, gewijzigd bij Besluit van 23 augustus 1985, St.b. 471 en artikel 17 Auteurswet 1912, dienen de daarvoor wettelijk verschuldigde vergoedingen te worden voldaan aan de Stichting Reprorecht
Index
109
(Postbus 882, 1180 AW Amstelveen). Voor het overnemen van gedeelten uit deze uitgave in bloemlezingen, readers en andere compilatiewerken (artikel 16 Auteurswet 1912) dient men zich tot de uitgever te wenden.
2
Fotoverantwoording
110
3
Voorwoord
Wetenschap is soms net topsport. Onderzoekers willen in hun vakgebied topprestaties leveren. Ze willen dingen doen die niemand eerder deed, grenzen verleggen, antwoorden geven op slepende vragen, en dat het liefst eerder dan hun collega’s. Als zoiets lukt, zijn ze even in de zevende hemel. Ze voelen zich als bergbeklimmers die een lastige top hebben bedwongen: ze genieten van hun prestatie en het geweldige uitzicht, maar dan denken ze alweer aan de volgende beklimming. Ze leven van uitdagingen, maar er is meer. Met het onderzoek kun je soms ook mensen helpen, de samenleving beter maken. Over al die dingen gaat het hier.
4
5
Hoofdstuk 1
Natuurkunde van de grote vragen
Hoe is het heelal ontstaan? Waarom zijn er zoveel verschillende stoffen? Hoe ver kun je gaan met opwarmen of afkoelen? Kun je atomen opstapelen? Natuurkundigen proberen stoffen uiteen te rafelen tot ze het allerkleinste deeltje vinden. Ze rekenen terug in de tijd, in de hoop een blik te kunnen werpen op ons ontstaan. Ze zoeken extreme omstandigheden op, om te zien hoe de natuur zich dan gedraagt. De bizarre verschijnselen die zich dan voordoen, kunnen soms op verrassende manier worden toegepast.
De kleinste deeltjes De veelheid van materialen om ons heen heeft natuurkundigen altijd voor een raadsel gesteld. Waarom zijn er zoveel verschillende stoffen? Al eeuwen proberen wetenschappers materialen uiteen te rafelen, om te zien hoe ze zijn opgebouwd. Misschien ligt aan de veelheid van stoffen wel een eenvoudig plan ten grondslag. Het was al een hele vereenvoudiging toen wetenschappers ontdekten dat alle voorkomende materialen opgebouwd bleken uit een beperkt aantal atomen. Al vanaf de oudheid werd gespeculeerd over zulke atomen, maar pas in de 18e eeuw stelde de Fransman Lavoisier een lijst met atomen op, die al erg lijkt op de lijst die we nu hanteren. Veel chemische reacties bleken verklaard te kunnen worden, door goed te kijken welke atomen in zo’n reactie betrokken zijn. Het duurde de hele 19e eeuw voordat wetenschappers het met elkaar eens werden over het bestaan van atomen. Echt simpel werd het dan ook niet. Er bleken bijna > < 0,01 m honderd verschillende atomen te zijn. kristal Waarom is de natuur zo ingewikkeld? De oplossing bleek simpel, 1/10.000.000 zo werd aan het begin van de 20e eeuw ontdekt. Een atoom heeft 10-9 m een kern, en daaromheen cirkelen elektronen. De kernen op hun molecuul beurt zijn opgebouwd uit slechts twee verschillende soorten deel1/10 tjes. Protonen en neutronen. In verschillende combinaties vormen ze alle atoomsoorten. Zo heeft het ijzeratoom 26 protonen en 30 10-10 m atoom neutronen, zuurstof heeft 8 protonen en 8 neutronen. De natuur zit toch simpeler in elkaar dan het op het eerste gezicht lijkt. 1/10.000 De vreugde over de ontdekking van deze simpele structuur was 10-14 m echter van korte duur. Er werden allerlei andere deeltjes ontdekt, atoomkern die niet in dit simpele schema passen. Zo bleek licht uit fotonen 1/10 (lichtdeeltjes) te bestaan. Vanuit het binnenste van de zon komen 10-15 m uiterst lichte neutrino’s op ons af. De krachtwerking in het binnenproton ste van atomen bleek af te hangen van weer een ander soort deel1/1.000 tjes, gluonen. Het elektron bleek grote broers te hebben in de vorm van muonen. Ook bleken protonen en neutronen opgebouwd te -18 < 10 m zijn uit verschillende soorten quarks. De zoektocht naar de meest elektron, quark elementaire bouwstenen van de natuur is nog niet ten einde. ‘We kennen inmiddels meer dan twintig elementaire deeltjes. Echt Steeds dieper de materie in. eenvoudig is het nog niet,’ meent Erik Verlinde, hoogleraar theoreDe grote vraag is nog altijd tische natuurkunde en verbonden aan de Princeton University in waar materie uiteindelijk uit de Verenigde Staten. De zoektocht naar een simpelere structuur zal blijken te bestaan. wordt daarom onverminderd voortgezet. Natuurkundigen zoeken nog steeds naar de kleinste, de meest elementaire bouwstenen van de materie. Zouden al die deeltjes, die we nu kennen, allemaal opgebouwd zijn uit dezelfde ingrediënten? Verlinde is samen met collega’s op het spoor van het antwoord. Hij denkt dat alle deeltjes uiteindelijk een verschillende verschijningsvorm zijn van één soort object, een trillende snaar. De verschillende manieren van trillen komen overeen met verschillende deeltjes. Het is als een snaar van een viool, die je op verschillende toonhoogten kunt laten klinken. Eén toon komt overeen met het
8
elektron, een andere met een quark, weer een andere met een lichtdeeltje. De snaren beïnvloeden elkaar, net als muziekinstrumenten. Wie blokfluit speelt vlakbij een piano, merkt dat sommige pianosnaren gaan meetrillen. Die trillingen of resonanties van snaren zijn de krachten tussen deeltjes: bijvoorbeeld de zwaartekracht en de elektrische kracht.
Voor onderzoek aan de kleinste deeltjes zijn enorme machines nodig, zoals hier in CERN bij Genève.
Extra dimensies Wat moet je je voorstellen bij die snaren? Ze zijn onvoorstelbaar klein, vele miljarden maal kleiner dan een proton of neutron (om iets preciezer te zijn: zo’n 10-35 meter). Op die kleine schaal is ons begrip van ruimte niet meer goed te hanteren. Lengte, breedte en hoogte blijken niet voldoende om maten aan te geven. Natuurkundigen denken dat er minstens tien verschillende dimensies een rol spelen. De snaren kunnen in tien ‘richtingen’ trillen. Op die uiterst kleine schaal lijkt de werkelijkheid dus in niets op onze alledaagse, driedimensionale ervaringen. Het is ook voor natuurkundigen een moeilijk te begrijpen werkelijkheid. Die extra dimensies hebben de afgelopen tien jaar voor grote raadsels gezorgd. Er was een nieuwe vorm van meetkunde nodig om ze te beschrijven. Nog lastiger was de verbin-
9
[1]
[2]
[3]
x11
9-braan rand
snaar op rand open membraan
[4]
Het beeldschrift van de onderzoekers die vermoeden dat de bouwstenen van onze materie het beste beschreven kunnen worden trillende snaartjes in een wereld van branen en elf dimensies.
10
D 2-braan
ding met de dagelijkse realiteit. Hoe kan het dat wij drie dimensies ervaren, maar dat er zoveel meer zijn als je op kleine schaal gaat kijken? Waar blijven die dimensies als je langzaam uitzoomt? Het kostte jaren onderzoek om te kunnen beschrijven wat er dan precies gebeurt. De dimensies krullen op, zo heet het nu in het spraakgebruik van natuurkundigen. Ze rollen zich op tot bijna een punt, zodat ze in onze driedimensionale wereld geen betekenis hebben. Het heeft daarom lang geduurd voordat natuurkundigen de snaartheorie begonnen te accepteren. Toen de theorie werd bedacht, halverwege de jaren tachtig, was namelijk al duidelijk dat er iets niet klopte. Er bestonden verschillende versies van de theorie, die niet erg op elkaar leken. ‘We wilden niet kiezen, want ze hadden allemaal wel wat in zich. Bovendien werden we nieuwsgierig waarom er verschillende mogelijkheden zijn,’ aldus Verlinde. Een doorbraak kwam toen de Amerikaan Edward Witten in 1995 een extra elfde dimensie bedacht. In een beroemd geworden lezing, die uren duurde, zette hij zijn vermoeden uiteen. Hij noemde zijn idee de M-theorie, maar liet in het midden of dit betekende: ‘mystery’, ‘membrane’, of ‘mother of all theories’. Het mooie was dat de
bestaande vijf theorieën allemaal kinderen van dezelfde moeder bleken. Ze hadden dezelfde oorsprong, hun onderlinge tegenstrijdigheid verdween in het licht van die elfde dimensie. ‘Als je zo’n verhaal hoort, dan merk je direct hoe veelbelovend het is. Je merkt dat de puzzelstukken in elkaar vallen. Dat maakt je enthousiast,’ aldus Verlinde. Het enthousiasme betekende niet dat het werk nu klaar was. In tegendeel. ‘Veel van de theorie is nog niet bekend. We kennen maar een deel van het verhaal, er zit nog veel meer achter. Dat maakt het moeilijk om te laten zien hoe mooi het is.’ Er is nog steeds veel werk te doen om de theorie te verkennen. Nieuwe rekentechnieken moeten worden ontwikkeld, er moet worden uitgerekend welke deeltjes er volgens de theorie zouden bestaan en hoe hun onderlinge krachten zich onder verschillende omstandigheden voordoen. Het stedebouwkundig plan van de theorie is getekend, het graven van fundamenten is in volle gang. Hoe het bouwwerk er uiteindelijk uit komt te zien, kun je alleen maar fantaseren. ‘Je hoopt dat ergens een parel verborgen ligt. Dat je onverwachte schoonheid ontdekt, als je de theorie verder verkent.’
Onderzoek aan de kleinste deeltjes is ‘big science’: gigantische meetapparaten en grote onderzoeksgroepen, zoals hier bij het experiment ZEUS in Hamburg.
Tweeling Erg simpel is het gereken met elf dimensies allemaal niet. Wereldwijd zijn ongeveer duizend natuurkundigen bezig met het bouwen van de M-theorie. Ze staan daarbij voortdurend met elkaar in contact. Verlinde heeft daarbij een bijzondere discussiepartner, zo vertelt hij. ‘Ideeën ontstaan in samenspraak. Als je ergens niet goed uitkomt, is het veel waard om er met anderen over te kunnen
11
praten. Iemand die je begrijpt en dingen aanvult. Dat kan niet iedereen. Voor mij zijn de discussies die ik van jongst af met mijn tweelingbroer heb, een belangrijke impuls. Onze interesse in natuurkunde ontwikkelt zich gemeenschappelijk omdat je elkaar stimuleert en beïnvloedt. Eigenlijk zou iedereen een tweelingbroer moeten hebben.’ Die tweelingbroer is Herman Verlinde, is hoogleraar natuurkunde aan de Universiteit van Amsterdam. De stapels papieren, een volgeschreven schoolbord, een computer op het bureau, het zijn de stille getuigen van het construeren van de nieuwe theorie. Maar klopt het allemaal, wat zo op papier wordt geconstrueerd? Voorlopig is het nog niet gelukt om de effecten van snaren waar te nemen. De effecten van de extra dimensies zijn alleen merkbaar op uiterst korte afstand. Om twee deeltjes dicht genoeg bij elkaar te krijgen, moeten ze met grote kracht tegen elkaar botsen. Dat gebeurt in deeltjesversnellers, maar zelfs de grootste versnellers van dit moment zijn niet krachtig genoeg om de deeltjes zichtbaar te maken. Theoretici zijn daarom bezig de theorie door te rekenen, om te zien of er bij lagere energieën bijzondere processen optreden. Zo’n proces zou dan wel in een deeltjesversneller kunnen worden aangetoond. Inmiddels is al duidelijk dat de M-theorie meer oplevert dan de verklaring waarom er zoveel verschillende soorten deeltjes lijken te zijn. Hij lost ook een aantal andere problemen in de moderne natuurkunde op. Eén van de grootste problemen op dit moment is dat twee belangrijke natuurwetten met elkaar strijdig zijn. De wetten van de kwantummechanica beschrijven uitstekend de processen binnenin atomen. De theorie van de zwaartekracht beschrijft goed hoe op grote afstand planeten en melkwegstelsels bewegen. Er klopt iets niet op plaatsen waar de zwaartekracht extreem sterk is en dus de effecten van beide processen even belangrijk zijn (zie ook blz. 19). Met de M-theorie worden de gaten tussen de zwaartekrachttheorie en de kwantummechanica gedicht. Alle krachten in de natuur zijn resonanties tussen snaren, ook onder extreme omstandigheden. Misschien kunnen we met de M-theorie ook beter inzicht krijgen in twee andere problemen, waarbij de zwaartekracht een belangrijke rol speelt. Hoe is het heelal ontstaan? Wat gebeurt er in de buurt van een zwart gat?
Het zwaarste object Zwarte gaten zijn misschien wel de meest bizarre plaatsen in het heelal. De materie zit in zwarte gaten zo dicht opeen gepakt, dat de zwaartekracht onvoorstelbaar sterk is. Alles wat in de buurt komt, wordt uit elkaar getrokken en onverbiddelijk aangetrokken. Omdat de omstandigheden er zo extreem zijn, vormen ze een gewild studieobject voor natuurkundigen. Nergens anders zie je materie onder zo’n hevige krachtwerking. Dat legt eigenschappen van materie bloot, die je op een andere manier niet kunt ontdekken. De theorie van zwarte gaten bouwt voort op het werk van Albert Einstein. De relativiteitstheorie van Einstein voorspelt dat ruimte en tijd veranderen in de buurt van zware hemellichamen, zoals bijvoorbeeld de zon. In de directe omgeving van de zon
12
rekt de ruimte uit en vertraagt de tijd een beetje. Alle afstanden worden daar iets groter en alle processen gaan iets slomer verlopen. Of, om in het spraakgebruik van natuurkundigen te blijven, de ruimte trekt krom. In 1919 werd Einstein beroemd toen metingen aan een zonsverduistering werden gedaan. Sterrenlicht dat dicht langs de zon reist, bleek inderdaad in de gekromde ruimte enigszins van richting te veranderen. Later is ook aangetoond dat ook de tijd onder bepaalde omstandigheden vertraagt (zie blz. 36). In de omgeving van de zon gaat het om een kleine afwijking in tijd en ruimte. Hoe dichter de materie in een hemellichaam samengebald is, hoe sterker ruimte en tijd daar rekken en vertragen. Rond zeer compacte sterren ontstaat zo een zone met een extreme vervorming. De ruimte is daar zo uitgerekt, dat er geen doorkomen meer aan is. De tijd is zo vertraagd, dat alle processen ter plaatse bijna tot stilstand komen. Alles wat deze zone rond zo’n compacte ster wil doorkruisen, wordt door deze twee effecten oneindig lang opgehouden. Niets komt zo van buiten naar binnen, of omgekeerd. Zelfs het licht blijft steken. Vandaar de naam: een zwart gat.
Einstein voorspelde hem: de zwaartekrachtlens. Massa buigt lichtstralen af. De langwerpige lichtvlekken zijn de vervormde beelden van een sterrenstelsel dat precies achter een groep andere stelsels staat.
Waargenomen Tot voor kort was het onduidelijk of zwarte gaten werkelijk
13
Een zwart gat zuigt gas uit zijn omgeving aan.
Sterrenkundigen kunnen zwarte gaten alleen met behulp van satellieten onderzoeken.
14
bestaan. Omdat een zwart gat echt in duisternis is gehuld, kan het alleen indirect worden waargenomen, door het gedrag van materie die wat verder verwijderd is. ‘Er is al minstens een tiental zwarte gaten getraceerd, die deel uitmaken van een dubbelster,’ legt Ed van den Heuvel uit. Hij is hoogleraar sterrenkunde op de Universiteit van Amsterdam. Het zwarte gat en de zichtbare begeleider draaien in hoog tempo om elkaar heen. Het zwarte gat kan worden opgespoord, doordat gas dat daar vlak in de buurt is, sterke röntgenstraling uitzendt. ‘Zo kun je het bewegingspatroon van de begeleider en van het donkere object alletwee waarnemen. Daaruit kun je de massa en de maten van het onzichtbare object afleiden.’ Bij tien dubbelsterren is zo gemeten dat de massa groter is dan 3,5 maal die van de zon. En de zeer snelle variaties in de uitgezonden röntgenstraling tonen dat dit object een doorsnede heeft van minder dan 100 kilometer. ‘Als het object zo compact is, met zoveel massa, moet het wel een zwart gat zijn,’ aldus Van den Heuvel. ‘Het blijft natuurlijk altijd een indirect bewijs. Maar als je hieraan twijfelt, zet je een groot deel van de moderne natuurkunde over boord.’ Onderzoekers van het instituut van Van den Heuvel hebben dergelijke zwarte gaten opgespoord met behulp van de satelliet Rossi-X-ray Timing Explorer (XTE). De waarneemtijd op zo’n satelliet is beperkt, legt Van den Heuvel uit. Er is daarom een comité dat de beschikbare tijd ver-
deelt over de verschillende onderzoeksgroepen. Alleen de beste ideeën komen daarvoor in aanmerking. Elke seconde dat de satelliet kan waarnemen wordt zo benut. Andere onderzoeksgroepen hebben zwarte gaten waargenomen in bijvoorbeeld het centrum van ons Melkwegstelsel. ‘Ook dat is tamelijk overtuigend,’ aldus Van den Heuvel. Ook zag de Amsterdamse sterrenkundige Titus Galama met een telescoop in Australië in april 1998 hoe een opgebrande zware ster in een ver sterrenstelsel instortte tot een zwart gat. Hij ontdekte op deze plek aan de hemel een zeer bijzondere sterexplosie, meer dan tienmaal zo helder als alle eerder waargenomen sterexplosies. Computerberekeningen tonen aan dat deze enorme helderheid alleen te verklaren is als hier een zwart gat is ontstaan. De laatste paar jaar doen de Amerikaanse kunstmaan Chandra en de Europese kunstmaan XMM Newton heel gedetailleerde metingen aan bronnen van röntgenstraling uit het heelal. Ook die leveren veel aanwijzingen voor het bestaan van zwarte gaten. De voorspellingen van theoretici lijken dus te kloppen. Maar het onderzoek naar zwarte gaten gaat onverminderd door. Want één van de grootste controverses in de moderne natuurkunde speelt zich af aan de rand van zwarte gaten. De ruimte wordt namelijk nog op een andere manier beïnvloed. We hebben niet alleen te maken met het kromtrekken door de zwaartekracht van compacte sterren. Op kleine schaal krioelt het van activiteit in de ruimte, zo heeft de bestudering van atomaire processen ons geleerd. Constant ontstaan en vergaan er deeltjes. Energie wordt omgezet in deeltjes, en deeltjes in energie. Dat gaat
Röntgenstraling van een object dat vermoedelijk een zwart gat is, gemeten met de satelliet Chandra.
15
steeds met twee deeltjes tegelijk. Het is altijd een paar met precies tegenovergestelde eigenschappen, een deeltje en een antideeltje. Het één is positief geladen, het ander negatief. Het is een grillig proces, waar we normaal weinig van merken. Zo’n deeltjespaar komt na korte tijd weer bij elkaar en verdwijnt dan weer. In 1973 bedacht de Britse natuurkundige Stephen Hawking wat er zou gebeuren, als één deeltje net wel, maar het andere net niet kan ontsnappen uit de stiltezone rond een zwart gat. Een hereniging zit er dan niet meer in. Op die manier kan een deel van de materie van een zwart gat toch nog verdwijnen, zo redeneerde hij. Het gaat bovendien niet om een incident, becijferde Hawking. Zo bestaan er twee verschillende ideeën over een zwart gat. Het idee van Einstein gaat uit van de wetmatigheden van de zwaartekracht. Dat leidt tot het idee van gekromde ruimte, een verstilde zone rond een zwart gat, waar niets of niemand meer uit komt. Het idee van Hawking komt voort uit de studie van atomaire processen. In de lege ruimte ontstaat constant materie, waardoor uiteindelijk een zwart gat leegloopt.
Verbinding
De grootste gebeurtenis Hoe is het heelal ontstaan? Het is misschien wel de meest fundamentele van de vragen waarover natuurkundigen en sterrenkundigen zich buigen. Waarnemingen van het heelal hebben vaak voor een belangrijke doorbraak gezorgd in de inzichten in natuurwetten. De bewegingen van planeten maakten dat Newton de zwaartekrachtwetten kon formuleren. De studie van veraf gelegen sterrenstelsels geeft een glimp van de geschiedenis van de materie. Met de ontdekte wetmatigheden lukte het om terug te redeneren, om te herleiden hoe de vroege geschiedenis van het heelal eruit zag. Het ging zo. Zo’n vijf miljard jaar geleden trok een grote wolk zich langzaam samen. De materie daarin raakte daardoor steeds dichter opeen Venus, de Maan en Mars bij gepakt, totdat het een vurige bal werd: de zon. Daaromheen cir- elkaar aan de hemel (op 14 mei 2002). Dit soort gebeurtenissen kelden nog enkele overgebleven slierten materie, die samenbalden tot kleinere lichamen, de planeten: Mercurius, Venus, de vonden mensen vroeger maar eng. aarde, Mars, Jupiter, Saturnus, Uranus, Neptunus en Pluto. Tot op Met Newton kunnen we nu precies uitrekenen wat daar gebeurt. de dag van vandaag draaien ze rond de zon.
Loopt een zwart gat nu wel of niet leeg? Bij de extreme omstandigheden rond een zwart gat leiden de wetten van de zwaartekracht en die van de atomaire processen tot tegengestelde conclusies. Vreemd is dat niet. We hebben de zwaartekracht leren kennen door de studie van grote bewegende voorwerpen. Een appel die van een boom valt. De maan die rond de aarde draait. De cirkelgang van planeten. Het krioelen van kleine deeltjes is ontdekt door de studie van de processen in atoomkernen. Dat speelt zich op een veel kleinere schaal af. De deeltjes zijn zo klein, dat zwaartekracht normaal nauwelijks een rol speelt, behalve als die zo sterk is als bij een zwart gat. Nergens anders kunnen we het samenspel van verschillende processen zo heftig zien. Onlangs is het gelukt om voor de zwarte gaten de wetten van het grote en van het kleine met elkaar in overeenstemming te brengen. De snaartheorie (blz. 9) bracht daarvoor een oplossing. Het verdampen van zwarte gaten, door Hawking voorspeld op grond van de wetten van het kleine, blijkt precies berekend te kunnen worden met de snaartheorie. Dat is een grote stap voorwaarts, want de snaartheorie geldt ook voor de zwaartekracht. ‘Het is de eerste grote prestatie van de snaartheorie,’ aldus Erik Verlinde. ‘Het is voor mij het bewijs van de kracht van deze theorie.’ Zullen we dus zwarte gaten langzaam zien verdampen? Sterrenkundige Van den Heuvel vreest van niet. ‘Gewone zwarte gaten verdampen heel langzaam. Naarmate ze kleiner worden, verliezen ze snel hun materie. Maar zover is het nog niet. Daarvoor is het heelal nog te jong Het is onwaarschijnlijk dat je dat kunt waarnemen. Alleen heel kleine zwarte gaten verliezen snel hun materie. Maar het is onzeker of die wel bestaan.’
16
17
Geschiedenis van het heelal
Op miljoenen andere plaatsen in het heelal moeten wolken geweest zijn die op dezelfde manier samentrokken tot evenzovele sterren, waarvan vele sprekend lijken op onze zon. Waarschijnlijk hebben veel sterren eveneens planeten, maar dat is moeilijk waar te nemen, omdat ze zo klein zijn. Ze zijn daarom nog maar op een paar plaatsen gezien. Deze stervorming gaat overal in het heelal voortdurend door. Onderzoekers nemen waar dat er nog steeds nieuwe sterren ontstaan uit samentrekkende wolken. Maar ook zien we sterren, die oud zijn, en bijna opgebrand. Ze ontstonden lang voordat onze zon werd gevormd. Sommige zien we exploderen aan het eind van hun leven. Ze blazen dan hun materie het heelal in. Daaruit kunnen later weer andere sterren ontstaan.
Dicht bijeen
De geschiedenis van het heelal, vanaf de Oerknal (of Big Bang) tot nu.
18
Als we nog verder in de geschiedenis teruggaan, naar de tijd vóórdat de eerste sterren gevormd werden, was alles in het heelal dichter bijeen dan nu. Dat weten we, omdat we ook tegenwoordig nog zien dat alles uit elkaar beweegt. Toen alles dichter bijeen was, heerste er ook een hogere temperatuur. Op een bepaald moment, naar schatting 15 miljard jaar geleden, was alles zo dicht bij elkaar dat het hele heelal één grote gloeiende bol was, met een temperatuur van vele miljarden graden Celsius. De toestand van het heelal was toen zeer eenvormig, een ongestructureerde brij van deeltjes en licht. Zo weinig structuur zou er later in het heelal nooit meer zijn. Door elkaar zwermden vele fotonen, positronen, elektronen, protonen en neutronen. Al deze deeltjes botsten vaak en altijd krachtig tegen elkaar. De krachten die daarbij optraden waren enorm. Natuurkundigen hebben dat op aarde nagebootst in deeltjesversnellers. Zo hebben ze ontdekt hoe vier fundamentele krachten een cruciale rol spelen in die oersoep
van deeltjes: de zwaartekracht, de elektromagnetische kracht en de zogeheten sterke en zwakke kracht. Verder terug in de tijd waren de omstandigheden zo extreem dat drie van die vier fundamentele krachten niet meer van elkaar te onderscheiden zijn. En nog iets eerder gaat de vierde, de zwaartekracht, daarin waarschijnlijk ook op, maar hoe precies weten natuurkundigen niet, want de wisselwerking tussen de materie was op dat moment zo intens en alles was zo dicht bijeen, dat het nog niet gelukt is om dat na te bootsen. Theoretici hebben wel een veelbelovend inzicht in deze wisselwerkingen gekregen door de snaartheorie (zie blz. 9), maar of dat echt klopt, zal nog moeten blijken. Zeker is wel dat traditionele begrippen als ruimte en tijd onbruikbaar zijn in die vroege toestand van het heelal. Het heelal was toen 10-43 seconde oud.
Mist van de geschiedenis
Oplossende mist van de Oerknal, En nog verder terug in de geschiedenis? Hoe zag het Begin gemeten met behulp van een eruit? De Big Bang of de Oerknal, het tijdstip dat het heelal ballon boven de zuidpool. geconcentreerd was in het volume van een theelepel? We De kleuren geven uiterst kleine weten het niet. Nog niet, want voorlopig hebben natuurverschillen aan in de reststraling kundigen hun handen vol aan het ontrafelen van de intense van de Oerknal. Vormden die het wisselwerking aan het eind van die eerste fractie van een begin van sterren en melkwegen? seconde. De grootste gebeurtenis blijft zo in de mist van de geschiedenis. Er is veel wat nog niet klopt. Niet alleen het gedrag van de zwaartekracht moet onder die extreme omstandigheden nog worden ontrafeld, we weten we ook nog niet hoe het komt dat het heelal in die eerste momenten zo snel is uitgedijd. Als natuurkundigen aan het rekenen slaan, becijferen ze dat het heelal nooit verder is uitgedijd dan het formaat van een voetbal. Dat klopt natuurlijk niet. We zijn groter dan een voetbal. De oplossing die de snaartheorie belooft te bieden, laat nog op zich wachten. De theorie is zo ingewikkeld, dat snaarspecialisten er nog niet in geslaagd zijn om na te rekenen hoe hun snaren zich in die vroege momenten gedragen. ‘Ik heb goede hoop, dat we dat binnenkort kunnen,’ aldus Erik Verlinde. ‘Als dat de goede snelheid voor de uitdijing van het heelal oplevert, hebben we een grote vooruitgang geboekt. We weten dan zekerder dat de snaartheorie klopt. Maar wat belangrijker is, we weten beter waarom het heelal er zo uit ziet als we waarnemen. Dat is voor mij de belangrijkste motivatie om dit te onderzoeken. Je beantwoordt vragen die diep in de natuur zitten.’
19
De grootste neutrinodetector ter wereld, de Super Kamiokande in Japan. Door een storing sneuvelden eind 2001 ruim 7000 van de 11.200 lichtmeters in de detector. Die is daardoor buiten bedrijf.
20
De lichtste deeltjes Neutrino’s behoren tot de meest raadselachtige deeltjes in de natuur. Juist daarom is het boeiend om ze te bestuderen. Ze geven ons inzicht in het binnenste van de zon en processen in atoomkernen. Neutrino’s zijn lastig te betrappen. Vermoedelijk hebben ze nauwelijks gewicht en geen lading. Ze laten zich door niets of niemand beïnvloeden, laat staan vangen. Met gemak schieten ze dwars door de aarde heen. Iedere seconde worden mensen en dieren door voorbijkomende neutrino’s doorstraald, zonder dat dit enig effect heeft. Neutrino’s maken niets kapot. Toch gaat het om veel neutrino’s. In de jaren vijftig berekenden sterrenkundigen dat de aarde dagelijks getroffen wordt door een intens bombardement van neutrino’s, afkomstig uit het binnenste van de zon. Daar komen ze vrij bij de fusiereacties die de zon van energie voorzien. Alleen al een duimnagel wordt elke seconde getroffen door 100 miljard neutrino’s. Lange tijd hebben natuurkundigen gepoogd deze neutrino’s te tellen. Het zijn tenslotte de enige deeltjes die ongestoord uit het binnenste van de zon komen en daarmee de meest directe bron van informatie over de processen in de zon. Het tellen van neutrino’s is lastig. Omdat ze zich ongestoord verplaatsen, zonder effect op andere materie, laten ze ook geen sporen na. Het zijn perfecte insluipers. Nou ja, bijna perfect. Bij hoge uitzondering botst één van die honderden miljarden neutrino’s toevallig tegen een atoom. De kans
daarop is haast onvoorstelbaar klein. Om iets van de neutrino’s te zien, moeten daarom grote detectoren gemaakt worden, met zoveel mogelijk atomen. Dan is de kans het grootst dat een neutrino ergens tegen de lamp loopt. Zo’n detector heeft echter ook last van andere deeltjes, die uit verschillende hoeken van het heelal op ons af komen. Vandaar dat zo’n neutrinodetector in de aarde wordt ingegraven, zo diep dat alleen neutrino’s daar kunnen doordringen. Aan het eind van de jaren zestig installeerde de Amerikaan Raymond Davis in een goudmijn in de VS een grote tank chloor om de voorspelde neutrinoregen te meten. Het experiment veroorzaakte beroering onder natuurkundigen, want er waren minder neutrino’s dan verwacht. Wat was er aan de hand? Zat er een fout in de berekeningen? Deugden de metingen niet? Vielen de neutrino’s onderweg uiteen? Het experiment werd op andere plaatsen herhaald, met andere types detectoren. De berekeningen van processen in de zon werden nog eens overgedaan. Er waren geen fouten gemaakt. De puzzel bleef. Japanse onderzoekers hadden in 1987 geluk toen zij een nieuwe detector hadden geïnstalleerd in een zinkmijn diep in de Japanse bodem. Het apparaat, de Super-Kamiokande, was daar een paar maanden in bedrijf toen een ster explo- Een meting in Japan die op passerende deerde en korte tijd één van de helderste objec- neutrino’s wijst. ten aan de hemel werd. Vlak voordat de explosie zichtbaar werd, registreerde de Japanse detector De drie soorten neutrino’s, onderdeel van de familie van de elementaire deeltjes. De massa’s die hier een neutrinoflits. Dat leverde kostbare kennis op staan, volgen uit de theorie. Hun werkelijke massa’s over de processen in het inwendige van die ster. kunnen sinds kort worden Leptonen Quarks gemeten. elektron massa 0,0005 GeV
elektron-neutrino massa < 3 GeV
up massa ~0,004 GeV
down massa ~0,007 GeV
muon massa 0,1 GeV
muon-neutrino massa < 0,0002 GeV
charm massa ~1,3 GeV
strange massa ~0,15 GeV
tau massa 1,8 GeV
tau-neutrino massa < 0,018 GeV
top massa ~174 GeV
bottom massa ~4,2 GeV
21
Gedaanteveranderingen
De neutrinodetector bij Sudbury in Canada die neutrino’s uit de zon meet.
Neutrino’s vallen niet uit elkaar, zo bleek bij die sterexplosie. Als ze de 160.000 lichtjaar vanaf de exploderende ster konden afleggen, zouden ze de korte oversteek van de zon naar de aarde ook wel halen. Eén van de mogelijke oplossingen van het neutrinoraadsel was met die gebeurtenis van tafel. Maar er zijn nog andere oplossingen voor het neutrinoraadsel. Misschien kunnen neutrino’s onderweg wel van karakter veranderen. Er zijn namelijk drie verschillende soorten neutrino’s (het elektron-neutrino, het muon-neutrino, en het tau-neutrino). Onder bepaalde omstandigheden kan het ene soort overgaan in het andere. De neutrino’s van de zon zijn vooral elektron-neutrino’s. Dat zijn ook de neutrino’s die het best door een detector worden opgevangen. Het kan best zijn dat sommige elektron-neutrino’s op hun weg naar de aarde overgaan in een andere soort en zich daardoor onttrekken aan het oog van de detectoren. Om de puzzel op te lossen, is er een wereldwijde zoektocht aan de gang naar die neutrino-overgangen en het wegen van neutrino’s, zo vertelt René van Dantzig, onderzoeker bij NIKHEF in Amsterdam. Honderd onderzoekers, onder wie Van Dantzig, zijn gezamenlijk bezig om te experimenteren met neutrino’s. In totaal doen zo’n 25 instituten mee, vooral uit Europa en Japan. Van Dantzig heeft met zijn medewerkers een belangrijk onderdeel ontworpen voor de detectoren. Alle apparatuur is samengebracht naar het onderzoeksinstituut CERN in Zwitserland, waar het experiment gedurende vier jaar heeft gewerkt. De neutrino’s werden gemaakt door protonen met veel kracht tegen een stuk metaal te laten botsen. Onder bepaalde omstandigheden ontstaat daarbij een bundel neutrino’s. Die neutrino’s gaan uiteindelijk door een fotografische emulsie van 800 kilo heen. ‘Eén op de miljard neutrino’s laat daarin een spoor na,’ aldus Van Dantzig. ‘Zo’n experiment is een constant gevecht om de kans op zo’n spoor zo groot mogelijk te maken.’
Internationaal Boeiend is ook de internationale samenwerking in zo’n project, zo vertelt Van Dantzig. ‘Je hebt mensen bij elkaar uit verschillende onderzoekstradities. Mensen zijn gewend om problemen op hun eigen manier aan te pakken.
22
Ideeën worden met elkaar geconfronteerd. Dat is heel vruchtbaar. Soms kies je er dan voor twee alternatieven parallel te onderzoeken, in de hoop dat in ieder geval één weg iets oplevert.’ Het mooie van de detector bij CERN is dat verschillende soorten neutrino’s geregistreerd kunnen worden. Dus als er een gedaantewisseling (of transformatie) van de ene soort naar de andere is, kan dat worden vastgelegd. De analyse van de meetresultaten is nu op de helft. Er zat nog geen enkele transformatie bij. Maar misschien levert de tweede helft wel een transformatie op. Eén of twee transformaties zou al heel sensationeel zijn.
Een tekening van een deel van ANTARES, een nog te bouwen neutrinodetector op de bodem van de Middellandse Zee.
Groot nieuws kwam er tenslotte in de zomer van 2001. In het Sudbury Neutrino Observatory in Canada dat in 1998 in bedrijf kwam, worden neutrino’s van de zon opgevangen. Zoals eerder opgemerkt zijn dat alleen elektron-neutrino’s. De SuperKamiokande detector in Japan kan alle drie de soorten neutrino’s meten, maar hij is het meest gevoelig voor elektron-neutrino’s. De metingen van de twee detectoren zijn nu met elkaar vergeleken en de uitkomsten wijzen onmiskenbaar in één richting: sommige elektron-neutrino’s van de zon gaan op weg naar de aarde over in een andere soort. Dit lost twee problemen op: het verklaart waarom de zon te weinig neutrino’s leek te produceren en neutronen hebben inderdaad een heel klein beetje massa, zeker tien miljoen keer minder dan een elektron. Dit resultaat vraagt natuurlijk om bevestiging door andere onderzoekgroepen en mer andere meetmethoden. Van Dantzig is al betrokken bij zo’n volgende stap. Een reusachtige detector van een kubieke kilometer op de bodem van de Middellandse Zee. ‘We kunnen dan de krachtige neutrino’s waarnemen, die misschien ontstaan bij heftige processen aan de rand van zwarte gaten. Dat geeft ons een nieuwe blik op het heelal. Omdat het dan de eerste keer zou zijn dat we die hoog-energetische neutrino’s waarnemen, kun je allerlei verrassingen verwachten.’
23
Een koud plasma op aarde: TL-verlichting.
De zon, één grote kern fusiemachine.
De heetste deeltjes
Met een gasvlam kun je stoffen opwarmen tot boven 1000 graden Celsius. Met een flinke elektriciteitsstoot wordt het nog wat warmer. Daarna verhit je met speciale radiostralers verder. Wat gebeurt er met stoffen als je ze steeds verder verhit? Je krijgt een hele reeks gedaanteveranderingen te zien. Het begint met enkele bekende veranderingen, die natuurkundigen faseovergangen noemen. IJs smelt bij verwarmen. Water verdampt. IJzer wordt vloeibaar en bij verdere verhitting gasvormig. Lood verdampt gewoonlijk bij 2024 graden Celsius, ijzer bij 3160 graden en rond 5800 graden verdampt als één van de laatste stoffen wolfraam (het metaal dat niet voor niets in de gloeidraad van een lamp wordt gebruikt). Boven deze temperatuur, als dergelijke faseovergangen achter de rug zijn, is alles gasvormig. Na deze gedaanteverwisselingen blijft er een gas over, met vrij door elkaar bewegende moleculen, die elkaars aanwezigheid nauwelijks voelen. Nu kunnen de gasmoleculen verder worden verhit. Ze gaan dan steeds heftiger bewegen, want in principe is warmte niets anders dan beweging. Hoe warmer, hoe meer beweging. Bij heftige bewegingen breken moleculen uit elkaar in afzonderlijk atomen. Water valt uiteen in waterstofatomen en zuurstofatomen, koolzuurgas wordt koolstof en zuurstof. Bij 10.000 graden is daardoor alleen nog een gloeiende wolk afzonderlijke atomen over.
24
Opwarmen bij deze temperaturen kost veel energie. Atomen stralen hun warmte namelijk snel weer uit. Dat uitstralen gebeurt via de elektronen, die rond de atoomkern cirkelen. Zij vangen warmte op door hun cirkelbaan aan te passen. Daarna stralen ze de opgevangen energie snel weer uit. Dat maakt opwarmen lastig. Het is alsof je een huis met openstaande ramen verhit. Alleen met intense warmtebronnen lukt het om de atomen nog verder te verhitten.
Verloren elektronen Bij 100.000 graden lukt het voor sommige atomen niet meer om de elektronen vast te houden, die rond de atoomkern cirkelen. Waterstof raakt zijn elektron kwijt. Bij 1 miljoen graden hebben ook koolstof en zuurstof elektronen verloren. Voor ijzer en nog zwaardere atomen ligt die temperatuur nog een stuk hoger.
25
Een heel heet plasma op aarde: een machine voor kernfusieonderzoek.
Voor het verder verhitten is het verlies van elektronen gunstig, want de elektronen waren er de schuld van dat de ingestraalde warmte direct weer werd uitgestraald. Als de atomen hun elektronen verliezen, wordt de energie van de kachel dus beter benut. Bij een temperatuur van enkele miljoenen graden zijn de meeste atomen alle elektronen kwijt. Wat eerder nog een gas was van moleculen is nu dus een mengsel van vrij door elkaar bewegende atoomkernen en elektronen geworden. Deze toestand van de materie heet een plasma. Het is de vierde in het rijtje vaste stof vloeistof - gas - plasma. Op aarde komt plasma alleen op speciale plaatsen voor (in TL-buizen bijvoorbeeld), maar het heelal bestaat vrijwel geheel uit plasma. Als de atomen hun elektronen eenmaal kwijt zijn, gaat het verder verhitten relatief gemakkelijk. Er verandert echter weinig, als je het gas nog warmer maakt. De temperatuur loopt op tot enkele tientallen miljoenen graden zonder dat de atomen verder nog veranderen. Wel worden hun onderlinge botsingen steeds heftiger, naarmate het warmer wordt. Meestal worden de atomen bij zo’n botsing snel weer teruggekaatst. Een atoomkern is immers positief geladen. Als twee positieve ladingen tegen elkaar komen, stoten ze elkaar af. Die elektrische kracht is echter niet de enige kracht die een rol speelt in de nabijheid van atomen. Op zeer korte afstand is ook de zogenaamde sterke kernkracht voelbaar. Dat is een aantrekkende kracht, die ervoor zorgt dat protonen en neutronen bij elkaar blijven in een atoomkern. Een enkele keer komen twee atoomkernen zó dicht bij elkaar, dat de sterke kernkracht een kans krijgt. De atoomkernen krijgen dan de mogelijkheid om samen te smelten. Twee protonen (dat wil zeggen: waterstofatomen die hun elektronen verloren zijn en met alleen één proton in de kern zijn overgebleven) kunnen zo een heliumkern vormen (met twee protonen in de kern). Daarbij komt veel warmte vrij.
Fusie Dat is dus de volgende gedaanteverandering die optreedt. Als de temperatuur oploopt tot enkele tientallen miljoenen graden, versmelten waterstofkernen geleidelijk. Bij elke samensmelting komt warmte vrij. Onder gunstige omstandigheden begint de warmteontwikkeling van de versmeltingsreacties bij 50 miljoen graden goed merkbaar te worden. Bij 150 miljoen graden is de warmteontwikkeling zelfs zo groot dat alle andere verhittingsbronnen uitgezet kunnen wor-
26
den. Het waterstofplasma houdt zichzelf warm. Dat is precies de Een uitbarsting op de zon laat zien manier waarop de zon op temperatuur blijft. Daar gebeurt dat ove- hoe geladen deeltjes de veldlijnen rigens bij veel lagere temperaturen, maar dat kan omdat de druk van magneetvelden volgen. in het hart van de zon gigantisch hoog is. Wat gebeurt er als de materie nog warmer wordt? Bij 300 miljoen graden neemt de fusie van waterstofkernen weer af. De botsingen tussen atoomkeren zijn nu zo heftig, dat de atoomkernen te kort bij elkaar zijn om te kunnen fuseren. Er zijn bij die temperatuur zwaardere atomen, zoals helium en lithium, die nog kunnen fuseren. Maar ook dat is op een gegeven moment voorbij. Als de grens van 1 miljard graden wordt gepasseerd, vindt er weinig fusie meer plaats. Omdat er geen warmte meer vrijkomt door fusie, moet er weer externe energie worden toegevoerd om de atoomwolk verder te verwarmen. Om daarna wéér een verandering in de atomen waar te nemen, moet flink worden doorgestookt. Op een gegeven moment, bij een temperatuur van 100 miljard graden, worden de bewegingen zo heftig, dat de atoomkernen uit elkaar vallen. De protonen en neutronen uit de atoomkern gaan boven die temperatuur apart door het leven. Als een atoom eenmaal in stukken is gebroken, kan de temperatuur daarna bijna onbeperkt worden opgevoerd. Protonen en neutronen blijven vrij rondzweven. Er wordt hard gezocht naar gedaanteverwisselingen die onder deze omstandigheden zouden kunnen optreden. Bij zeer hoge temperatuur en druk versmelten protonen en neutronen zeer waarschijnlijk tot een nieuw soort plasma, waarbij het onderscheid tussen protonen en neutronen vervaagt. Het enige dat dan nog zichtbaar is, zijn de bouwstenen waaruit protonen en neutronen zijn opgebouwd, een soep van quarks en gluonen. Dat is de laatste gedaante van de materie - of de eerste, want dit was de toestand in het heelal vlak na de Oerknal. Althans, dat is wat we nu weten.
27
Een kijkje in het reactorvat van de JET, de Europese proefinstallatie voor onderzoek naar energiewinning uit kernfusie.
Opstoken
In de praktijk blijkt het lastig om materie heet genoeg te maken om deze verschijnselen zichtbaar te maken. Natuurkundigen hebben op allerlei manieren geprobeerd om steeds hogere temperaturen te bereiken. De faseovergangen van smelten en verdampen zijn met eenvoudige middelen te bereiken. Een gasbrander is vaak voldoende. Ook is het goed mogelijk om het uiteenbreken van moleculen en het verliezen van elektronen te zien, bijvoorbeeld met laserverhitting. De daarop volgende gedaantewisselingen zijn lastiger. Fusie lukt alleen met de allergrootste ovens die er zijn. Het stadium van fusie is echter erg interessant. Vooral de energie die vrijkomt bij fusie is aantrekkelijk. Misschien kunnen we die energie in de toekomst nuttig gebruiken. Dat is extra aantrekkelijk, omdat de brandstof voor het fusieproces waterstof is. Dat is overvloedig op aarde aanwezig en kan eenvoudig worden gewonnen uit water. Het lastige is echter de intense hitte die nodig is om de fusie in gang te zetten. Daarbij komt dat de fusieprocessen enige tijd op gang gehouden moeten worden, voordat ze blijvend energie produceren. Al bijna een halve eeuw proberen natuurkundigen deze techniek te beheersen. De problemen zijn niet gering. Het gas dat bij die fusie wordt gebruikt, wordt vele malen heter dan in het binnenste van de zon. Om zo’n heet plasma enige tijd in een reactor bij elkaar te houden, moeten bijzondere technieken worden gebruikt. Je kunt zo’n experiment niet zomaar in een vat of tank uitvoeren, want geen enkel materiaal kan tegen de intense hitte. Bovendien zou het gas meteen weer afkoelen als het de koude wand raakt. Een mogelijkheid is bij-
28
voorbeeld om de materie op te sluiten met een magneetveld. De constructie die hiervoor het meest gebruikt wordt, heet een tokamak. De reactor van een tokamak heeft de vorm van een autoband, waarin geladen atomen in spiraalvormige banen bewegen. De eerste werd in Rusland gebouwd. In grotere tokamaks wordt de kennis over fusie nu verder verfijnd. In zo’n tokamak worden verschillende technieken gebruikt om de atomen zo heet mogelijk te krijgen. Het begint bij een sterke stroomstoot, waardoor het waterstof direct al gloeiend heet is, zo’n tien miljoen graden. Dat is nog niet heet genoeg voor fusie. Daarna wordt de waterstofwolk echter verder verhit met een reusachtige magnetron. Uiteindelijk bereiken de atomen de temperatuur van zo’n 150 miljoen graden die nodig is om de reactor fusie-energie te laten produceren. Het is tegenwoordig de gewoonste zaak van de wereld om deze temperatuur te bereiken. Het kan zelfs nog wel twee tot drie keer zo warm. Zelfs in kleine machines brengen we het tot enkele tientallen miljoenen graden. Het probleem is echter om de atoomkernen in het plasma dicht genoeg bij elkaar te houden. Hoe hoger de druk, hoe beter de fusie verloopt. Ook Nederland is betrokken bij die pogingen. Ons land neemt deel aan onderzoek met de Joint European Torus (JET), een Europese proefinstallatie in Groot-Brittannië. In deze centrale is het gelukt om 16 megawatt op te wekken, ongeveer 5 procent van het vermogen van een gewone Nederlandse elektriciteitscentrale. Er was echter zo’n 25 megawatt nodig om zover te komen. Er was dus geen netto energieproductie, maar dat was ook niet het doel van dit experiment. Hoe groot de JET ook is, het is slechts een schaalmodel van een centrale die echt energie kan produceren.
Een schets van ITER.
Nieuwe elektriciteitscentrale Om echt energie te produceren met fusie is een grotere installatie nodig. Het opwarmen van zo’n grotere installatie kost weinig extra energie, terwijl de opbrengst uit fusie in dat geval wel veel groter is. Natuurkundigen denken dat een installatie die 2,5 keer zo groot is als de JET ongeveer 1000 megawatt oplevert, evenveel als twee gewone Nederlandse elektriciteitscentrales. Internationaal worden plannen gemaakt om zo’n centrale te bouwen. De bouwschetsen voor deze International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) zijn al gemaakt. De toekomst voor dergelijke grote reactoren is echter onzeker. Het is kostbaar onderzoek
29
en kan alleen op langere termijn een bruikbare elektriciteitscentrale opleveren. Toch hopen onderzoekers op zo’n investering. ‘Zo’n project is een internationaal bindmiddel,’ vertelt professor Niek Lopes Cardozo. Hij is onderzoeker bij het FOM-Instituut voor Plasmafysica Rijnhuizen, even ten zuiden van Utrecht, een instituut dat gespecialiseerd is in hete materie en lasers. ‘Allerlei onderzoeksgroepen stemmen hun onderzoeksprojecten op ITER af. Als ze een berekening maken, doen ze dat voor een centrale met de maten van ITER. En de ontwikkeling van apparatuur wordt afgestemd op gebruik in ITER. Dat maakt dat je de resultaten van verschillende onderzoeksgroepen goed met elkaar kunt vergelijken. Het wordt dan snel duidelijk of een voorgestelde verandering echt een verbetering is. ITER fungeert als een ijkpunt voor het onderzoek.’ Of de centrale echt gebouwd gaat worden is echter de vraag. Er is internationaal nog geen overeenstemming over de financiering. ‘Als het project van tafel zou gaan, zou de internationale afstemming in het onderzoek verdwijnen. Het wordt dan veel moeilijker om theorieën en technieken met elkaar te vergelijken,’ aldus Lopes Cardozo. Nu is zo’n fusiecentrale naar verwachting nog erg duur, maar er worden constant technieken ontwikkeld waarmee fusie goedkoper moet kunnen worden. Echt goedkoop zal het wel nooit worden. Maar als olie en kolen schaarser worden, hebben we misschien meer geld voor onze elektriciteit over.
De koudste materie Hoe koud kan het worden? Temperatuur van materie staat gelijk aan beweging. Hoe kouder het is, des te trager bewegen atomen en moleculen. Bij kamertemperatuur bewegen ze met duizenden kilometers per uur. De vraag hoe koud het kan worden, is daarom theoretisch snel beantwoord. Als alle bewegingen zijn gestopt, kan het niet meer kouder worden. Dat punt heeft per definitie een temperatuur van 0 kelvin, het absolute nulpunt. In de praktijk blijkt het lastig om alle bewegingen te bevriezen. Die temperatuur van 0 kelvin staat gelijk aan 273,2 graden Celsius onder nul, niet bepaald een alledaagse omstandigheid. De hele twintigste eeuw hebben natuurkundigen geprobeerd om daar zo dicht mogelijk bij in de buurt te komen. Een belangrijk kouderecord werd gevestigd door de Nederlander Heike Kamerlingh Onnes bij de universiteit in Leiden. Hij kreeg een Nobelprijs omdat het hem in 1908 gelukt was om 270 graden Celsius onder nul te bereiken. Behoorlijk koud, maar toch bewegen atomen dan nog met honderden kilometers per uur. Na Kamerlingh Onnes zijn vele kleinere records gevestigd. Af en toe wist iemand nog een kleine verbetering te bereiken. Het duurde tot de jaren tachtig van de twintigste eeuw tot er een fundamentele vooruitgang werd geboekt. Er moesten nieuwe technieken worden ontwikkeld. Het heeft zo lang geduurd omdat een laser nodig is om de allerlaagste temperaturen te bereiken. Zoiets bedenk je niet gemakkelijk. Lasers zijn de krachtigste en warmste lampen die bestaan. Dat je lasers kunt gebruiken voor koeling, dat is een omkering in je gedachten. De Amerikanen Steven Chu en Bill Phillips en de
30
Fransman Claude Cohen-Tannoudji, die dat bedachten, hebben Een wolkje van een miljoen daarvoor in 1997 de Nobelprijs gekregen. natriumatomen die door onderDeze natuurkundigen vonden een manier uit om de bewegende zoekers in Utrecht lasers vrijwel atomen af te remmen. Beschiet ze met lichtdeeltjes, zo was het tot stilstand zijn gebracht. idee. Ook een speelgoedautootje kun je tot stilstand brengen als je er knikkers tegenaan gooit. De moeilijkheid is daarbij dat de atomen kriskras door elkaar bewegen, in een willekeurige richting. Je moet ze dus van alle kanten bekogelen met lichtdeeltjes om ze te kunnen stoppen. In de praktijk wordt een wolkje atomen daarom van zes verschillende kanten bestookt met het licht van zes krachtige lasers. De bewegingen worden zo in alle richtingen afgeremd. De atomen raken gevangen in een soort stroop, zoals één van de ontdekkers het uitdrukte. Het resultaat is dat het wolkje atomen afkoelt. Op die manier zijn temperaturen bereikt van 0,000001 kelvin (1 microkelvin), heel dicht bij het absolute nulpunt. Atomen bewegen dan nog maar met enkele centimeters per seconde.
Bizarre verschijnselen Waarom willen natuurkundigen zo dicht bij het nulpunt komen? Het is niet alleen de eer van kouderecords die telt. Zo dicht bij 0 kelvin, als alle bewegingen uitgevroren raken, gedraagt de natuur zich anders. Subtiele verschijnselen die gewoonlijk worden weggevaagd door de krachtige botsingen van snel bewegende atomen, krijgen bij lage temperaturen plotseling een kans. Kamerlingh Onnes merkte dat al. Bepaalde metalen blijken bij de lage temperaturen, die hij wist te bereiken, plotseling hun elektrische weerstand te verliezen.
31
Fransman Claude Cohen-Tannoudji, die dat bedachten, hebben Een wolkje van een miljoen daarvoor in 1997 de Nobelprijs gekregen. natriumatomen die door onderDeze natuurkundigen vonden een manier uit om de bewegende zoekers in Utrecht met lasers atomen af te remmen. Beschiet ze met lichtdeeltjes, zo was het vrijwel tot stilstand zijn gebracht. idee. Ook een speelgoedautootje kun je tot stilstand brengen als je er knikkers tegenaan gooit. De moeilijkheid is daarbij dat de atomen kriskras door elkaar bewegen, in een willekeurige richting. Je moet ze dus van alle kanten bekogelen met lichtdeeltjes om ze te kunnen stoppen. In de praktijk wordt een wolkje atomen daarom van zes verschillende kanten bestookt met het licht van zes krachtige lasers. De bewegingen worden zo in alle richtingen afgeremd. De atomen raken gevangen in een soort stroop, zoals één van de ontdekkers het uitdrukte. Het resultaat is dat het wolkje atomen afkoelt. Op die manier zijn temperaturen bereikt van 0,000001 kelvin (1 microkelvin), heel dicht bij het absolute nulpunt. Atomen bewegen dan nog maar met enkele centimeters per seconde.
Bizarre verschijnselen Waarom willen natuurkundigen zo dicht bij het nulpunt komen? Het is niet alleen de eer van kouderecords die telt. Zo dicht bij 0 kelvin, als alle bewegingen uitgevroren raken, gedraagt de natuur zich anders. Subtiele verschijnselen die gewoonlijk worden weggevaagd door de krachtige botsingen van snel bewegende atomen, krijgen bij lage temperaturen plotseling een kans. Kamerlingh Onnes merkte dat al. Bepaalde metalen blijken bij de lage temperaturen, die hij wist te bereiken, plotseling hun elektrische weerstand te verliezen.
31
Bose-Einsteincondensatie: links een wolkje rubidiumatomen dat zich als één groot atoom gedraagt. Als men het laat uitzetten, klapt de lange as van het wolkje een kwart slag om.
De opstelling in het FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica in Amsterdam, waarmee de Bose-Einsteincondensatie in het plaatje hierboven is gemaakt.
Metaalatomen zijn dan bijna op hun plaats vastgevroren, zodat elektronen er moeiteloos tussendoor kunnen stromen. Tot zijn verbazing zag Kamerlingh Onnes dat de elektrische weerstand volledig verdween. Een elektrische stroom kan door deze supergeleiding eeuwig blijven stromen. Zolang het koud blijft tenminste. Dit verschijnsel wordt tegenwoordig veel toegepast om zeer sterke magneten te maken, bijvoorbeeld voor MRIapparatuur in ziekenhuizen. Door de supergeleiding kan met weinig verlies een sterke stroom door een spoel lopen, waardoor er een sterk magneetveld wordt opgewekt. Later, in 1995, maakte twee Amerikaanse onderzoeksgroepen een ander verschijnsel, bij nog lagere temperaturen, zichtbaar (Carl
Wieman, Eric Cornell en Wolfgang Ketterle kregen er in 2001 de Nobelprijs voor). Door een heel ijl gas van atomen af te koelen tot een temperatuur beneden 0,000 000 1 kelvin zijn onder bepaalde omstandigheden geen individuele bewegingen van atomen meer mogelijk. Een hele wolk atomen gedraagt zich dan als een collectief, met allemaal precies dezelfde bewegingen. Dit verschijnsel was in 1924 al voorspeld door de Indiër Satyendra Nath Bose en Albert Einstein. Op verschillende plaatsen wordt gewerkt aan het vervolmaken van deze zogeheten Bose-Einsteincondensatie. Er worden voortdurend nieuwe verrassende eigenschappen waargenomen. Ook liggen verschillende toepassingen in het verschiet. Zo kunnen er misschien bijzondere soorten lasers mee worden gemaakt, die het mogelijk maken om uiterst kleine structuren te maken voor de micro-elektronica of voor sensoren. Bovendien opent de techniek een nieuw perspectief voor het maken van nauwkeurige klokken.
Klokken Het vastleggen van de tijd is altijd lastig gebleken. Als klokken verkeerd gingen lopen, waren er astronomische waarnemingen nodig om ze weer gelijk te zetten. De omwenteling van de aarde, de baan om de zon, het waren vaste bakens van de tijd. Rond 1900 waren de slingeruurwerken zo geperfectioneerd, dat ze nog maar een honderdste seconde per dag fout liepen. Voor veel praktische doelen was dat genoeg, maar voor bijvoorbeeld navigatie op zee is een nauwkeurigere tijdmeting gewenst. Gedurende de hele twintigste eeuw hebben natuurkundigen daarom gewerkt aan steeds betere klokken. In plaats van een slinger werden allerlei andere heen en weer slingerende objecten uitgeprobeerd. Zo zijn nauwkeurige klokken gemaakt met stemvorken en later met trillende kwartskristallen. Kwartsoscillatoren worden tegenwoordig nog veel toegepast in horloges, radiozenders en computers. Ze bleven tot in de tweede helft van de twintigste eeuw de beste klokken. Pas in 1955 bracht de Brit L. Essen een ander principe in praktijk. Hij maakte een klok met de kleinst denkbare trilelementen: atomen. Onder bepaalde omstandigheden gedragen atomen zich als een snel trillend kompasnaaldje. Er zijn eigenlijk twee magneetjes in een atoom aanwezig, die daarbij belangrijk zijn. De atoomkern is magnetisch, maar ook de magnetische eigenschappen van het buitenste elektron is belangrijk. De twee magneetjes kunnen samen in een uiterst precies ritme trillen. Een cesiumatoom trilt bijvoorbeeld zo’n 9 miljard keer per seconde (om precies te zijn 9.192.631.770 keer, want zo werd later de duur van de seconde gedefinieerd). Essen bouwde een installatie waardoorheen atomen stromen. Op één plek worden ze in trilling gebracht. Even verderop in het apparaat worden de trillingen gemeten. Dat moet razendsnel, omdat de atomen met duizenden kilometers per uur bewegen. Er is daarom maar een korte tijd beschikbaar om de trilling te meten. Als je maar kort kunt meten, gaat dat ten koste van de nauwkeurigheid. Cesiumklokken lopen daarom toch nog één seconde fout in 300.000 jaar (1:1013).
Duizendmaal nauwkeuriger Sinds de tweede helft van de jaren tachtig van de twintigste eeuw wordt er gewerkt aan verdere verbetering. Steeds is de truc om atomen zover af te koelen dat hun snelheid voldoende wordt afgeremd. De laserkoeling, die Chu, Phillips en Cohen-
32
33
laser
cesiumatomen
microgolfholte aftastlaser
detector
laser
laser
laser De nauwkeurigste klok ter wereld, de NIST F-1. Hij maakt gebruik van afgekoelde atomen. Tannoudji hadden ontdekt (zie blz. 31), maakt dit mogelijk. De snelheid van enkele centimeters per seconde, die dan wordt bereikt, geeft meer tijd om de trillende atomen te meten. Ook andere onderzoeksgroepen hebben prototypes gebouwd van een lasergekoelde klok met cesiumatomen. Het is de allernauwkeurigste tijdsmeting die er is. Dat werd althans gedacht. Boudewijn Verhaar, hoogleraar theoretische natuurkunde aan de Technische Universiteit in Eindhoven, is één van de onderzoekers die de feestvreugde heeft verstoord. De op handen zijnde supernauwkeurige klok blijkt namelijk last te hebben van ritmestoornissen. ‘Wij hebben berekend dat het trilpatroon van een atoom niet helemaal constant is,’ vertelt hij. ‘Het verandert een beetje, onder invloed van botsingen met andere atomen.’ Het hart van zo’n lasergekoelde klok tikt dus onregelmatig. Hoe langzaam de atomen ook bewegen en hoe precies je ook meet, die onregelmatigheid stelt een grens aan de precisie van de klok. Cesiumatomen hebben dus hun beperkingen. Voor een betere klok moeten we omzien naar een ander hart, dat regelmatiger tikt. ‘Toevallig waren wij in 1996 op een congres in Spanje, en hoorden we een onderzoeker vertellen over een opvallend verschijnsel bij het atoom rubidium,’ vertelt Verhaar. De lezing had niets met klokken te maken. Maar er werd een experiment beschreven met een opvallend gedrag van rubidium. ‘Toen we thuis kwamen van dat congres, zijn we gelijk gaan rekenen, om te zien of we het waargenomen verschijnsel konden begrijpen,’ aldus Verhaar.
34
laser laser
[1]
‘Het bleek te komen door enkele toevallige kenmerken van het atoom rubidium. Toen we dat eenmaal inzagen, bedachten we vervolgens dat daarmee een betere klok gebouwd zou moeten kunnen worden.’
[2]
[3]
Het principe van de moderne atoomklok. Eerst wordt een wolkje cesiumatomen met lasers afgekoeld (stilgezet). Daarna trekt men het wolkje met twee lasers in het vertikale vlak omhoog, laat het vallen en meet dan onderweg de trillingen van de atomen. Daarna wordt het wolkje opnieuw stilgezet en herhaalt de handeling zich.
De klok rond Dan volgt er in de onderzoeksgroep van Verhaar een periode van rekenen, het maken van computermodellen en intensief contact met experimentatoren. ‘Wij werken vaak samen met Amerikaanse groepen. We streven er dan naar om tegen vier uur ’s middags onze bevindingen via de e-mail door te zenden. Bij onze collega’s is het dan juist ochtend. Op die manier kun je de klok rond werken. Dat is nodig, want ook andere onderzoekers zijn bezig met dit zelfde onderwerp. Je wilt dus snel met resultaten komen.’ De beste ideeën komen echter als je even los bent van je bureau, zo vertelt Verhaar. Bijvoorbeeld tijdens één van zijn wandeletappes van Nederland naar Nice. ‘Gelukkig heb ik dan een gsm-
[4]
[5]
35
telefoon bij me. Dan kun je een idee doorgeven aan de achtergebleven onderzoekers.’ De groep van Verhaar kwam tot de conclusie dat rubidium een uiterst precieze klok oplevert. Inmiddels wordt zo’n klok in Parijs geconstrueerd, naar verwachting vijftien maal zo nauwkeurig als een lasergekoelde cesiumklok en 10.000 maal nauwkeuriger dan een cesiumklok zonder laserkoeling. Hij loopt drie seconde fout op de hele levensduur van het heelal! Maar het kan nog beter, zo vermoedt Verhaar. ‘Wij zijn nu aan het studeren of we Bose-Einsteincondensatie kunnen gebruiken voor klokken. Dan lopen de atomen in zo’n klok allemaal precies met elkaar in de pas. Je hebt geen last meer van toevallige botsingen. De atomen trillen in volstrekte regelmaat, altijd op dezelfde manier.’ Dat levert dus een robuust hart op voor een klok. Hoe nauwkeurig zo’n klok is, weet Verhaar nog niet. ‘Dat zijn we aan het uitrekenen. Dat is heel complex, omdat niet alle aspecten van Bose-Einsteincondensatie op dit moment al duidelijk zijn.’ Dat verrassingen in de wetenschap altijd op de loer liggen, bleek maar weer in de zomer van 2001. Toen meldden onderzoekers van het Amerikaanse ‘meetinstituut’ dat ze met heel koude kwikatomen een klok kunnen maken die honderd keer nauwkeuriger kan zijn dan de beste cesiumklok. Als die klok er bij het ontstaan van de aarde al was geweest, dan had hij nu niet meer dan een seconde of zo achtergelopen.
Een satelliet voor het Global Positioning System. Met zijn preciese atoomklok maakt hij nauwkeurige plaatsbepalingen op aarde mogelijk.
Had Einstein gelijk? Het is allemaal heel mooi, maar wat heb je aan een klok die slechts een fractie van een seconde fout loopt in een miljard jaar? Voor het wereldwijd gelijkzetten van horloges is die nauwkeurigheid niet nodig. Natuurkundigen hoopten met hun klokken aan te tonen of Einstein gelijk had met zijn relativiteitstheorie. Einstein had namelijk berekend dat tijd en snelheid onlosmakelijk met elkaar verbonden zijn. Een klok die snel wordt vervoerd, loopt trager dan een stilstaande klok. Niet omdat het mechaniek van de klok niet tegen een hoge snelheid bestand is, maar omdat de tijd zelf trager verloopt. Ook voorspelde Einstein dat een klok langzamer of sneller kan gaan lopen onder invloed van zwaartekracht. Het verschil is echter zo klein, dat het alleen met uiterst nauwkeurige klokken kan worden vastgesteld, bijvoorbeeld met één klok op de begane grond en één op de bovenste verdieping. De klok op de begane grond ondervindt een grotere zwaartekracht en gaat daardoor langzamer lopen. Na verloop van tijd moet je een minuscuul tijdverschil kunnen zien. Dat er zo’n verband is tussen tijd en zwaartekracht is inmiddels wel aangetoond. De kwestie is echter nog steeds actueel, omdat nog niet duidelijk is of Einstein helemáál gelijk had. Er zijn namelijk verschillende andere theorieën voor de zwaartekracht, met voorspellingen die afwijken van de berekeningen van Einstein. ‘We hebben daarom een type klok nodig, dat afwijkingen van Einstein’s theorie kan registreren. Die moeten dus nog vele malen nauwkeuriger zijn dan wat we nu kunnen,’ aldus Verhaar. ‘Natuurkundigen zijn altijd op zoek naar afwijkingen. Die leren je hoe de natuur in elkaar steekt.’ Ondertussen zitten ook andere wetenschappers en technici te wachten op nauwkeurigere klokken, want met de huidige klokken lopen we tegen beperkingen op. Bijvoorbeeld bij het bepalen van posities op aarde. Al vanaf de uitvinding van de klok
36
was dit een belangrijke drijfveer voor verbetering. De stand van de sterren, samen met een nauwkeurige tijdaanwijzing, maakte het mogelijk om de positie van schepen op zee te bepalen. Tegenwoordig gebeurt dat met een stelsel van satellieten, waarin een cesiumklok zit ingebouwd (het Global Positioning System, GPS). Daarmee is het mogelijk om je plaats tot op een meter nauwkeurig te bepalen. Maar voor een aantal toepassingen is dat niet genoeg. Zo is de Meetkundige Dienst bezig alle hoogteverschillen in Nederland op te meten. In het platte Nederlandse land kan een hoogteverschil van een paar centimeter al bepalen of je natte voeten krijgt bij een overstroming.
37
Een satelliet voor het Global Positioning System. Met zijn preciese atoomklok maakt hij nauwkeurige plaatsbepaling op aarde mogelijk.
was dit een belangrijke drijfveer voor verbetering. De stand van de sterren, samen met een nauwkeurige tijdaanwijzing, maakte het mogelijk om de positie van schepen op zee te bepalen. Tegenwoordig gebeurt dat met een stelsel van satellieten, waarin een cesiumklok zit ingebouwd (het Global Positioning System, GPS). Daarmee is het mogelijk om je plaats tot op een meter nauwkeurig te bepalen. Maar voor een aantal toepassingen is dat niet genoeg. Zo is de Meetkundige Dienst bezig alle hoogteverschillen in Nederland op te meten. In het platte Nederlandse land kan een hoogteverschil van een paar centimeter al bepalen of je natte voeten krijgt bij een overstroming.
37
Ook bij het vaststellen van de bewegingen van de continenten gaat het om centimeters. Amerika en Europa drijven jaarlijks 2 centimeter uit elkaar. Bij breuklijnen in de aarde kunnen verschuivingen van centimeters een aardbeving inluiden. Bij navigatie in de ruimte is ook een grote nauwkeurigheid vereist. Ruimtevaarttuigen naar verre uithoeken in ons zonnestelsel worden naar hun doel geloodst met waterstofmasers. Dan nog is de onzekerheid in positie 300 meter.
De kleinste bouwwerken
Een bouwwerk van afzonderlijke ijzeratomen in de maak.
De eerste cd-spelers waren bijna zo groot als een platenspeler. Nu stop je een cd-walkman in je binnenzak. Wie zo’n apparaatje open schroeft, ziet een minuscuul motortje, een klein lensje en een paar chips. Apparaten worden steeds kleiner. Maar hoe klein kun je gaan? In diverse laboratoria worden pompjes gemaakt van een paar millimeter, of motortjes die je gemakkelijk tussen je vingertoppen verbrijzelt. Hoe kleiner dergelijke apparaatjes, hoe bijzonderder de toepassingen. Sommige wetenschappers dromen al van robotjes, die zo klein zijn dat je ze alleen onder de microscoop kunt bekijken. De pootjes worden voortbewogen door nauwelijks zichtbare motortjes, een klein grijpertje kan miniatuurreparaties uitvoeren, bijvoorbeeld binnenin een computer of in de bloedvaten van een hartpatiënt. Science fiction of binnenkort realiteit? Voorlopig werken natuurkundigen aan minder futuristische apparaten. Bijvoorbeeld een laser die op een chip past of een uiterst klein computergeheugen. Vooral interessant zijn de mogelijkheden om verschillende kleine onderdelen samen te voegen op één siliciumchip. Dat maakt het mogelijk om computerkracht te combineren met de elektronica van bijvoorbeeld een uurwerk, een microfoon of een sensor. Het microfoongeluid kan op dezelfde chip worden versterkt en gecorrigeerd. Een meetinstrument dat op een computerchip zit, kan zelf een luchtmonster analyseren en alarm slaan als er giftige gassen worden geconstateerd. Met een laser op een chip kun je gemakkelijker gebruik maken van glasvezels. Dat soort kleine bouwwerken zijn direct bruikbaar.
Atomen stapelen Ondertussen wordt er in laboratoria verder
38
gewerkt. Onderzoekers kunnen nu zelfs bouwen met afzonderlijke atomen. Het is al gelukt om atomen één voor één op te pakken, om zo een kleine constructie te maken. Daarvoor wordt een bijzonder pincet gebruikt, de scanning tunneling microscoop (STM), waarmee één atoom opgepakt kan worden. ‘Ook wij kunnen daarmee uiterst kleine bouwwerken maken,’ legt Jan van Ruitenbeek uit, hoogleraar aan de Universiteit Leiden. Als je atomen stuk voor stuk kunt neerleggen, kun je alerlei figuren maken. ‘Sommige bedrijven maken op die manier hun bedrijfslogo na. Wie weet kun je zo op die uiterst kleine schaal ooit elektronica maken.’ Zelf denkt Van Ruitenbeek dat daarvoor nog veel onderzoek nodig is. ‘De atomaire bouwwerken zijn namelijk niet stabiel. Atomen zijn altijd wat beweeglijk, waardoor ze van hun plaats weggaan. Je moet dit soort bouwwerken daarom altijd bij uiterst lage temperaturen bewaren. Dan bewegen ze minder.’ Van Ruitenbeek werkt bij 270 graden Celsius onder nul, de temperatuur van vloeibaar helium. Van Ruitenbeek ziet nog een ander praktisch probleem. Het is lastig om grotere atomaire bouwwerken te maken, bijvoorbeeld van een millimeter groot. ‘Je moet dan miljarden en miljarden atomen één voor één opstapelen. Dat duurt eeuwen.’ Er zijn dus twee complicaties bij het maken van miniatuurbouwwerkjes, de beweeglijkheid van atomen en het grote aantal dat nodig is. Er zijn verschillende ideeën om deze problemen te verhelpen. Niet alleen de lage temperaturen van Van Ruitenbeek helpen om de bewegingen te bevriezen. Je kunt de atomen ook ketenen door ze te koppelen aan andere atomen in een sterke chemische binding. Er zijn enkele bijzonder sterke chemische bindingen, die daarvoor geschikt zijn.
Atomen kunnen op gewenste plaatsen worden neergelegd met een scanning tunneling microscoop. Diezelfde microscoop maakt ook dit soort afbeeldingen van het resultaat.
39
Er zijn nog veel moeilijkheden te overwinnen. Toch is het heel nuttig om de allerkleinste bouwwerken te onderzoeken, vindt Van Ruitenbeek. Zijn groep trok in 1998 internationaal de aandacht met de productie van een minuscule gouddraad, met een dikte van één atoom en een lengte van zeven atomen. Het is de allerkleinste gouden ketting. De onderzoeksgroep bestudeert hoe zo’n draadje de elektriciteit geleidt. Dat biedt belangrijk vergelijkingsmateriaal voor de praktijk van de micro-elektronica. In chips worden draadjes gebruikt met een dikte van 500 atomen. ‘Die draadjes worden steeds dunner. Als je weet hoe een draadje van één atoom de elektriciteit geleidt, kun je beter uitrekenen waar het heen gaat De kleinst denkbare gouden bij een verdere verkleining. De meest extreme situatie ken je dan ketting: zeven goudatomen op al,’ aldus Van Ruitenbeek. een rijtje. Van Ruitenbeek gebruikt een slimme truc voor het aaneenrijgen van de goudatomen tot een draad. De fabricagemethode is eigenlijk per toeval ontstaan, toen zijn groep bezig was om elektrische contacten te maken van precies één atoom groot. Die contacten ontstaan door twee stukken metaal tegen elkaar te houden. De oppervlaktes zijn wat rafelig, zodat er altijd wat atomen uitsteken en contact maken. ‘Als je de twee stukken metaal heel geleidelijk uit elkaar trekt, maken er steeds minder atomen contact. Uiteindelijk hou je er één over.’ Bij het uiteentrekken van twee stripjes goud, merkte hij dat er als het ware atomen uit het metaal werden getrokken, zo sterk zijn de onderlinge krachten tussen de goudatomen. De atoomcontacten en atoomdraden zijn ook interessant om het inzicht in geleidingsverschijnselen te vergroten, benadrukt Van Ruitenbeek. ‘Er kan een onvoorstelbaar grote stroom lopen door zo’n atomaire draad. Als je dat zou vertalen naar een gewoon elektriciteitssnoer, zou dat bijna een half miljard ampère zijn. Het is interessant om te zien hoe de materie zich houdt onder die extreme omstandigheden. Ook kun je met die metingen een beter inzicht krijgen in het verband tussen de geleiding en de chemische eigenschappen van een stof,’ aldus Van Ruitenbeek. De afmetingen zijn zo klein, dat de effecten van afzonderlijke elektronen merkbaar zijn. Die elektronen zijn niet alleen bepalend voor de geleiding, maar ook voor het chemische gedrag.
40
Zo maak je de kleinste ketting ter wereld: buig twee tegen elkaar gedrukte metaalpunten heel voorzichtig krom. Proberen constructies voor superkleine elektronische schakelingen per atoom op te bouwen, is één aanpak. Waarom leren we niet van de natuur, die al elektrisch geleidende moleculen maakt? In Nederland timmert de onderzoekgroep van professor Cees Dekker aan de Technische Universiteit Delft op dit terrein stevig aan de weg. Deze groep bestudeert de elektrische eigenschappen van minuscule buisjes van koolstof, zogeheten nanobuizen. Elk buisje is effectief een molecuul. De buisjes blijken stroom te geleiden en te veranderen in een diode als je ze knikt en in een transistor als je ze dubbel knikt. Het maken van de buisjes gebeurt nog door maar wat te doen. Dat levert een wirwar aan buisjes op, waaruit de onderzoekers exemplaren zoeken die voor hun experiment geschikt zijn. Dekker en zijn groep gebruiken de
Een STM-opname van een koolstof nanobuisje tussen twee elektroden.
buisjes dan ook vooral omdat het zulke mooie modelsystemen zijn, die leren hoe je moleculaire schakelingen zou moeten maken. Het netjes fabriceren komt in de toekomst wel. Een nieuwe stap zette de Delftse groep in 2001 door voor het eerst logische schakelingen met nanobuisjes te maken. In verschillende combinaties van buisjes, elektroden en aangelegde elektrische spanningen wisten de onderzoekers verschillende soorten logische bewerkingen uit te voeren, Met hun schakelingen laten de Delftse onderzoekers vervolgens zien dat ze diverse soorten logische bewerkingen kunnen uitvoeren. Zo hebben ze met één nanobuis een zogeheten inverter gemaakt. Die zet een 0 in een 1 om en omgekeerd. Met twee evenwijdige nanobuizen maken ze een zogeheten NOR-poort. Elke andere variant (AND, OR, NAND, XOR etc.) is dan ook mogelijk. Met twee inverters hebben ze een zogeheten SRAM (static random access memory) gemaakt, een eenvoudige flipflop geheugencel. Drie inverters in een ring maken een zogeheten ring-oscillator. Het toonaangevende
DE NEDERLANDSE NOBELPRIJZEN
‘Symmetrie is een centraal begrip in de natuurkunde’, vertelt Gerard ‘t Hooft, die samen met Martinus Veltman in 1999 de Nobelprijs voor de natuurkunde kreeg. ‘Als natuurkundige probeer je regelmaat te zien in natuurverschijnselen. Je zoekt naar wetmatigheden, die zo algemeen mogelijk geldig zijn. Als je een natuurwet formuleert, wil je dat die formulering op alle plaatsen geldig is’, legt hij uit. Dit uitgangspunt is even simpel als krachtig. Het is de rode draad door het werk van alle Nederlandse Nobelprijswinnaars. Het opsporen van samenhang, het zien van parallellen en overeenkomsten, geeft inzicht in de opbouw van de materie en het ontstaan van krachten. Het speuren naar samenhang is ook het uitgangspunt dat - een eeuw voor ‘t Hooft - de Nederlander Hendrik Lorentz ertoe bracht om grote voortgang te boeken in de kennis over elektriciteit en magnetisme. Eerder al was een natuurwet geformuleerd, die beide
42
krachten met elkaar in verband bracht. Elektriciteit en magnetisme zijn - volgens die formulering - twee loten van één stam. Wat zich voor de een voordoet als een elektrische kracht, ervaart de ander als magnetische. Hoe de kracht precies uitpakt is afhankelijk van snelheid en beweging. Wat in het verleden twee aparte verschijnselen waren, met ieder eigen wetmatigheden, was één geheel geworden. Lorentz zette die redenering feilloos door, en liet zien wat elektromagnetisme te maken heeft met straling en elektronen. Dat werd in 1902 beloond met de Nobelprijs. Lorentz deelde de prijs met zijn landgenoot Pieter Zeeman. Hij kon op een bijzondere manier aantonen dat een atoom elektronen bevat. Hij deed dat aan de hand van het effect dat een magnetisch veld heeft op het licht dat atomen uitzenden. De volgende Nederlandse natuurkundige die de prijs kreeg was van Johannes van der Waals (1910). Ook in zijn werk staat het zoeken naar algemeen geldige natuurwetten centraal. Hij wist het gedrag van gassen en vloeistoffen in één wiskundige vergelijking te vatten.
Heike Kamerlingh Onnes kreeg de prijs in 1913 voor experimenten die hij bij extreem lage temperatuur uitvoerde. Ook hij bracht weer nieuwe regelmaat. Alle bekende gassen waren namelijk in de negentiende eeuw vloeibaar gemaakt door ze af te koelen. Als je zuurstof of stikstof maar koud genoeg maakt, wordt het vanzelf vloeibaar. Bij één gas leek dat onmogelijk, namelijk helium. Kamerlingh Onnes slaagde daar toch in, en bracht daarmee de regelmaat weer terug. De extreem lage temperatuur die hij daarvoor wist te bereiken, was het begin van een groot aantal ontdekkingen, waaronder die van supergeleiding. De Nederlandse natuurkundige Frits Zernike, die de prijs in 1953 kreeg, heeft met een nieuw type microscoop de grenzen van het waarnemen nog verder verschoven. Ook Simon van der Meer werd in 1984 onderscheiden voor nieuwe experimentele technieken, waardoor nieuwe verschijnselen ontdekt konden worden. In de hele twintigste eeuw hebben natuurkundigen op die manier veel parallellen ontdekt, en steeds alge-
Amerikaanse wetenschappelijke weekblad Science riep eind 2001 dit soort onderzoek aan nanobuizen, inclusief dat in de groep van Dekker, uit tot wetenschappelijke uitvinding van het jaar.
Natuurkundigen in Delft onderzoeken hoe nanobuisjes van koolstof elektrische stroom geleiden. Daarvoor wordt een buisje aan twee elektroden vastgemaakt. Als het wordt geknikt, blijkt het als diode of transistor te kunnen werken.
menere formuleringen voor natuurwetten gevonden. Het duo ‘t Hooft en Veltman sluit deze rij, doordat zij erin slaagden een precieze, algemenere formulering te vinden, waarmee onder meer het bestaan van veel verschillende deeltjes wordt beschreven. Het is een voorlopige kroon op het zoeken naar steeds algemenere formuleringen. ‘Het ene soort deeltje is niet echt anders dan het andere soort. Het is mogelijk gebleken om één wet te formuleren, die voor veel verschillende deeltjes geldt’, aldus ‘t Hooft. Sommigen denken dat het werk van natuurkundigen nu bijna af is. ‘De’ natuurwet zou bijna gevonden zijn. ‘t Hooft is het daar niet mee eens. Volgens hem is er echter aanleiding genoeg om verder te werken. ‘Als je terugkijkt hoe de natuurkunde zich heeft ontwikkeld, zie je dat de belangrijkste ontdekkingen werden gedaan wanneer men ergens een tegenspraak meende te ontdekken. Einstein kwam tot zijn relativiteitstheorie door zich af te vragen wat er gebeurt als iemand meereist met een lichtgolf. Hij begon hierover te piekeren en kwam er niet uit. Wat ziet een reiziger als hij
achterom kijkt? Het licht van achter kan hem niet meer inhalen’. Er zijn nog genoeg van dit soort ongerijmdheden om over te piekeren, aldus ‘t Hooft. De tegenstrijdigheid die ‘t Hooft en Veltman wisten op te lossen, heeft te maken met een wiskundig probleem, dat het veralgemeniseren van de beschrijving van elementaire deeltjes lange tijd in de weg stond. Bij bepaalde berekeningen was het resultaat ‘oneindig’ en daar heb je niet zoveel aan. Het is als ‘delen door nul’. Die onmogelijke uitkomst stond jarenlang de vooruitgang in de weg. Het duo verzon echter een manier om dat probleem te omzeilen. Op basis van ideeën van Veltman ontwierp ‘t Hooft een rekenmethode, die wel zinnige uitkomsten geeft. De doodlopende weg waarop natuurkundigen tot dan toe zaten, gaf daardoor plotseling weer perspectief. Het werd mogelijk om precies te berekenen welke soorten deeltjes in de natuur zouden moeten voorkomen. Sommige deeltjes, die uit de berekeningen tevoorschijn kwamen,
waren nog nooit in het echt aangetroffen. Dat was reden om ze te gaan zoeken. Zo werd in 1983 het W-deeltje ontdekt, mede door het experimentele werk van Simon van der Meer. Die ontdekking bevestigde hoe bruikbaar de rekenmethode is, die door ‘t Hooft en Veltman werd ontwikkeld. Het pasontdekte deeltje bleek precies de eigenschappen te bezitten die de berekeningen hadden voorspeld. Door de methode van het duo konden natuurkundigen nog meer voorspellingen doen. Zo zoeken experimentatoren nog steeds naar het Higgsdeeltje. Uit berekeningen volgt dat dit zou moeten bestaan. De omstandigheden waaronder dit deeltje zichtbaar is, zijn zo extreem, dat het nog niet gelukt is om het waar te nemen. Misschien bestaat het niet, of heeft het Higgsdeeltje heel andere eigenschappen dan voorspeld werd. ‘t Hooft zal daar alleen maar blij om zijn. Want tegenstrijdigheden en onbegrepen verschijnselen zijn weer het begin van nieuw nadenken, nieuw begrip en een grotere algemeenheid.
43
Hoofdstuk 2
Natuurkunde en leven
Het menselijk lichaam is geweldig ingewikkeld. Dat maakt het heel lastig te begrijpen wat er in het lichaam precies gebeurt. Of we het nu hebben over het overdragen van erfelijke eigenschappen, het groeien van cellen of de werking van de hersenen, er zijn veel en slimme technieken nodig om te achterhalen wat er zich afspeelt. Daarbij komt de natuurkunde de biologie en de medische wetenschap te hulp.
Straling laat de wortels van het leven zien
Opstelling voor het maken van röntgenstraling.
Een eiwitkristal wordt met röntgenstraling zo afgebeeld. Uit dit buigingsbeeld kunnen specialisten de structuur van het eiwit bepalen.
46
Roelof van Silfhout, een Nederlandse natuurkundige die tot voor kort bij een instituut van het Europese laboratorium voor moleculaire biologie (EMBL) in Hamburg werkte (maar nu aan de Universiteit van Manchester verbonden is), heeft met enkele medewerkers de scherpste microscoop ter wereld ontworpen. De afbeeldingen die hij daarmee kan maken, laten bijvoorbeeld de afzonderlijke atomen van een langgerekt molecuul zien. De afbeelding is bijzonder gedetailleerd. Zelfs de elektronenwolken, die zorgen voor de bindingen tussen de atomen, staan er nog op. De microscoop lijkt maar weinig op de klassieke optische instrumenten. De lichtbundels, die nodig zijn voor het instrument, worden door een stelsel van tientallen meters glimmende vacuümbuizen geleid naar het doosje waarin het object van onderzoek zit. Het is intens röntgenlicht, afkomstig van een elektronenversneller die in een aangrenzende ruimte staat. Het instituut waar Van Silfhout werkte, is dan ook gevestigd in DESY, een groot laboratorium met deeltjesversnellers voor onderzoek in de hoge-energiefysica. Om complexe moleculen zichtbaar te maken, is een bijzonder krachtige lichtbundel nodig. De duizenden afzonderlijke atomen van een ingewikkeld eiwit moeten ieder genoeg licht weerkaatsen om een beeld te kunnen vormen. Daar heb je dus veel licht voor nodig. Om het nog moeilijker te maken: gewoon zichtbaar licht is niet geschikt om de atomen af te beelden. De golflengte van het licht is te groot in vergelijking met de atomen die je wilt zien. Het is op een mug schieten met een kanonskogel. Er moeten daarom kleinere golflengtes worden gebruikt. Je komt dan al gauw uit bij röntgenlicht. Het kost bijzonder veel moeite om een röntgenbundel te maken die krachtig genoeg is voor dit onderzoek. Dat is het lastige van het instrument
van Van Silfhout. Maar Van Silfhout wist slim gebruik te maken van de manco’s van een bestaand instrument. Zo’n 20 jaar geleden werd in Hamburg een apparaat gebouwd, dat ontworpen was om elektronen snel in het rond te jagen, zodat ze veel energie krijgen. Onderzoekers wilden elektronen met veel energie tegen andere materie te pletter laten slaan. Uit de brokstukken kun je dan leren hoe bijvoorbeeld atoomkernen zijn opgebouwd. Om de elektronen te versnellen, worden ze opgezweept in een cirkelvormig circuit. Magneten in dit circuit geven de elektronen telkens op het juiste moment een duwtje. Bij elk rondje dat de elektronen draaien in dit apparaat, krijgen ze meer energie. Tegelijk is het echter lastig om de elektronen bochtjes in dit circuit te laten draaien. In een auto moet je je krachtig vasthouden als je snel door de bocht gaat. Ook bij elektronen kost het energie om te voorkomen dat ze uit de bocht vliegen. Die energie komt vrij in de vorm van een röntgendeeltje. Aanvankelijk was het röntgenlicht van de versneller alleen maar vervelend, vertelt Van Silfhout. Als de elektronen elke keer energie in de bocht verliezen, is het lastig om ze verder op te zwepen. Dat is toch het doel van het apparaat. Het was een onbedoeld bijverschijnsel, totdat onderzoekers zich realiseerden dat deze ongewenste röntgenstraling uitstekend kan worden gebruikt voor andere doelen. Het bijproduct werd zo hoofddoel van het apparaat. Het röntgenlicht wordt sindsdien gebruikt voor het afbeelden van vooral biologische structuren. Het fotograferen met het röntgenapparaat begon met simpele kristalstructuren. Geleidelijk werden verbeteringen in de techniek aangebracht. In de loop der jaren heeft het instrument zo steeds scherpere beelden van steeds complexere structuren opgeleverd. Van Silfhout bedacht een manier om de röntgenbundel preciezer te maken. Voor het maken van de afbeelding is namelijk röntgenlicht nodig van één golflengte. Alle andere straling is alleen maar lastig.
Het actieve centrum van een eiwitcomplex dat in de lever werkzaam is. De wolkjes stellen de dichtheid van elektronen voor. Ze geven de plaatsen aan waar dubbele chemische bindingen aanwezig zijn.
47
Het menselijk DNA
De elektronenkaart van een virus, dat een bepaalde ziekte in tomaten veroorzaakt. De kaart is met behulp van röntgenstraling gemaakt.
Afbeelding van een ribosoom, op basis van metingen met röntgenstraling. Het ribosoom (boven) hecht zich op specifieke plaatsen aan RNA (onder).
Als filter wordt een stuk siliciumkristal gebruikt, dat maar één golflengte reflecteert. Door de hoge energie van de röntgenbundel wordt het kristal echter gloeiend heet en krijgt het oppervlak een onregelmatige structuur. Van Silfhout bedacht een manier om het kristal zó te koelen, dat het oppervlak glad blijft. Ook ontwikkelde Van Silfhout een techniek om te zorgen dat het röntgenlicht urenlang precies op dezelfde plaats blijft schijnen. Bij de langdurige metingen, zoals die bij complexe biologische structuren vaak nodig zijn, heeft de bundel namelijk altijd de neiging om enigszins te verlopen. Met meetapparatuur langs de bundel wordt nu het verloop gemeten. Zo kan de bundel automatisch worden bijgesteld. Met het instrument is inmiddels een groot aantal ontdekkingen gedaan. Het blijkt dat juist heel ingewikkelde moleculen, zoals die in het menselijk lichaam voorkomen, zich uitstekend laten bekijken met dit instrument. Dat geldt bijvoorbeeld voor ribosoomcomplexen, een belangrijk onderdeel in de cel. Onderzoekers stoppen zelfs hele virussen in het apparaat, om die atoom voor atoom te vereeuwigen.
Duizenden wetenschappers werken wereldwijd aan het bestuderen van het menselijk DNA, het molecuul waarin alle erfelijke informatie is opgeslagen. Bij elkaar hebben zij nog geen 15 procent van het DNA in kaart gebracht. Toch is dat een knappe prestatie. De Amerikaanse database die alle details van het DNA verzamelt, meldde in de zomer van 2000 trots dat dit overeenkomt met 500 miljoen elementen (nucleotiden) van het DNA. Om zover te komen moesten die nucleotiden één voor één gemeten worden. Er resteren nog 2,7 miljard nucleotiden; dat werk moet in 2003 klaar zijn. De 3,2 miljard nucleotiden waaruit het menselijk DNA bestaat, zijn stuk voor stuk groepen atomen, met een structuur die chemisch nog het meest op suiker lijkt. Belangrijk voor de functie van die groepen is de aanwezigheid van een base. Daarvan zijn er vier verschillende: adenine (A), cytosine (C), guanine (G) en thymidine (T). Er zijn daardoor vier verschillende soorten nucleotiden. Als een lange kralenketting vormen deze verschillende nucleotiden samen het DNA. De volgorde waarin ze in het DNA voorkomen, bepaalt hoe de
chromosoom chromatide chromatide
kern
telomeer centromeer
telomeer
cel
histonen DNA (dubbele helix)
Het menselijk DNA.
exon
intron gen
nieuwe streng
nieuwe streng
exon
DNA-verdubbeling
48
49
baseparen
Een DNA-chip, waarmee grote aantallen DNA-fragmenten tegelijk kunnen worden geanalyseerd. Links de chip, rechts een detail.
Activiteit in een chromosoom kan met een speciale optische techniek zichtbaar worden gemaakt.
50
lichaamscellen functioneren, en daarmee ook welke kleur de ogen krijgen, hoe het hart tikt en misschien wel hoe slim we kunnen worden in ons leven. Afwijkingen in het DNA vormen de oorzaak van veel verschillende ziektes, zoals kanker. Om meer te weten te komen over het functioneren van het DNA, is het dus zaak om de volgorde van de nucleotiden in kaart te brengen. Biologen werken daarin nauw samen met natuurkundigen. Veel van de meettechnieken maken gebruik van natuurkundige principes. Het lastige van de metingen is de omvang en de kwetsbaarheid van het DNA. Het apparaat van Van Silfhout (zie blz. 46) heeft moeite met moleculen die meer dan een paar duizend atomen bevatten. Door de heftige röntgenstraling tijdens de meting zouden ze ook meteen kapot geschoten worden. Er zijn echter wel technieken die kleine stukjes DNA kunnen identificeren. Om die technieken te kunnen hanteren, moet het DNA dus eerst in stukjes worden geknipt. En omdat één stukje moeilijk te hanteren is, moeten er veel identieke kopieën van dat stukje beschikbaar zijn. Biologen hebben een geniale techniek ontwikkeld om dat te doen. Omdat het menselijk DNA uit 22 tamelijk los aan elkaar verbonden groepen bestaat (chromosomen), wordt het DNA eerst op die plaatsen gesplitst. Er worden kleurstoffen toegevoegd, die zich hechten aan één van de chromosomen. Daarna wordt de vloeistof, waarin de chromosomen zijn opgelost, in een meetinstrument gedruppeld. Een laser meet van elke vallende druppel de kleur. Bij de goede kleur wordt razendsnel een elektrische spanning aangezet, die maakt dat de druppel enigszins
wordt aangetrokken. Daardoor valt de druppel met het gewenste chromosoom net op een andere plaats en komt dan in een ander potje terecht. Dit is nog maar het begin van het opdelen en sorteren. Een heel chromosoom is nog veel te groot om te kunnen meten. De chromosomen worden op hun beurt daarom in kleinere stukjes gebroken. Omdat een chromosoom nogal fragiel is, kan dat eenvoudig door de vloeistof een paar keer door een dunne injectienaald te spuiten. Door de druk in de injectienaald worden de chromosomen vanzelf uit elkaar gerukt. Het resultaat is een verzameling brokstukken van elk zo’n 100.000 nucleotiden. Dat is nog steeds te lang. Je kunt de brokstukken nog verder opbreken, maar dan wordt het achteraf lastig om te bepalen wat de volgorde van de verschillende fragmenten was. Een puzzel met miljoenen stukjes leg je niet makkelijk aan elkaar. Daarom hebben biologen een truc bedacht. Voordat ze een groot brokstuk verder in stukken breken, maken ze eerst een flink aantal kopieën. Vervolgens breken ze al die identieke kopieën in stukjes. De kopieën breken echter allemaal op een andere plaats. Achteraf kun je daardoor bepalen wat de volgorde van de stukjes is geweest. Omdat er zoveel kopieën van DNA-fragmenten zijn gemaakt, zijn er brokjes die erg op elkaar lijken. Sommige zijn misschien wat langer uitgevallen of hebben iets meer nucleotiden aan de linker- of rechterkant. Als er genoeg overlappende stukken zijn, weet je later precies welk stukje waaraan heeft vastgezeten. Omdat het om erg veel stukken gaat, kan dat echter alleen met een computer. Het is dus zaak om een aantal identieke kopieën te maken van het DNA-fragment. Dat gebeurt door het in te bouwen in een bacterie. Als dat op een goede manier gebeurt, neemt de bacterie dit brokstuk mee in de eigen voortplanting. Na enige tijd is er dus een kolonie bacteriën gegroeid, met allemaal identieke DNA-brokstukken ingebouwd. Als de brokstukken weer uit de natuurlijke kopieerapparaten zijn verwijderd, worden ze opnieuw in stukken gebroken. De stukjes zijn daarna nog maar 500 nucleotiden lang. Dat is kort genoeg om te meten. Maar om ze te kunnen meten, heb je van elk stukje verscheidene exemplaren nodig. Daarom worden ze nog eens vermenigvuldigd, ditmaal in een virus. Na al deze voorbereidingen is het eindelijk mogelijk om de volgorde van de verschillende nucleotiden te meten. Daar was het uiteindelijk allemaal om te doen. De Amerikaanse Nobelprijswinnaar Sanger heeft daarvoor een slimme methode bedacht. Door toevoeging van enzymen weet hij te bereiken dat het DNA zich gaat vermenigvuldigen, zoals bij de deling van een cel. Er groeit een overeenkomstige streng DNA als wederhelft aan de stukjes. Met een synthetische stof zorgt Sanger dat de groei precies stopt op de plaats waar bijvoorbeeld een Anucleotide zit. Uit de lengte van de aangegroeide stukken valt dus af te leiden waar die A-nucleotiden zitten (hij heeft ook stoffen voor de C-, G-, en T-nucleotiden). Je moet de lengte dan natuurlijk wel meten. In veel stoffen kunnen kleine stukjes zich sneller verplaatsen dan grote. Sanger gebruikt een gel waarin de langere stukjes duidelijk achterblijven. Na enige tijd zie je een heel spoor, keurig gesorteerd op lengte. Sanger maakte slim gebruik van dit natuurkundig effect om de lengte van de aangegroeide stukjes DNA te kunnen meten. Zo kunnen dus de plaatsen van de A-, C-, G- en T-nucleotiden worden gemeten in het kleine DNA-brokje van een paar honderd nucleotiden. Zo worden
51
alle brokjes stuk voor stuk in kaart gebracht. Daarna volgt het leggen van de grote puzzel. De overlappingen tussen de stukjes laten zien waar elk fragmentje past in het lange DNA. Alles bij elkaar is er dus veel biologische kennis nodig om het DNA te kunnen meten. Bacteriën, virussen en enzymen worden ingeschakeld om te helpen bij de metingen. Niet voor niets werd een Nobelprijs uitgereikt voor onderdelen van deze methode. Het is geniale biologie. Toch zit in elke stap ook veel natuurkunde. Op veel plaatsen wordt slimme fysica gebruikt. Denk bijvoorbeeld aan de lasermetingen, de inzet van razendsnelle elektronica en het gebruik van elektrische aantrekkingskracht. Daarnaast is in veel details van de meetmethodes natuurkundige kennis terug te vinden. Zo wordt een computersimulatietechniek uit de natuurkunde gebruikt om te bepalen hoeveel identieke exemplaren van de bacteriën en virussen nodig zijn om de metingen te kunnen doen. Op deze manier gaan biologische vorderingen en natuurkundige kennis hand in hand.
ELEKTRISCHE
STROOMPJES IN DE HERSENEN
Hoe kunnen wij denken, voelen of willen? Stukje bij beetje worden de hersenen in kaart gebracht. Zo hebben natuurkundigen uiterst nauwekeurige meetinstrumenten ontwik-
keld om de magnetische activiteit van de hersenen te registreren. Het zijn zogeheten squids, die hun werk pas doen als ze afgekoeld worden tot 269 graden Celsius onder nul. Bij die temperatuur worden ze supergeleidend, waardoor alle elektrische weerstand verdwijnt. De magneetvelden komen dan zonder storing
Een scanner om magnetische activiteit van de hersenen te meten.
52
door. Om die temperatur te bereiken zijn omvangrijke koelmachines nodig en kostbaar vloeibaar helium. De meettemperatuur wordt daardoor log. De hoop is dat met nieuwe supergeleiders die werken bij -200 graden Celsius, kleinere scanners gemaakt kunnen worden. Er zijn nog andere technieken. De elektrische signalen kunnen worden geregistreerd met een EEG. Met PET (zie bladzijde 57) kunnen we weer andere dingen te weten komen. Brengt dat ons dichterbij de kennis van ons bewustzijn? Sommigen betwijfelen dat. Hoeveel we ook meten aan hersenen, we zullen nooit ons gevoel en gedrag ermee kunnen verklaren. ‘Dat is gek,’ vindt de Amerikaanse hoogleraar Antonio Damasio, ‘want iedereen is het erover eens dat de hersenen de basis vormen voor ons bewustzijn. Het is het laatste onbekende terrein van de wetenschap, maar ik ben ervan overtuigd dat we het in kaart kunnen brengen.’
Het skelet van de cel In de biologieboeken staat het zo simpel. Cellen in het menselijk lichaam zijn uitgerust met een wijd vertakt netwerk van buizen (microtubules), die allerlei belangrijke functies verzorgen. Ze zorgen voor stevigheid, communicatie en transport in een cel. ‘We weten maar weinig echt zeker over microtubules,’ vertelt Marileen Dogterom, onderzoeker bij het FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica in Amsterdam en hoogleraar aan de Universiteit Leiden. Zij wijst op een tekeningetje in zo’n biologieboek. De microtubules staan als rails afgebeeld. Daarlangs glijdt een transportkarretje, dat stoffen door de cel vervoert. ‘Wat in de boeken staat, zijn vaak veronderstellingen.’ Biologen konden lange tijd niets anders doen dan observeren en gissen. ‘Pas recent kunnen we echt meten wat er gebeurt.’ Je wilt weten hoe de bewegingen van de microtubules zich voltrekken. Wat maakt dat ze stoffen kunnen transporteren? Waardoor gaan ze groeien of juist krimpen? Hoe komt het dat ze plotseling het DNA uit elkaar gaan trekken? Om dat te weten te komen, moet je niet alleen het krachtenspel in de cel nauwkeurig registreren, maar ook meten welke factoren daarop van invloed zijn. Het is vaak een nauw samenspel van veel verschillende moleculen in de cel. Dat is lastig om te meten, want bij metingen verstoor je vaak het samenspel. Je ontkomt er meestal niet aan om één soort moleculen apart te nemen. De metingen die je kunt uitvoeren, zijn daarmee een versimpeling van de werkelijkheid. De vraag is dan ook of die geïsoleerde metingen nog wat zeggen Microtubules aan het werk in over de complexe werkelijkheid van de cel. ‘We hebben de laatste jaren in de natuurkunde veel ervaring een delende cel.
mitosis
chromosomen centromeer
profase
metafase
anafase
telofase
centriolen microtubules
53
VOGELZWERM
Helemaal boven: een model van een microtubule. Midden: een groeiende microtubule gaat krom staan als hij tegen een harde wand komt; dat vertelt hoe groot de duwkracht van de microtubule is. Beneden: een andere opstelling om de kracht van een groeiende microtubule te meten. Een microtubule is vastgemaakt aan twee bolletjes die met laserlicht op hun plaats worden gehouden. Het groeiende uiteinde van de tubule laat men tegen een obstakel groeien. Als dat gebeurt drukt hij één van de bolletjes weg. Dan kan de kracht worden gemeten die nodig is om dit bolletje op zijn plaats te houden.
54
opgedaan met complexe systemen,’ vertelt Dogterom. ‘Er zijn nu computersimulaties, waarmee je het gedrag van veel moleculen tegelijk kunt bestuderen. We leren het een beetje, al is de werkelijkheid in een cel nog veel complexer dan we op dit moment aankunnen.’ Dogterom is de eerste ter wereld die gemeten heeft hoe groot de kracht is die een microtubule kan uitoefenen. Ze laat foto’s zien van zo’n buisje, genomen met een sterke microscoop. Aan één kant heeft het buisje zich vastgehecht op de ondergrond. Aan de andere kant stuit het buisje tegen een stukje glas. Zo is het helemaal ingeklemd. Als het buisje onder de microscoop groeit, gaat het krom staan. De volgende foto’s tonen steeds verder doorgebogen buisjes. ‘De krachten worden steeds groter. Op een gegeven moment stopt het. Dat is dan kennelijk de grootste kracht die het buisje kan uitoefenen. Als natuurkundige weet je wat voor krachtenspel er optreedt als een buis gebogen wordt. Als je een buiging ziet, kun je daarom precies uitrekenen hoe groot de krachten zijn.’ Dogterom wil onder de microscoop nog andere moleculen toevoegen, om zo de verschillende wisselwerkingen in een cel te kunnen
Het ziet er zo georganiseerd uit, zo’n zwerm vogels. Een wolk diertjes die allemaal dezelfde kant uitvliegen. Als je erover nadenkt is dat wel kunstig. Elke vogel kan maar een paar buren in de gaten houden. Er hoeft dus maar één vogel fout te vliegen en alle vogels die erachter zitten, doen hetzelfde. Echt kuddegedrag. Het is net als ‘telefoontje’, een kinderspelletje waarbij je een woord doorfluistert in een kring. Als iemand het fout verstaat, wordt het fout doorgegeven. Binnen de kortste keren is het woord niet meer herkenbaar. Hoe kan het dan dat vogels wel allemaal dezelfde kant op blijven vliegen, zelfs als sommige exemplaren af en toe uit koers raken? De Hongaarse natuurkundige Tamas Vicsek begon dit soort gedrag te bestuderen toen hij in een laboratoriumschaaltje bacteriekolonies in een gecoördineerd patroon zag bewegen. Sommige kolonies gingen met de wijzers van de klok mee, andere ertegen in, maar altijd was de hele groep het met elkaar eens over de richting. Het deed hem denken aan magneten, waarin ook alle ijzerdomeintjes in dezelfde richting geordend liggen, om zo samen te zorgen voor de magnetische eigenschappen. Wanneer de magneet te warm wordt, raken de ijzerdomeintjes hun oriëntatie kwijt; daardoor verdwijnen de magnetische eigenschappen. Vicsek probeerde deze analogie uit te werken, voor verschillende situaties, onder andere voor vogels. Hoe hij ook rekende, hij kon niet verzin-
nen hoe het kwam dat een vogelzwerm bij elkaar kon blijven. Toen hij op bezoek was bij het onderzoeksinstituut van IBM in de buurt van New York, raakten de natuurkundigen John Toner en Yuhai Tu gefascineerd door zijn ideeën. Zij zagen echter een analogie met een ander natuurkundig verschijnsel, dat van stromingen in water en lucht. Ook daarbij gaat het vaak om gecoördineerde bewegingen, terwijl afzonderlijke moleculen alleen maar hun buren voelen. Het bleek een succesvolle aanpak. Ook in een vloeistof gaan wel eens moleculen de verkeerde kant op, maar ze slagen er niet in hun soortgenoten blijvend op een verkeerd spoor te brengen. Ze stoten hun buren wel aan en brengen ze zo enigszins van slag, maar er zijn gemiddeld meer duwtjes in de goede richting. Zolang er meer goedbewegende moleculen zijn dan foute, blijft de goede richting bestaan. Zo ook bij vogels, die zich
op meer dan één buur oriënteren. Het bleek niet alleen een goede vergelijking, de onderzoekers konden de kans op een koerswijziging ook berekenen door deze analogie. De onderzoekers denken dat soortgelijke berekeningen ook kunnen helpen om het gedrag van kuddedieren en filerijders te begrijpen.
55
achterhalen. ‘Er zijn bepaalde eiwitten in de cel, waarvan biologen denken dat ze de microtubules versterken. Dat zou betekenen dat microtubules door die eiwitten grotere krachten kunnen uitoefenen. Dat wil ik meten. En ik wil de glazen barrière uiteindelijk vervangen door een natuurlijke begrenzing. In de cel hechten de buisjes zich aan chromosomen. Het zou mooi zijn om die te kunnen gebruiken.’ Voor haar metingen is een nauwe samenwerking van biologen en natuurkundigen vereist, vertelt zij. Samen met biologen isoleert zij de eiwitten die zij voor de metingen nodig heeft. Dat is precisiewerk, want de lange eiwitmoleculen raken gemakkelijk uitgestrekt of ze vouwen op een andere manier in elkaar. Dat mag niet, want de functie van bepaalde eiwitten wordt bepaald door de manier waarop het eiwitmolecuul in elkaar gevouwen is. Dogterom heeft ook nog een andere methode bedacht om het krachtenspel in de cel te meten. Haar idee is een microscopische versie van een veerexperiment. Als je aan een veer een gewicht hangt, kun je aan de uitrekking zien hoe zwaar het gewicht is. ‘Bij microtubules wil ik datzelfde doen. Maar het gaat dan wel om krachten van piconewtons (miljoensten van miljardsten van een newton) en uitrekkingen van nanometers (miljoensten van een millimeter),’ legt zij uit. Het uiteinde van de veer wordt in haar experiment gevormd door een microscopisch klein knikkertje. Daar wordt de microtubule aan vast gemaakt. Het knikkertje wordt op zijn plaats gehouden door een bombardement van lichtdeeltjes uit een laser. Daardoor is er een kracht nodig om het knikkertje van zijn plaats te krijgen, net als bij een veer. Als de microtubule tegen zo’n knikkertje duwt, dan zie je het ook langzaam verschuiven, alsof de veer uitrekt. De verschuiving is te klein om onder de microscoop waar te kunnen nemen. Er komt een aparte laser aan te pas om de positie met lichtflitsjes uiterst precies te bepalen. Het voordeel van de knikker-veer-methode is dat je het krachtenspel meer in de natuurlijke omgeving kunt meten. Bovendien is de meting veel directer. Als je de veerconstante van het knikkertje kent, kun je direct de kracht uitrekenen. Misschien wel het meest complexe krachtenspel, waaraan Dogterom zich wil wagen, is dat bij de celdeling. Daarbij gebeuren zoveel dingen tegelijk, dat het voorlopig nog geen zin heeft om de krachten precies te gaan meten. Eerst maar eens kijken wat er gebeurt. Eén van de raadsels is bijvoorbeeld de vorming van een ring van microtubules rond plantencellen, precies op de plaats waar de cel zich moet gaan delen. Hoe weten de buisjes waar ze de cel moeten omsnoeren? Een ander probleem is het splitsen van de netwerken van buisjes bij de celdeling. Hoe komt het dat er op een gegeven moment twee centra zijn, van waaruit de microtubules zich door de cel uitspreiden? Samen met onderzoekers van Wageningen Universiteit wil Dogterom deze verschijnselen verder onderzoeken. Zo wil ze bekijken wat er gebeurt als je twee afzonderlijke netwerken van buisjes bij elkaar in een kweekbakje doet. Wat voor ordening treedt er dan op? En zou het lukken om de ringvorming ook in een kweekbakje voor elkaar te krijgen? Als die biologische proeven allemaal lukken, wil Dogterom verder gaan met haar natuurkundige instrumentarium, want het zou mooi zijn om ook dit ingewikkelde krachtenspel te meten.
56
Een spoor van moleculen in het lichaam Er is een zaal vol meetapparatuur nodig, maar dan kun je ook precies volgen hoe voedingsstoffen door bloedvaten stromen naar spieren, organen en hersenen. De basis voor de PET-techniek (Positron Emissie Tomografie) werd al in de jaren dertig van de twintigste eeuw gelegd, maar pas recent is genoeg nauwkeurigheid bereikt om de processen in het lichaam echt te volgen. Daarbij wordt slim gebruik gemaakt van meettechnieken, die zijn ontwikkeld voor fundamenteel onderzoek naar elementaire deeltjes, de kleinste bouwstenen van de materie. Om de voedingsstoffen in het lichaam te kunnen volgen, moeten ze duidelijk herkenbaar worden gemaakt. Dat gebeurt door bepaalde moleculen een beetje om te bouwen, zodat ze later precies herkenbaar zijn tussen hun soortgenoten. Je kunt ze dan volgen op de weg door het lichaam. Dat ombouwen gebeurt door één atoom te vervangen. Zo kan bijvoorbeeld in glucose (een soort suiker) een normaal koolstofatoom (12C) vervangen worden door een radioactieve variant van koolstof (11C). Dit gemanipuleerde molecuul wordt dan in de aderen van de patiënt ingespoten. In het lichaam beweegt de stof zich als een normaal glucosemolecuul. Omdat dit een voedingsstof is, kun je zo zien waar er in het lichaam voedingsstoffen worden gebruikt. Het enige verschil met een gewoon glucosemolecuul is de lichte radioactiviteit. Daardoor zendt zo’n veranderd koolstofatoom een positron uit, het antideeltje van een elektron. Wanneer zo’n positron een elektron tegenkomt (meestal in de directe omgeving), smelt het duo samen. Het bijzondere is dat daarbij twee stralingsflitsjes worden afgegeven, precies in tegenovergestelde richting. Om die stralingsflitsen is het uiteindelijk te doen, want daarmee kun je van buitenaf volgen waar de omgebouwde moleculen zich in het lichaam bevinden. Om de stralingsflitsen te kunnen meten, wordt rondom de patiënt een reeks detectoren gezet. In welke richting een stralingsflits ook gaat, altijd is er wel een detector die het flitsje registreert. Zodra dat gebeurt, kijkt de computer of in de tegenovergestelde richting ook een flitsje wordt geregistreerd. Is dat het geval, dan zijn beide flitsjes afkomstig van een samensmeltend positron-elektronpaar. De plek waar die samensmelting plaats vond, kan dan precies wor-
Een PET-opname van het hele lichaam. De donkere vlekken wijzen op plaatsen waar op dat moment één bepaald soort proces actief was.
57
Een PET-scanner. den herleid. De richting van de flitsjes is één aanwijzing, het tijdstip van aankomst in de twee detectoren is een andere. Samen is dat genoeg om de positie van het positron-elektronpaar op enkele millimeters nauwkeurig vast te stellen. Daarmee is ook de plaats van het oorspronkelijke glucosemolecuul gelokaliseerd.
Onderzoek van de glucosestofwisseling in de hersenen. Rechts werkelijke PET-scans, links berekende scans.
58
Wie op die manier registreert waar de glucosemoleculen zich in het lichaam bevinden, ziet allerlei ophopingen. Logisch, want niet overal in het lichaam worden evenveel voedingsstoffen geconsumeerd. Zo zitten er veel in de hersenen. De hersenen vormen maar twee procent van het lichaamsgewicht, maar ze gebruiken 15 procent van de voedingsstoffen. Een groot deel van de radioactieve glucosemoleculen komt dus daar terecht. Ook in de spieren is veel glucose te zien. Daarnaast gebruiken cellen die zich aan het delen zijn, veel glucose. Medisch specialisten kijken naar dit soort ophopingen om ziektes te kunnen opsporen, wetenschappers gebruiken dit effect om het functioneren van het lichaam beter te leren kennen. Een hartchirurg kan bijvoorbeeld zien of het zinvol is om dichtgeslibde aderen te openen. Als hij ziet dat de hartspieren die gevoed worden door die aderen, nog steeds glucose opnemen, dan is er nog levend weefsel. In dat geval kan het weefsel zich herstellen als hij de bloedsomloop weet te verbeteren. Als hij niet ziet dat het hartweefsel glucose opneemt, kan hij zich die moeite besparen. Het weefsel is dan al afgestorven. Wat niets eet, is dood. Een kankerspecialist kijkt naar de plaatsen waar veel glucose wordt gebruikt. Dat geeft aan dat de cellen daar veel energie gebruiken om zich te delen. Een kankergezwel is tenslotte een ongeremde deling van cellen. Op die manier kan hij bijvoorbeeld gemakkelijk uitzaaiingen zien van longkanker, op plaatsen die onbereikbaar zijn voor röntgenfoto’s. Tot nu toe was soms een
operatie nodig om uitzaaiingen onder de borstkas te constateren. In de hersenen kan op soortgelijke manier veel activiteit worden blootgelegd, vertelt J. Korf, hoogleraar psychiatrie in Groningen. ‘We hebben een opvallend resultaat geboekt met patiënten die lijden aan een dissociatieve stoornis.’ De patiënt neemt bij die ziekte achtereenvolgens verschillende identiteiten aan. Het is een aandoening, waarvan niet iedereen gelooft dat die echt bestaat, legt Korf uit. Het is daarom belangrijk om te onderzoeken of er een verschil ontstaat in het functioneren van de hersenen bij het aannemen van een andere identiteit. ‘We hebben verschillende verhaaltjes voorgelezen, terwijl er een PET-opname van de patiënt werd gemaakt. Neutrale verhalen, De verschillen tussen twee waarbij de patiënt een normale identiteit ging aannemen. En identiteiten van patiënten met een verhalen die refereren aan een trauma, waarbij een gestoorde iden- dissociatieve stoornis. Hoe meer titeit werd geprikkeld.’ Bij het aannemen van een andere identiteit geel/oranje, hoe hoger de activiteit werd duidelijk op een andere plaats in de hersenen activiteit waar- in dat deel van de hersenen. genomen, aldus Korf. ‘De patiëntenvereniging was blij met dit resultaat. Het laat zien dat er echt iets verandert bij het aannemen van een andere identiteit. De ziekte bestaat echt.’ Belangrijke kennis over de hersenen wordt ook gekregen door taalstudies. Door bij een proefpersoon verschillende soorten zinnen voor te lezen, kun je erachter komen waar de grammaticale verwerking van een zin plaats vindt en waar de betekenis wordt geïnterpreteerd. Met leesoefeningen kunnen je zien of er iets misgaat in de hersenen als iemand leesblind is. Er worden ook andere omgebouwde moleculen gebruikt bij PETmetingen. Er zijn inmiddels honderden verschillende stoffen ingezet. Het kost vaak jaren onderzoek om een nieuwe radioactieve stof te ontwikkelen die geschikt is voor PET, vertelt Korf. ‘We hebben bijvoorbeeld een veelbelovende stof ontwikkeld, die uitstekend koppelde met bepaalde receptoren in de zenuwen. Eerst discussieer je over het soort stof en hoe je die radioactief maakt.’ De stof mag niet teveel straling afgeven. Bovendien moet hij zijn straling snel verliezen, anders ondervindt de patiënt er teveel schade van. Omdat een goede stof zijn radioactiviteit snel verliest, moet je de stof ter plekke kunnen maken. ‘Als je een geschikte stof hebt ontwikkeld, probeer je die eerst uit in een kweekschaal, daarna op proefdieren en uiteindelijk voorzichtig in de mens. Het was een prachtige stof, die we hadden bedacht, maar hij bleek giftig. Dan kun je die niet gebruiken. We zijn toen naar andere stoffen gaan zoeken.’ Voor ander onderzoek gebruikt Korf tracers die de werking van een geneesmiddel tegen schizofrenie kunnen controleren. Dat geneesmiddel hecht zich namelijk aan bepaalde receptoren van zenuwen in de hersenen en blokkeert de werking daarvan. Nadat het medicijn zijn werk heeft gedaan, worden radioactieve tracers
59
ingespoten, die zich ook hechten aan die receptoren. Met het PET-instrument kun je die tracers uitstekend volgen. Als het geneesmiddel zijn werking goed heeft gedaan, is er voor die tracers nauwelijks nog gelegenheid om zich aan receptoren te hechten. Als het geneesmiddel niet aanslaat, zijn er nog volop vrije plaatsen. Dan weet je dat je die patiënt een ander geneesmiddel moet geven,’ aldus Korf. Het is belangrijk om te weten dat de receptoren goed door het geneesmiddel worden geblokkeerd. Die blokkade blijkt te helpen tegen schizofrenie, al is het nog niet duidelijk waarom. ‘Misschien hebben deze patiënten overgevoelige receptoren,’ aldus Korf. ‘Maar wat de oorzaak ook is, we weten inmiddels dat het helpt om de receptoren te blokkeren.’
WAT E R ,
VERRASSEND INGEWIKKELD
Water is overal en we danken er ons leven aan. Maar weten we wel alles van water? Goed, een watermolecuul bestaat uit waterstof en zuurstof. Wat er precies op microscopische schaal gebeurt, is echter nog onduidelijk. Onderzoekers van het FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica in Amsterdam hebben nu ontdekt dat de atomen in een watermolecuul razendsnel vibreren. Zo’n 100.000 miljard keer per seconde trillen de atomen heen en weer. Ze kunnen die trilling bovendien vliegensvlug aan een ander watermolecuul doorgeven [ 1 ]. Dat gaat zo snel dat de onderzoekers nog niet precies begrijpen hoe
[2]
60
[1] dat kan. Onderzoekers vinden die onzekerheid leuk, want het biedt de kans je inzichten te verdiepen. Als het probleem opgelost wordt, weet je iets meer over de natuur. De onderzoekers in Amsterdam, onder leiding van professor Huib Bakker, hebben het doorgeven van trillingen ingenieus gemeten. Ze namen een laagje water van maar 0,001 millimeter dik en gaven op één plaats de watermoleculen een stevige energiestoot. Dat gebeurde met een snelle puls van een laser. Het gevolg was dat de trillinger heviger werden. Vervolgens keken de onderzoekers even verderop in het water hoe snel de trilling daar aankwam. Omdat te kunnen volgen, moesten ze tijdsverschillen kunnen meten van 0,0000000000001 seconde (1 x
10-13 sec). Met deze techniek kunnen de onderzoekers nu nagaan hoe watermoleculen zich gedragen in de buurt van moleculen of ionen. Dat leert iets over het gedrag van oplossingen. De onderzoekers hebben bijvoorbeeld gekeken naar negatieve zoutionen in water. Die blijken zich stevig te omringen met een soort schil van watermoleculen [ 2 ]. Dat houdt ze dan in oplossing. Soortgelijk gedrag zullen eiwitten en negatief geladen delen van grote biomoleculen waarschijnlijk ook vertonen. Zo leren de onderzoekers meer over de omstandigheden die voor leven zo belangrijk zijn, want water en leven - ze hebben alles met elkaar te maken.
Beter horen ‘Wat zeg je?’ Als je niet zo goed hoort, is het lastig om je staande te houden op verjaardagen, in het theater of in de kroeg. De geluiden worden één grote brei, zonder dat je iets verstaat. Pas dan besef je dat een gezond oor op een wonderlijke manier alle stemmen uit elkaar weet te houden en gericht naar bepaalde geluiden kan luisteren. ‘Het liefst zou je wat elektronica áchter een beschadigd oor plaatsen’, vertelt W. Dreschler, audioloog in het Academisch Medisch Centrum (AMC) in Amsterdam. Een beschadigd oor mist de precisie om de geluiden nog goed waar te nemen. ‘Het oor is dan een grote vervuiler. Ook alle stoorgeluiden komen binnen. Maar ja, je kunt het nu eenmaal niet uitschakelen.’ Wie het oor wil helpen, is daarom aangewezen op een apparaatje in de oorschelp. Het nadeel daarvan is dat het alle geluiden evenveel versterkt. De sonore bas van opa hoor je daarom even sterk als de kopjes die op schoteltjes worden gezet. Het blijft een grote brei, alleen wat versterkt. Om spraak te verstaan, moet je het stoorgeluid kunnen onderdrukken. ‘Je kunt gebruik maken van de toonhoogte,’ legt Dreschler uit. ‘Stoorgeluiden hebben vaak een heel lage of een heel hoge toon. Die kun je eruit filteren.’ Daarnaast kun je gebruik maken van het feit dat een menselijke stem muzikaal klinkt. Net als een piano of een fluit, heeft de stem boventonen. Bij elke trilling komen er ook trillingen voor met precies een dubbele of driedubbele frequentie. Dat is een verschil met het doffe geluid van kopjes en bestek of het piepen van boren en ventilatoren. Slimme elektronica in gehoorapparaten kan dergelijke eigenschappen herkennen en gebruiken om stoorgeluiden uit te filteren. Lastiger is het als er verschillende mensen door elkaar spreken. Er zijn dan twee manieren om toch die ene spreker daaruit naar voren te halen. Je kunt een richtingsgevoelige microfoon gebruiken voor het hoorapparaat en je kunt in de signaalverwerking proberen om de verschillende stemsoorten uit elkaar te houden. De ideale oplossing is waarschijnlijk een combinatie van beide. Richtingsgevoelige microfoons kun je maken met een rijtje van bijvoorbeeld vijf gewone microfoons, die op een bijzondere manier aan elkaar gekoppeld worden. Geluiden die recht van voren komen, arriveren tegelijk bij alle vijf microfoons. Geluiden van rechts komen eerder aan bij de rechter microfoon en pas een fractie later bij de linker. Door slim gebruik te
Een nieuw type hoortoestel dat kunstmatige intelligentie toepast om kenmerken van spraak te versterken en bijgeluiden te verminderen.
61
Een ‘kindvriendelijk’ hoortoestel. De vormgeving moet het voor kinderen minder erg maken om het te dragen.
62
maken van dit tijdsverschil, kun je de microfoon extreem richtingsgevoelig maken. Als de spreker rechts zit, worden bijvoorbeeld geluiden die het eerst aankomen bij de linkermicrofoon direct weggefilterd. Het is een handige methode, want je hoeft aan de opstelling van de microfoons niets te veranderen, om het rijtje gevoelig te maken voor een andere richting. Als de spreker naar links loopt, gaat de elektronica voortaan letten op geluid dat het eerst bij de linker microfoon aankomt. Dit is een bekende truc om instrumenten richtingsgevoelig te maken. Een soortgelijke techniek gebruiken sterrenkundigen bijvoorbeeld om een rij radiotelescopen uiterst precies te richten op één astronomisch object, zonder last te hebben van radiostraling uit ander richtingen. Dat principe blijkt nu ook goed toepasbaar in hoorapparaten. Het volgen van de spreker blijft echter nog een probleem. Je moet natuurlijk voorkomen dat de gebruiker van het hoorapparaat constant de elektronica moet instellen omdat de spreker naar links of rechts loopt. Het liefst moet het hoorapparaat zelf in de gaten hebben dat de spreker van plaats verandert. De elektronica kan bijvoorbeeld constateren dat de tijdverschillen tussen de eerste en de laatste microfoon geleidelijk minder worden. Zo kan de spreker continu uitgepeild worden en de richtingsgevoeligheid auto-
matisch goed worden ingesteld. ‘Het wordt lastig als twee sprekers elkaar kruisen, terwijl je naar de één aan het luisteren bent,’ vertelt Dreschler. ‘De elektronica moet dan wel de goede persoon blijven volgen. Dat kan bijvoorbeeld door gebruik te maken van stemkenmerken van de spreker.’ Dergelijke slimme hoorapparaten worden nu in een groot Europees project ontwikkeld en uitgetest. Naast het AMC doen daaraan verschillende fabrikanten mee en enkele andere academische ziekenhuizen. De apparaten zijn zo ingewikkeld, dat de elektronica nog niet allemaal in de oorschelp kan worden weggewerkt. Bij de eerste prototypes moeten de testpersonen een omvangrijke signaalprocessor meesjouwen. Maar als de miniaturisering van elektronica doorzet, kan de signaalverwerking uiteindelijk wel rond het oor plaatsvinden. Een deel van dit project richt zich op mensen met een gezond gehoor, die werken in lawaai. Temidden van stampende machines moeten zij kunnen telefoneren. Een sportverslaggever moet zijn commentaar verstaanbaar kunnen maken temidden van krijsende supporters. Ook daar kunnen de intelligente, richtingsgevoelige microfoons goed van pas komen.
Een krachtig hoortoestel voor sterk slechthorenden.
63
Hoofdstuk 3
Natuurkunde en de maatschappij
Overal zit natuurkunde in en de natuurkunde biedt soms verrassend de helpende hand bij het oplossen van dagelijkse problemen. Een probleem bij het maken van glanzende snoepverpakkingen, verspreiding van vervuiling met grondwater dat zich anders gedraagt dan altijd gedacht. De ozonlaag naar het laboratorium gehaald. Allerlei soorten plastic elektronica. Betere optische communicatie en lichtere auto’s. Het zijn allemaal kwesties waar natuurkunde en natuurkundigen voor oplossingen helpen zorgen.
Boenwas en goud Tussen het glimmende staal van uiterst precieze meetapparatuur staan wat flessen boenwas, er liggen wikkels van chocoladerepen en wat gruis uit een goudmijn. Er is geavanceerde fysica nodig om de geheimen van alledaagse producten te achterhalen. Neem de boenwas. Als er een laagje was op een houten vloer wordt aangebracht, moet dat goed blijven hechten. Althans aan de onderkant. Aan de bovenkant van zo’n waslaagje mag het vuil juist niet blijven kleven. Ook moet de laag hard zijn en bestand tegen slijtage. ‘Hoe goed de fabrikant ook zijn best doet, de buitenste laag zal na enige tijd zijn afgesleten en het vuil kan weer blijven plakken,’ legt Hidde Brongersma uit. Hij is hoogleraar aan de Technische Universiteit Eindhoven, gespecialiseerd in het onderzoeken van oppervlaktelagen. ‘Het is de kunst om ervoor te zorgen dat de waslaag zichzelf herstelt. Als de beschermende buitenste laag verdwenen is, moeten bepaalde moleculen zich naar boven bewegen en de plaats innemen van hun verdwenen soortgenoten. Het oppervlak blijft veel langer glimmen door dit proces. Als het een goede was is tenminste. Want dat is precies het verschil tussen slechte en goede was.’ Hoe maak je een goede boenwas? Tot nu toe probeerden boenwasfabrikanten eindeloos allerlei verschillende mengsels uit. Dat betekent dat je steeds bezig bent om testvloeren in te smeren om vervolgens te kijken hoe de boenwas zich houdt als erop gelopen wordt. Dat kost veel tijd. Handiger is het om te bestuderen hoe de Hoe maak je goede boenwas? verschillende moleculen zich aan het oppervlak gedragen. Dan
weet je van tevoren of de was sterk genoeg is. Dat is precies wat Brongersma doet, in opdracht van een grote boenwasfabrikant. Met uiterst precieze meetapparatuur maakt hij met zijn medewerkers zichtbaar hoe snel het buitenste oppervlak van de waslaag zich herstelt als er iets van af is gesleten.
Een oppervlak beschieten met ionen. De manier waarop die na botsing met atomen aan het oppervlak terugkomen, vertelt hoe de buitenste laag van het oppervlak is samengesteld.
De onderzoeksgroep van Brongersma ontwikkelde de zogeheten Low Energy Ion Scattering methode. Dat is een manier om af te tasten. Het oppervlak wordt bestookt met ionen. Dat zijn atomen die minstens één elektron te weinig of te veel hebben. Daardoor zijn ze elektrisch geladen en kun je ze met behulp van een elektrisch veld meten, bijvoorbeeld om te kijken waar ze blijven als ze op een oppervlak botsen. Uit de manier waarop de ionen terugkomen, kan worden afgeleid waaruit het buitenste oppervlak bestaat. Op die manier kun je zien hoe het oppervlak er onder allerlei omstandigheden uitziet. Zo kun je bijvoorbeeld het herstel van de waslaag bestuderen als het oppervlak beschadigd raakt. Het is een opvallende techniek die Brongersma ontwikkelde. Hij trok daarmee wereldwijd de aandacht. Talloze praktische problemen blijken ermee geanalyseerd te kunnen worden, zoals het dof worden van de gouden glans op de verpakking van chocoladerepen. ‘De gouden glans op de wikkel is er niet alleen voor het mooie,’ legt hij uit. ‘Het is de bedoeling dat de winkelverlichting erin weerkaatst. Dan glimt die wikkel in het schap en is er net iets meer kans dat een klant juist die reep pakt.’ Het maken van de goudglans - waarvoor geen goud maar een koperverbinding wordt gebruikt - is echter een ingewikkelde zaak. Daar zijn subtiele industriële processen voor ontwikkeld. ‘Toen het bij een fabrikant van wikkels voor chocoladerepen mis ging, werd ik uitgenodigd om de oorzaak op te sporen. Dan loop je eerst eens een dag door de fabriek. Je probeert te begrijpen hoe alles werkt. Niemand kan je dat precies vertellen, want dit soort industriële
66
67
Virtuele natuur
Opstelling in Eindhoven om met ionen de samenstelling van oppervlakken te achterhalen: monstertafeltje in het hart van het apparaat.
processen zijn vooral op ervaring gebaseerd.’ Na eindeloos uitproberen en aan de knoppen draaien, hebben de bouwers van de fabriek uitgevonden hoe ze het moeten doen, zonder dat ze exact weten waarom. ‘Het proces is meestal ook niet in detail bekend. Veel kennis is ook in de loop van de tijd verloren gegaan, omdat de oorspronkelijke ontwerpideeën nooit zijn opgeschreven. Als natuurkundige wil je dat nu juist wèl weten. Dat is de manier waarop je de oorzaak van een fout kunt opsporen.’ ‘Als je iets van de machines begrijpt, neem je een aantal wikkels mee naar je eigen laboratorium, om het oppervlak te bestuderen. Het probleem met de goudglans bleek met oppervlakonderzoek opgelost te kunnen worden.’ De analysetechniek van Brongersma heeft ook zijn waarde bewezen bij het zoeken naar ècht goud. Uit sommige goudmijnen komt gruis naar boven, waarin af en toe uiterst kleine hoeveelheden goud zitten. Het is natuurlijk de kunst om de goede stukjes gruis van de rest te scheiden. ‘Het blijkt dat goudverbindingen vooral aan het oppervlak van zo’n korreltje zitten,’ aldus Brongersma. ‘Dat komt door de manier waarop de gesteentes ooit gevormd zijn. Wij hebben het oppervlak van verschillende stukjes gruis gemeten. Door een speciale oppervlaktebehandeling van dit gruis kan er voor gezorgd worden dat het niet door water bevochtigd wordt. Als je het gruis dan in het water gooit, blijft het goede gruis op het water drijven. Je hoeft het dan alleen nog maar af te romen. Het is hierbij erg belangrijk dat je een heel gevoelige detectiemethode voor oppervlakken hebt. Je kan dan helpen bij het vinden en winnen van goud op plaatsen die anders afgeschreven zouden zijn.’
68
Wetenschappers spelen steeds vaker computerspelletjes. Op het beeldscherm verschijnen achtereenvolgens kunststoffen, melk, eiwitklompjes. ‘Kijk, hier scheiden melk en room. En daar kristalliseren de eiwitten.’ Zonder zijn bureau te verlaten doet Daan Frenkel onderzoek naar uiteenlopende onderwerpen als de atmosfeer van Jupiter, processen in de chemische industrie en biologische meettechnieken. Hij werkt bij het FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica en is hoogleraar bij de Universiteit van Amsterdam en de Universiteit Utrecht. ‘Een botsing tussen twee biljartballen kun je nog wel berekenen met je kennis van natuurwetten. Maar bijna alle praktische problemen zijn ingewikkelder,’ legt Frenkel uit. ‘Het rekenwerk dat nodig is om te voorspellen wat er gebeurt, is eindeloos en daardoor meestal onmogelijk.’ Er gaapt dus een grote kloof tussen de kennis van natuurwetten en de processen die je om je heen ziet. Ga maar na. Om de schade van een botsing tussen twee auto’s te voorspellen, moet je heel precies berekenen hoe elk stukje metaal indeukt, waar er scheurtjes optreden en hoe sommige stukken staal terugveren. Het hele proces voldoet natuurlijk gewoon aan de wetten van behoud van energie en impuls. In principe kun je de gevolgen van de botsing dus bepalen, maar met potlood en papier kunnen we het verloop niet doorrekenen. Met de computer als hulpmiddel kunnen dit soort vraagstukken wel worden aangepakt, legt Frenkel uit. Het grote probleem wordt opgedeeld in vele kleine problemen, die stuk voor stuk wel kunnen worden opgelost. Hoe een auto indeukt weten we niet, maar wel hoe een schroefje ombuigt bij een bepaalde krachtwerking. Of hoe een stripje staal verfrommelt. Zo kan elke vierkante centimeter staal van een auto individueel in kaart worden gebracht. Bij andere problemen houdt de computer bij hoe elk afzonderlijk molecuul zich in een vloeistof gedraagt. Of hoe verschillende stoffen zich in de aardatmosfeer bewegen. Voor elk onderdeel wordt de invloed van de naburige onderdelen uitgerekend. Wordt er een kracht uitgeoefend? Hoe vast zit het ene onderdeel aan het andere? Die kleine problemen zijn overzichtelijk en vaak eenvoudig te berekenen met de simpele natuurwetten van biljartballen. Zo kan worden uitgerekend hoe elk onderdeel er een microseconde later
Virtuele natuur: met de computer onderzoeken hoe deeltjes in een vloeistof of in een zacht materiaal elkaar beïnvloeden. Boven: het raakvlak van deeltjes in vaste en vloeibare fase, onder: de aanloop naar een kristallisatiekern in een vloeistof.
69
menten en theoretische beschouwingen. De computer speelt na wat op papier niet uit te rekenen is. De computer simuleert omstandigheden, die met experimenten niet makkelijk zijn na te doen. Dat geldt voor het traag doorsijpelen van vervuiling in het grondwater, maar bijvoorbeeld ook voor proeven met heel giftige of explosieve stoffen. ‘Een computer ontploft niet en wordt niet aangetast als je er het gedrag van een sterk zuur mee narekent,’ aldus Frenkel. Een voorbeeld daarvan vormen de berekeningen voor destillatie van een mengsel ruwe olie, die Berend Smit, een voormalig promovendus van Frenkel en tegenwoordig hoogleraar aan de Universiteit van Amsterdam, uitvoerde op het laboratorium van Shell in Amsterdam. In zo’n mengsel zitten veel verschillende koolwaterstoffen, met allemaal hun eigen kooktemperatuur. ‘Een oliemaatschappij wil dat precies weten, want daar stemmen ze hun procesinstallaties op af. Maar van lang niet alle ingrediënten kennen we het kookpunt. Sommige koken bij zo’n hoge temperatuur, dat het in de praktijk moeilijk afzonderlijk is te meten. Voor de computer is dat geen probleem.’ Verspreiding van een vloeistof door grond, uitgerekend met een computer.
uitziet, en daarna weer een fractie van een seconde later. Als je dat voor alle onderdelen doet, wordt uiteindelijk duidelijk hoe de auto indeukt. Of hoe een vloeistof stroomt. Want de rekentechniek kan in veel verschillende situaties worden toegepast. Frenkel’s groep specialiseert zich in complexe vloeistoffen. Zo heeft bijvoorbeeld zijn voormalige medewerker, Christopher Lowe, uitgerekend hoe vervuiling in grondwater zich geleidelijk verspreidt. Door nauwe poriën in de grondlagen gaat dat langzamer dan door brede spleten, maar hoe precies was niet helemaal duidelijk. Vervuilingsspecialisten gebruikten enkele vuistregels om dat uit te rekenen. Toen Lowe de verspreiding van vervuiling ging nadoen in de computer, bleken die rekenregels niet te kloppen. De verschillen bleken vooral op lange termijn op te treden. Juist in dat soort situaties is de computer handig, want daarmee kun je het proces versneld simuleren. Je doet niet makkelijk een duizend jaar durend experiment in de bodem. Vaak vinden nieuwe rekentechnieken onverwachte toepassingen. Zo werd een vergelijkbare rekentechniek door anderen toegepast om de effectiviteit van tandpasta uit te rekenen. Dit gebeurde in het researchlaboratorium van Unilever, producent van onder meer Signal, Close-Up en Mentadent. Op die manier kon worden nagegaan hoe verschillende stoffen doordringen in tandplaque. Een echt stukje plaque was gefotografeerd, met alle poriën en holtes die daarin zitten. Daarna kon worden berekend hoe snel verschillende stoffen door die poreuze tandplaque heen dringen en bij het tandglazuur uitkomen. Dat belooft een nieuwe manier te worden om snel de effectiviteit van verschillende reinigingsstoffen te bestuderen. Nu moet een groep proefpersonen nog steeds een tijdje de tanden poetsen met het nieuwe middel en daarna moet een mondhygiënist het resultaat bij elk proefpersoon bestuderen. Met een computer heb je minder vaak proefpersonen nodig. Zo is de computer een krachtig instrument geworden voor natuurkundigen. Het is een nieuwe manier om kennis te vergroten. Het komt naast de twee traditionele middelen die de natuurkundigen ter beschikking staan: experi-
70
N AT U U R K U N D E
IN DE KEUKEN
Elke twee jaar komen natuurkundigen en meesterkoks samen op Sicilië. Ze noemen hun conferentie Workshop on Molecular and Physical Gastronomy. Ze proberen samen te begrijpen waarom iets lekker is, want dat weten we nog niet. De kennis van meesterkoks wordt van generatie op generatie doorgegeven. Door steeds maar
weer proberen zijn de recepten geoptimaliseerd. Waarom de voorgeschreven handelingen het beste resultaat geven is vaak nog een raadsel. Veel van wat er in de keuken gebeurt is voor natuurkundigen en scheikundigen nog een raadsel. In 1999 bestudeerden de onderzoekers op deze conferentie bijvoor-
beeld pasta. Het blijkt van groot belang dat macaroni gelijkmatig droogt in de fabriek. Krimpscheurtjes zorgen namelijk voor extra kleverigheid. Nog niet begrepen is bijvoorbeeld het kleven van de saus, het schuim dat je ziet bij koken en hoe je plakken echt kunt voorkomen. Zo brengen de deelnemers aan de conferentie de kookkunst tot het uiterste. De Amerikaanse deelnemer Harold McGee maakte bijvoorbeeld 25 liter mayonaise met slechts één eidooier. Ei bindt olie aan water, zo wisten we al lang. De moleculen uit de dooier vormen een barrière tussen oliedruppeltjes en de azijn. Aan de ene kant zijn de moleculen a-polair en binden ze met olie. De andere, polaire kant steekt stevig in het vocht van de azijn. McGee toonde aan dat er maar heel weinig eiwitten nodig zijn voor die binding. Dat maakt mayonaise goedkoper en volgens sommigen gezonder.
De ozonlaag in het laboratorium In de ozonlaag, tientallen kilometers boven onze hoofden, spelen zich subtiele processen af, die bepalend zijn voor het leven op aarde. Onder invloed van zonlicht wordt ozon gevormd. Die ozon houdt op zijn beurt veel schadelijk UV-licht van de zon tegen. Zo worden wij beschermd tegen verbranden en huidziektes. De reacties hoog in de atmosfeer zijn elk afzonderlijk simpel, legt Wim van der Zande uit. Het wordt pas ingewikkeld door het samenspel. Hij is Moleculen, wolken en stofdeeltjes onderzoeker op het FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica in de dampkring meten met in Amsterdam en hoogleraar aan de Katholieke Universiteit satellieten. Nijmegen. ‘Door het zonlicht valt het zuurstof uiteen in bijzonder reactieve atomen. De reactiviteit van de atomen hangt erg af van hun interne energie. Een aangeslagen atoom reageert misschien wel 100.000 keer zo sterk als een normaal atoom. Dat is één schakeltje in een ingewikkeld samenspel van chemische reacties. Er zijn andere onderzoekers die al die processen onderbrengen in een computermodel, waarmee ze kunnen berekenen hoe snel de ozonlaag achteruitgaat of hoe de voortplanting van radiogolven wordt beïnvloed.’ Dat zijn belangrijke berekeningen voor het milieubeleid, zo legt Van der Zande uit. ‘Maar de afzonderlijke onderdelen moeten dan wel in orde zijn. We kennen al die reacties best goed, maar een klein beetje verschil in reactiviteit kan soms sterk doorwerken in het eindresultaat van de berekeningen.’ Zo is de manier waarop zuurstof reageert op licht sterk afhankelijk van de kleur van het licht. Sommige kleuren licht zijn zo sterk in het zonlicht Chloormoleculen tasten de ozonvertegenwoordigd, dat je de reacties op die kleur heel precies moet laag aan. In Nijmegen meten meten. Een klein verschil in gevoeligheid kan dan al veel uitmaonderzoekers in het laboratorium ken. Van der Zande en zijn medewerkers meten dan ook heel hoe dat gaat. nauwgezet een aantal reacties die belangrijk zijn voor de samenstelling en het gedrag van de middelhoge en hoge atmosfeer. maximale ‘We zijn begonnen met waterstof. Het is een interne energie molecuul waarover veel bekend is en waarvan het gedrag soms ook nog te berekenen is. Met maar twee elektronen in het molecuul is dat nog redelijk te doen.’ In het laboratorium staat een roestvrijstalen meetopstelling met een laser als sterke lichtbron. De meetapparatuur is inmiddels omgebouwd voor het meten van de eigenschappen van stikstof en zuurstof. ‘We gebruiken andere detectoren en een andere laser.’ Tegelijk bestuderen de medewerkers van Van der CIO interne energie (cm-1) Zande nauwkeurig de waarnemingen van satel-
72
lieten. ‘Nederland werkt mee aan twee belangrijke instrumenten in satellieten die de atmosfeer bestuderen,’ vertelt hij. Het betreft de GOME en de SCIAMACHY. Er worden veel standaardanalyses gedaan met die satellieten, bijvoorbeeld het meten van de hoeveelheid ozon. ‘Maar als je de signalen van de detectoren goed bestudeert, zie je dat er nog veel meer gegevens zijn geregistreerd. Wij hebben vooral de satellietwaarnemingen van water in de atmosfeer bekeken. Zo hebben we weten te achterhalen hoe je betrouwbaar de hoeveelheid water kunt meten.’
De Europese milieusatelliet ENVISAT, gelanceerd op 1 maart 2002.
Nederlandse onderzoekers hebben uitgezocht hoe je uit satellietmetingen informatie over waterdamp in de atmosfeer kunt halen.
73
Plastic elektronica Als je bent uitgekeken op de tv, rol je hem gewoon op. Het is één van de toekomstige mogelijkheden van plastic. In laboratoria zijn de proeven voor een reeks opvallende plastic apparaten al in volle gang. Ook chipkaarten, elektronische streepjescodes en zonnecellen kunnen in de toekomst waarschijnlijk geheel uit kunststof worden gemaakt. Het voordeel: deze apparaten zijn simpeler te produceren en erg sterk. Plastic kun je gieten en eenvoudig bewerken met een techniek die veel op fotokopiëren lijkt. Plastic is daarom veel simpeler te produceren dan gewone elektronica. Plastic elektronica heeft dus de toekomst. Voor dit soort elektronica zullen kunststoffen gebruikt worden die elektriciteit geleiden. Dat is op zich al bijzonder, want normaal is plastic een goede isolator. Er is echter een plasticsoort met een bijzondere structuur, die ervoor zorgt dat elektronen door het materiaal heen kunnen stromen. Het bestaat uit lange moleculen van aaneengeschakelde benzeenringen, aangeduid als polyphenyleenvinyleen (PPV). In deze benzeenringen zitten elektronen relatief los. Vooral als er een klein beetje vervuiling wordt bijgemengd, zijn de elektronen beweeglijk. Door die toevoegingen stoten sommige plaatsen in het materiaal gemakkelijk een elektron af, andere nemen er één op. Daardoor kunnen de elektronen door het plastic gaan bewegen. De elektronen springen als het ware van de ene vervuiling naar de andere. Zo stromen de elektronen door het materiaal. Daarmee lijkt het materiaal erg op silicium of gallium, bekende halfgeleiders. Silicium is populair, omdat daaruit allerlei elektronische onderdelen kunnen worden gemaakt. Onderzoekers zijn erin geslaagd om simpele elektronische componenten ook uit geleidend plastic te maken. Een voorbeeld is de Light Emitting Diode (LED). Met zo’n LED kan een stukje plastic licht geven. Dat is de eerste stap op weg naar een beeldscherm, met duizenden LED’jes in rijen en kolommen, die samen een tv-beeld kunnen vormen. Een klein spanninkje is genoeg om elektronen in een plastic LED in beweging te brengen. Er ontstaat dan een soort stoelendans tussen de elektronen om de plaatsen waar nog een elektron te kort is. Zodra een elektron op een lege plaats springt, komt er energie vrij in de vorm van een lichtdeeltje. Door slim te variëren met de structuur van de kunststof, kan de kleur van het licht worden beïnvloed, vertelt Martien de Voigt, hoogleraar aan de Technische Universiteit Eindhoven. ‘Zo kun je bijna elke kleur maken. Dat is belangrijk voor beeldschermen. Zo kun je bijvoorbeeld kleurenschermen produceren.’ Het onderzoek van De Voigt wordt uitgevoerd in nauwe samenwerking met de onderzoeksgroep van Hidde Brongersma bij
74
dezelfde universiteit. De groep van Brongersma is gespecialiseerd in het analyseren van de oppervlakten en grenslagen (zie ook blz. 66). ‘Vooral de overgang van verschillende materialen bepalen de elektrische en optische eigenschappen,’ aldus De Voigt. Moeilijkheid bij het maken van een plastic LED is de stabiliteit van het materiaal. ‘We onderzoeken allerlei factoren die de schuld kunnen zijn van de achteruitgang van het materiaal,’ vertelt De Voigt. ‘Stof kan een probleem zijn of vervuilingen die vanaf de elektroden het materiaal binnendringen. Ook het contact met lucht kan ervoor zorgen dat de kwaliteit van de kunststof afneemt.’ Om beter te begrijpen hoe het plastic wordt aangetast, onderzoekt De Voigt met zijn medewerkers hoe de plastic LED’s precies zijn samengesteld. Hij doet dat zo nauwkeurig, dat elke fout in het materiaal aan het licht komt. Het is daarbij de kunst om de subtiele plastic elektronica niet kapot te maken tijdens de meting. ‘Om het
Halfgeleidende polymeren (in de potjes) worden bij Philips Research aangebracht op een glasplaat en daarna verwerkt tot displays die verschillende kleuren produceren.
75
Een plastic beeldschermpje, met 4096 transistoren van een halfgeleidend polymeer. Het schermpje meet 3,5 centimeter bij 3,5 centimeter.
Boven: een experimenteel LCDtje van polymeren dat blijft werken, ook als het gebogen wordt; onder: een compleet identificatiezendertje op een antidiefstalsticker.
materiaal zo min mogelijk te verstoren, koelen we het af tot onder 260 graden onder nul. De atomen blijven dan in elk geval vastgevroren op hun plaats, ook als we het materiaal verstoren met de metingen.’ De metingen worden uitgevoerd door nauwkeurig protonen of heliumatomen af te schieten op het stukje plastic. Uit de manier waarop ze terugkaatsen, kan worden afgeleid wat de samenstelling is. Dankzij dit soort metingen worden belangrijke vorderingen gemaakt met de toepassing van de plastic LED’s. Het is al gelukt om LED’s te combineren tot een simpel beeldscherm, waarbij elke LED één beeldpuntje voor zijn rekening neemt. Philips bouwt nu een fabriek voor deze beeldschermpjes. Het is de bedoeling dat ze verwerkt worden in zaktelefoons. Ze zijn sterker dan gewone LCDschermen en gebruiken maar een fractie van de energie. Voor een telefoon, die alleen zijn eigen accu heeft voor de elektriciteitsvoorziening, is dat belangrijk. In de laboratoria van Philips in Eindhoven is een andere toepassing ontwikkeld voor plastic elektronica. De onderzoekers zijn erin geslaagd om een kleine zender te maken, geheel in plastic. Wanneer er een sterke radiopuls wordt gegeven in de buurt van dit stukje plastic, antwoordt het met een reeks pulsjes in een bepaald ritme. Uit dit patroon kan een identificatienummer worden afgeleid. Daarmee lijkt het een beetje op een streepjescode. Ook daar komt het patroon van streepjes overeen met een nummer. De zendertjes zijn bedoeld om producten te identificeren. De plastic zender functioneert als een draadloze streepjescode. Het apparaatje kan een onderdeel worden van plastic verpakkingsmateriaal. Zo kan een fles shampoo, een bakje kipfilet of een doos van
76
een diepvriespizza een elektronisch zendertje bevatten. Dat is veel gemakkelijker dan een streepjescode. Bij de kassa hoef je alleen maar met je wagentje door een poortje te rijden en alle producten zenden hun identificatienummer uit. Zonder dat er nog een mens aan te pas komt, kan zo de inhoud van het winkelwagentje worden vastgesteld. Dat scheelt tijd bij de kassa. Het is bovendien handig bij het inventariseren van voorraden of bij het transport tussen het magazijn en de winkel. Het maken van de plastic zender is een hele prestatie. Een oprolbaar plastic tv-scherm is nog veel lastiger. De bijbehorende elektronica moet miljoenen pulsjes verwerken. Heel wat anders dan de paar pulsjes voor de draadloze streepjescode.
77
informatietransport groeit nog steeds. Denk maar aan alle tv-zenders, internet, nieuwe videodiensten en de communicatie tussen computers.
Glasvezelkabel voor iedereen.
Informatie overdragen met licht De laatste jaren worden overal straten en wegen opengebroken om nieuwe kabels aan te leggen. Voor telecommunicatie zijn de oude koperkabels niet meer voldoende. De nieuwe glasvezelkabels hebben een grotere capaciteit en zijn ongevoeliger voor storingen. Door één glasvezeltje kunnen miljoenen telefoongesprekken tegelijk worden getransporteerd. Een transatlantische kabel bestaat daarom vaak maar uit één vezel. Licht is beter dan elektriciteit voor het transporteren van informatie. Met lichtflitsjes kan namelijk meer informatie worden overgezonden, doordat de trillingsfrequentie van licht veel hoger is dan die van elektriciteit. Bovendien kunnen verschillende kleuren licht tegelijk door één glasvezel schijnen, waardoor de capaciteit nog verveelvoudigt. Ook heeft een glasvezelkabel veel minder last van storingen uit de omgeving. Je mag met een zaktelefoon niet bellen in een ziekenhuis of een vliegtuig, omdat computerkabels gemakkelijk beïnvloed worden door de radiosignalen van de telefoon. Een glasvezelkabel heeft daarvan geen last. Een glasvezel is dus ideaal voor het transporteren van grote hoeveelheden informatie. Dat wordt steeds belangrijker, want het
78
Het probleem bij het gebruik van glasvezels is dat de lichtflitsjes onderweg zwakker worden. Het lichtsignaal moet daarom elke honderd kilometer versterkt worden. Daarbij kan geen elektronische versterker worden gebruikt. Dat doet de voordelen van communiceren met licht weer teniet. De capaciteit van de verbinding wordt beperkt als het licht na 100 kilometer toch weer in een elektrisch signaal moet worden omgezet voor de versterker. Vandaar dat bij lange-afstands-glasvezelverbindingen een lichtversterker wordt gebruikt. Er is een slimme techniek ontwikkeld om het infrarode licht, dat meestal gebruikt wordt voor glasvezels, zonder tussenkomst van elektronica te versterken. Daarbij wordt gebruik gemaakt van erbiumatomen, die in de glasvezels worden ingebouwd. Deze atomen hebben een bijzondere eigenschap. Ze zenden lichtdeeltjes uit, precies op het moment dat er een ander lichtdeeltje langs komt. Eén lichtdeeltje wordt zo versterkt tot twee. Bij de volgende ontmoeting met erbiumatomen kunnen er dan vier lichtdeeltjes zijn, daarna acht en zestien. Als alles goed gaat, is er dus een flinke versterking. Daarbij blijft het snelle ritme van de oorspronkelijke lichtflitsjes behouden. Om het versterkende effect te bereiken, moeten de erbiumatomen wel opgeladen zijn met voldoende energie. Daarvoor zorgt een laser, die constant energie verschaft aan de erbiumatomen. Om voldoende versterkend effect te bereiken, zijn er veel erbiumatomen nodig. Ze mogen echter niet te dicht bij elkaar zitten, anders gaan ze klonteren. Een klontje erbiumatomen zendt ook groen licht uit. Daar hebben we niets aan, want dit groene licht gaat ten koste van de versterking van het infrarode licht. Het is dus zaak om erbiumatomen voorzichtig in te bouwen in een glasvezel. Om te voorkomen dat ze te dicht bij elkaar zitten, wordt een lengte van zo’n 50 meter glasvezel gebruikt. Omdat de versterkende vezel zo lang is, moet deze worden opgerold. De kluwen wordt ondergebracht in een soort Een kleine experimentele versterker van glasvezel voor lichtsignalen.
79
torpedo van een meter lang. Die klos komt op de bodem van de oceaan te liggen. Niet altijd is er plaats voor zo’n lichtversterker. Het is bijvoorbeeld een probleem in een woonwijk, waar lichtsignalen via glasvezels naar verschillende woningen worden gestuurd om ze te voorzien van kabel-tv, internet en telefoon. Bij iedere stap waarin licht wordt verdeeld of geschakeld is versterking van het licht nodig. Voor die toepassing zou het handig zijn om over veel kleinere lichtversterkers te beschikken. Albert Polman, onderzoeksleider bij het FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica in Amsterdam en hoogleraar aan de Universiteit Utrecht, heeft bedacht hoe de versterker kan worden verkleind. Hij kreeg zijn idee toen hij werkte bij AT&T in de Verenigde Staten (het huidige Lucent Technologies, een bedrijf dat veel langeafstandsverbindingen beheert). Hij maakte bij het uitvoeren van zijn ideeën gebruik van de bestaande technieken waarmee chips worden geproduceerd. Met die technieken kun je niet alleen kleine elektronica maken, maar ook minuscule glasstukjes bewerken. In 1996 lukte het zijn onderzoeksgroep om een miniatuurversie te maken van de opgerolde erbiumglasvezels. Een vier centimeter lange miniatuur glasvezel werd in spiralen aangebracht op een oppervlak van één vierkante millimeter. Om hetzelfde versterkende effect te krijgen als bij de lange glasvezel, moet de concentratie erbiumatomen nog verder worden vergroot. ‘We zijn nog steeds bezig om het ontwerp te verbeteren. Het blijkt lastig om klontering te vermijden.’ Recente experimenten wijzen de uitweg uit dit probleem. Onderzoekers in de groep van Polman
N AT U U R K U N D E
EN SPORT
De ene keer verschijnen schaatsers met aërodynamische vinnen op hun benen. Daarna komen zwemmers met turbulentie-arme zwempakken. Winnen zonder klapschaatsen kan niet meer. Zwitserse skiërs trainen met GPS-apparatuur om optimale snelheden te ontwikkelen. Fietsen van koolstof blijken razendsnel. Golfers experimenteren vanwege de luchtweerstand met allerlei patronen van putjes in het oppervlak van de golfbal. Raceauto’s in de formule 1 zijn zelfs zo snel geworden dat de techniek aan banden is gelegd voor de veiligheid van de coureurs. Het is niet alleen de sportman die een record vestigt. De wetenschappers die hem of haar in stilte helpen leveren net zo goed een prestatie.
80
Ook zonder directe hulp van de wetenschap speelt natuurkunde een grote rol in sport. Skaters lijken te spotten met de natuurwetten, maar de mechanica dicteert precies wat ze wel en niet kunnen doen. De
wonderbare vrije trappen van Roberto Carlos of Pierre van Hooijdonk en de prachtige effectballen van Dennis Bergkamp zijn het resultaat van een uitgekiende combinatie van de wetten van de mechanica en de aerodynamica.
zijn erin geslaagd erbiumatomen in te bouwen in kooivormige organische moleculen en in uiterst kleine glazen bolletjes. Die moleculen en bolletjes kunnen ze vervolgens gelijkmatig verdeeld in elektrisch geleidend plastic aanbrengen. Dat slaat twee vliegen in één klap. De erbiumatomen kunnen nu meer licht uitzenden en de energie die ze nodig hebben, kan worden toegevoerd door een elektrisch stroompje door het geleidende plastic te laten lopen. De versterker met het glasvezeltje werkt al. Er komt nu tweemaal zoveel infrarood licht uit de miniatuur versterker als erin gaat. ‘Als je nog preciezer werkt, kun je dat nog opvoeren tot een factor tien. We hebben wel een paar ideeën hoe je dat kunt doen. Maar het praktisch werk laat ik nu verder graag over aan de industrie. Onze taak als wetenschappers is om te laten zien dat het kan. Dat hebben we gedaan.’ Ondertussen werkt Polman aan technieken om de versterkers nog kleiner te maken. ‘Een vierkante millimeter lijkt klein voor een versterker, maar als je dat vergelijkt met de maten van microelektronica, is het nog heel groot. Als je in een telefooncentrale honderdduizenden versterkers nodig hebt, moet het nog kleiner.’ Eén van de problemen bij het verkleinen van de lusjes, is de geleiding van het licht. Het licht in de glasvezel kan namelijk geen scherpe bocht maken. Als het glasvezeltje erg krom loopt, lekt Licht versterken met erbiumatomen werkt (boven). het licht uit de vezel en gaat gewoon recht door. Om die atomen goed in glasvezels in te bouwen, De glasvezeltjes kunnen daarom niet in kleinere cirkels worden gelegd dan in het versterkertje kunnen ze in een kooi van andere atomen worden ingebouwd (onder). dat Polman al had gemaakt. Toch is dat nodig, als je de microglasvezels kleiner wilt oprollen. Je moet daarom een slimme truc uithalen. Met een bijzondere bouwsel blijkt het wèl mogelijk om licht scherp de bocht om te laten gaan. Polman laat een foto zien van minuscule silicium paaltjes, die allemaal keurig in het gelid staan. Deze structuur heeft hij samen met collega’s van de Technische Universiteit Delft ontworpen en gemaakt. De afstand tussen de paaltjes is gebaseerd op de golflengte van het infrarode licht dat voor de telecommunicatie wordt gebruikt. De afstand is zo gekozen, dat de lichtgolven er op geen enkele manier doorheen kunnen, behalve op één plaats. Daar is één rij paaltjes weggehaald. Het licht kan alleen maar door de nauwe gang kruipen, die is ontstaan. Als de gang naar links gaat, moet het
81
Precisie met staal
In dit woud van siliciumpaaltjes kan licht gedwongen worden een bocht te maken. Beneden is te zien hoe dat gaat.
82
licht ook naar links. Gaat de gang naar rechts, dan moet het licht de bocht wel volgen, hoe scherp die ook is. Uit de bocht vliegen kan niet, want dan komt het licht in het paaltjeswoud terecht, dat het onverbiddelijk weer terugkaatst in de goede richting. De paaltjes de Polman heeft gemaakt zijn 5 micrometer hoog en staan een halve micrometer van elkaar (een micrometer is een duizendste millimeter). Dat betekent dat op een vierkante centimeter 400 miljoen van deze paaltjes kunnen staan. ‘Zo ver zijn we nog niet. We zijn al blij met een paar honderd paaltjes, want het is lastig om ze te maken. Eind 1998 is dat voor het eerst gelukt. Met speciale etsmiddelen wordt het materiaal rond de paaltjes weggehaald, zodat alleen de paaltjes overblijven. Je moet voorzichtig zijn dat ze niet aan elkaar kleven of omknakken,’ aldus Polman. ‘We hebben een bocht gemaakt die veel scherper is dan die in onze lichtversterker,’ legt Polman uit. ‘Het is nog maar één bocht, maar je kunt het licht ook andere patronen laten volgen. Uiteindelijk kun je daardoor nog kleinere lichtschakelingen maken. Maar de uitdaging is nu eerst om te onderzoeken hoe efficiënt het licht door de bocht loopt.’
Corus (het voormalige Hoogovens) wil minder staal gebruiken voor auto’s. Dat klinkt gek, voor een staalproducent. Het is echter de enige manier om de concurrentie met lichtgewichtmaterialen als kunststof en aluminium aan te kunnen. Corus heeft daarom samen met 32 andere staalbedrijven een lichtgewicht stalen auto ontworpen. De carrosserie van het model is 25 procent lichter dan andere auto’s in de middenklasse. Dat spaart staal, Onderzoek naar auto’s met een maar vooral ook benzine. Een lichte auto carrosserie van lichtgewicht staal. rijdt immers zuiniger. De gewichtsvermindering werd bereikt door gecombineerd gebruik van een aantal technieken. Hogesterktestaal neemt daarbij een belangrijke plaats in. Hoe sterker het staal, hoe minder ervan nodig is. Deze staalsoorten worden gemaakt door aan ijzer andere stoffen toe te voegen, bijvoorbeeld fosfor of niobium. Het prototype bestaat voor 90 procent uit hogesterktestaal. Omdat het materiaal lastiger te vormen en te lassen is, vereist het een andere stijl van ontwerpen. ‘We hebben de laatste jaren veel kennis verzameld over het verwerken van staal,’ vertelt Nico Langerak. Hij werkt als onderzoeker op het productapplicatiecentrum van Corus. ‘Er ontbrak nog veel fundamenteel inzicht in wat er precies gebeurt in een metaalpers. Wanneer gaat het staal scheuren? Welke vormen kun je nog wel en welke nèt niet meer persen? Het was vaak een kwestie van uitproberen.’ Het is een kostbare gok, die in zo’n geval moet worden gemaakt, zo vertelt Langerak. Het maken van een persvorm kost al gauw enkele miljoenen guldens. Om beter te kunnen voorspellen hoe staal zich gedraagt in een pers, is het nodig om precies te weten hoe staal uitrekt als er aan getrokken wordt en terugveert als je het loslaat. Daarover was nog te weinig bekend. Natuurlijk geeft een eeuw van onderzoek met staalstroken en ijzeren staven enig idee, maar dat leert nog niet hoe een grote staalplaat verbuigt. Allerlei toevoegingen maken dat de treksterkte in één richting vaak niet hetzelfde is als die in een andere richting. Corus werkt bijvoorbeeld aan
83
een tweefasig materiaal, dat bijzonder sterk en tegelijk goed verwerkbaar is. Aan een zachte staalsoort worden harde kernen toegevoegd, die extra stevigheid geven. Dat soort toevoegingen maken het echter lastig om uit te rekenen hoe het metaal zich gedraagt tijdens de productie. Er spelen teveel verschillende factoren een rol. Staalplaten zijn bovendien niet altijd overal even dik. Soms worden met opzet platen gemaakt die op enkele plaatsen dunner zijn of hier en daar een sterkere staalsoort bevatten. De metaalplaat is als een lappendeken in elkaar gelast om elk stuk aparte eigenschappen te geven. Die in elkaar gelaste plaat gaat vervolgens in zijn geheel in een metaalpers. Het voordeel van deze techniek is dat alleen materiaal wordt gebruikt op plaatsen waar het echt nodig is. Het is ondoenlijk om in de praktijk uit te proberen hoe al deze materialen zich in een metaalpers gedragen. ‘Daarvoor is meestal geen tijd,’ aldus Langerak. ‘Een autofabrikant moet snel kunnen komen met een nieuw model om geen tijd te verliezen op de concurrent.’ Corus heeft samen met de Universiteit Twente een computermodel ontwikkeld om het gedrag van al deze staalsoorten te berekenen. Dat gebeurt door een grote staalplaat op te delen in kleine stukjes, waarvan het gedrag wel bekend is. ‘Voor het modelleren van het krachtenspel tussen de stukjes staal hebben we veel fundamentele natuurkundige kennis gebruikt, bijvoorbeeld over de plasticiteit van materialen. Ook de wrijving tussen een staalplaat en de pers kan worden berekend als je op kleine schaal kijkt. Zo zie je hoe een staalplaat meegeeft als je er een vorm in perst. Het persen is een complex proces, waarbij bijvoorbeeld eerst aan een plaat getrokken wordt en een ogenblik later weer geduwd. Hoe het staal zich in de pers gedraagt, hangt bijvoorbeeld af van de verf die erop zit of van smeermiddelen die tussen de persen worden gespoten. Er zijn verschrikkelijk veel factoren die je kunt variëren. Met de computer gaat dat gemakkelijker dan bij een metaalpers in een fabriek.’ Natuurlijk wordt ook in de praktijk bestudeerd hoe staalplaten vervormen. Alleen op die manier weet je zeker dat de computermodellen goed functioneren, aldus Langerak. ‘We gebruiken daarvoor de technologie van een landmeetkundig bedrijf, dat normaal luchtkartering maakt. In plaats van stippen op het fietspad en op wegen, zetten we nu stippen op een stuk staal. Dan kun je na het persen met een camera zien hoe alles vervormd is.’
Zwakke draagconstructie, metaalmoeheid, haarscheurtjes. Het zijn termen die vaak opduiken na ongelukken waarbij een metalen constructie het begeven heeft. Het lijkt misschien merkwaardig, maar onderzoekers weten nog steeds niet precies wanneer en hoe breuken en scheuren in metalen ontstaan. Ergens moet het gedrag van afzonderlijke atomen in de kristalstructuur van die materialen leiden tot gebeurtenissen die zo groot worden dat er met het oog zichtbare scheuren en breuken ontstaan. Onderzoekers van de universiteiten in Delft en Groningen werken samen in een project waarbij ze hopen te ontdekken wat er precies gebeurt. Eén aanpak is dat ze kleine stukjes metaal maken met een heel goed bekende samenstelling en structuur. Daar gaan ze dan krachten op uitoefenen, terwijl ze er met microscopen naar kijken. Zo zien ze bijvoorbeeld dat een scheur niet op één plaats tegelijk ontstaat, maar dat er zich een zwerm van scheurtjes ontwikkelt. Die blijkt te bepalen hoe de uiteindelijke grotere scheur verder groeit (zie de foto’s). Ook zien ze hoe de krachten het inwendige van het materiaal meer of minder vervormen. De volgende stap wordt om al dit soort waarnemingen te vertalen in een wiskundig model dat de waarnemin-
gen goed beschrijft en dat voorspellingen kan doen. Dat moet dan via verdere experimenten tot meer inzicht leiden. Het uiteindelijke doel is te kunnen voorspellen wan-
neer, waar en hoe een metaal scheurt. Dan wordt het misschien ook mogelijk door de juiste bewerking van metalen scheuren te voorkomen.
Rekenen en experimenteren aan nieuwe materialen in het Product Applicatiecentrum van Corus.
84
85
Hoofdstuk 4
Natuurkunde en de toekomst
Wetenschappers zijn fantasten. Terwijl ze werken aan transistortjes zo groot als een millimeter, denken ze al aan bouwsels die maar een paar atomen groot zijn. In hun gedachten zoeken ze de grenzen van het maakbare op, lang voordat ze die in hun laboratoria kunnen bereiken. Het zijn nuttige dromen. Dit soort gedachten worden gepubliceerd in de gevestigde wetenschappelijke bladen, samen met een analyse van de moeilijkheden die nog moeten worden overwonnen om zover te komen. Onderzoekers denken in een heel vroeg stadium na over wat je later met nieuwe technieken kunt doen. Tegelijk weten ze als geen ander dat hun toekomstvisie morgen achterhaald kan zijn, als een nieuw onvermoed verschijnsel wordt ontdekt met nog grotere mogelijkheden.
De nieuwe computer Als je een computer hebt gekocht, moet je daarna niet meer naar een computerwinkel gaan. Nog voordat je thuis de doos hebt opengemaakt, is de prijs al gezakt. Een jaar later zijn er computers te koop die twee keer zo snel zijn, met tweemaal zoveel geheugen voor dezelfde prijs. Computeronderdelen worden steeds kleiner, sneller en goedkoper. Dat is de afgelopen dertig jaar steeds zo gegaan. Steeds verdubbelden de prestaties. Kan dat eindeloos zo door blijven gaan? Nee. Er zijn grenzen aan het verkleinen van elektronica. De kleinste onderdeeltjes op een chip meten nu 250 nanometer, ofwel enkele duizenden atomen. Natuurkundigen dromen al van details op een chip die hooguit enkele atomen groot zijn. Er zijn echter twee problemen om zover te komen. Op dit moment is er geen apparatuur om zulke kleine details aan te brengen op een chip. Bovendien veranderen de elektrische eigenschappen als de schakelingen zo klein worden. Tot nu toe worden de patroontjes aangebracht met laserlicht. Eerst werden rode lasers gebruikt, maar langzamerhand zijn blauwe en ultraviolette lasers nodig. Hoe korter de golflengte, hoe fijner de details namelijk zijn die kunnen worden aangebracht. Een blauwe laser kan dus kleinere details tekenen dan een rode. Wat moet er
Onderdelen op chips in computers worden steeds kleiner, maar er is een grens. Die zal binnen afzienbare tijd worden bereikt.
gebeuren als straks zelfs de mogelijkheden van kortgolvige ultravioletlasers zijn uitgeput? Misschien kunnen de chips atoom voor atoom worden opgebouwd (zie nanotechnologie op blz. 38). Een ander idee is een precisiebombardement met atomen. Natuurkundigen in de VS en Japan zijn erin geslaagd om atomen door een minuscuul buisje naar het oppervlak van een chip te geleiden. De Japanner Haruhiko Ito van de universiteit van Kanagawa wist op die manier een nauwkeurigheid te bereiken die vergelijkbaar is met de huidige chiptechnologie. Maar het kan nog veel beter, denkt hij. In zijn onderzoeksverslag legt hij uit hoe hij uiteindelijk atomen denkt te manipuleren met een nauwkeurigheid van enkele nanometers. Er zijn ook andere manieren om atomen te richten. Zo bouwen natuurkundigen van de Universiteit van Amsterdam een apparaat waarin ze atomen uiterst precies kunnen laten kaatsen tegen een ondoordringbare muur van lichtdeeltjes. Ze maken daarbij gebruik van de technieken van laserkoeling (zie blz. 32). Aan de Katholieke Universiteit Nijmegen drijven natuurkundigen atomen in scherpe lijntjes op een oppervlak bij elkaar door ze te vangen in het golfpatroon van licht. Dat gaat nog met miljoenen atomen tegelijk, maar onderzoekers hebben wetenschappelijke fantasie. Ze realiseren zich dat het straks met duizenden atomen zou kunnen. Daarna misschien met tientallen. Ooit kunnen ze misschien individuele atomen heen en weer kaatsen. Misschien zijn hun experimenten het begin van een microscopisch biljartspel, waarbij de atomen met gerichte tikjes precies naar de juiste plaats gedirigeerd worden.
Een mogelijke manier om kleinere onderdelen op chips te maken dan nu mogelijk is: structuren voor schakelingen aanbrengen met behulp van laserlicht. Dat wordt bijvoorbeeld in Nijmegen en in Eindhoven (voor magnetisch materiaal) onderzocht.
Zo wordt hard gewerkt aan ideeën en plannen om op chips details aan te brengen van enkele tientallen atomen breed. Als dit onderzoek een bruikbare techniek oplevert, kunnen we voorlopig nog even voort met het verkleinen van chips. Maar er is een grens. Die grens ligt op het punt dat de details zo klein worden dat de verandering van elektrische eigenschappen hinderlijk wordt. Natuurlijk kan een draadje van één atoom breed nog elektriciteit geleiden (zie blz. 40). De afmetingen zijn dan echter zo klein, dat elke beweging van elk afzonderlijk elektron belangrijk wordt. Elk elektron geeft een merkbare verandering in de schakeling. Dat betekent dat zo’n schakeling op een andere manier ontworpen
88
89
moet worden. Dat is lastig, want de afzonderlijke elektronen bewegen nogal chaotisch. Die verschijnselen worden bij bredere draadjes niet opgemerkt door de grotere stromen die daarin kunnen lopen. De individuele elektronen gaan onder in de massa. Zestien miljoen Nederlanders zijn allemaal eigenzinnige individuen, maar je weet zeker dat de pleinen van Amsterdam en Rotterdam vol stromen als Oranje gewonnen heeft. Het gemiddeld gedrag van zoveel mensen is tamelijk voorspelbaar. Het wispelturige gedrag van afzonderlijke elektronen zorgt voor stooreffecten, die maken dat de computer onbetrouwbaar wordt. Dat is dan ook de kleinste grens van de huidige computertechnologie. Wie nog kleiner wil, kan niet meer gebruik maken van de componenten waaruit nu een chip is opgebouwd, transistoren en draadjes. Vandaar dat nu al op veel plaatsen alternatieve technieken worden ontwikkeld voor nog kleinere elektronica. Lange tijd gold: hoe kleiner de chip, hoe sneller. Als afstanden tussen de verschillende onderdelen van een chip kleiner worden, kunnen ze sneller worden overbrugd. Processoren die een snelheid van 2 GHz hebben, gebruiken minder dan een miljardste deel van seconde voor één bewerking. Maar de snelheid van chips kan niet eindeloos worden opgevoerd. Het duurt altijd even voordat een elektrisch stroompje op gang komt. Die opstarttijd kun je niet verkorten. Dat zorgt voor een grens aan de schakelsnelheid van een computer. Er wordt echter gewerkt aan ideeën om sneller te kunnen schakelen, bijvoorbeeld met een quantumcomputer. Eén van de mogelijkheden is om gebruik te maken van het zogeheten tunnelingseffect, dat zich afspeelt rond flinterdunne isolatielaagjes. Dat gaat razendsnel. Dit verschijnsel blijkt zich prima te lenen voor manipulatie van stroompjes in de quantumcomputer. Elektronische componenten, die gebaseerd zijn op dit fenomeen, zijn al uitvoerig uitgetest. Al in de jaren zeventig
bouwde IBM een computer die gebaseerd is op dit principe. Er was toen echter extreme afkoeling nodig om dit tunnelingseffect te bereiken. De techniek brak daarom niet door. Nu de isolatielaagjes veel dunner gemaakt kunnen worden, treedt het tunnelingseffect ook op bij kamertemperatuur. Zo kunnen in principe razendsnelle chips worden gemaakt met kleinere details en snellere schakelingen dan met de huidige technieken mogelijk is. In principe, want de ontwikkeling staat nog aan het begin. Onderzoekers moeten nog ervaring opdoen met de benodigde technieken en veel praktische problemen overwinnen. Het bijzondere van de quantumcomputer is dat hij gebruik maakt van een kernbegrip uit de quantummechanica: een deeltje kan onder bepaalde omstandigheden op twee plaatsen tegelijk zijn. Probeer je je dat in dagelijkse omstandigheden maar niet voor te stellen. Daar gebeurt dat niet. Als zo’n deeltje drager van informatie is, kan dat deeltje twee verschillende getallen voorstellen. Op basis van dit principe werken natuurkundigen aan de Technische Universiteit Delft onder leiding van professor Hans Mooij aan de bouwsteen, de quantumbit, voor zo’n computer. Met tienduizend van die bouwstenen zal zo’n computer sneller zijn dan de snelst denkbare computer die we nu hebben. Voor het zover is, zijn we wel zeker twintig jaar verder, denkt Mooij. Bij het maken van een computer gaat het niet alleen om het maken van snelle schakelingen, maar ook om het opslaan van gegevens. Ook computergeheugens worden daarom zo klein mogelijk gemaakt. De onderzoeksgroep van Lingjie Guo aan de universiteit van het Amerikaanse Minnesota is erin geslaagd om een computergeheugen te maken met afzonderlijke elektronen. Elk elektron stelt daarbij een één of een nul voor. Het is niet zo moeilijk om ergens een lading van één elektron aan te brengen. Het is echter de kunst om later op een eenvoudige manier te zien of er wel of geen elektron op die geheugenplaats zit. Wat heb je tenslotte aan een geheugen waaruit je alleen
Computers kunnen, voor bepaalde soorten klussen, in theorie veel sneller worden gemaakt door ze te laten werken met principes uit de quantummechanica. Een chip die zo werkt, wordt op dit moment qubit genoemd. Hier is er een, gemaakt door onderzoekers in Delft, bij steeds toenemende vergroting onder een microscoop te zien.
90
91
Rekenen met DNA? Amerikaanse onderzoekers hebben een experimentele chip gemaakt met miljoenen DNA-moleculen erop, die zich met behulp van enzymen gedragen als software.
met grote moeite informatie kunt halen? De onderzoekers slaagden erin om een minuscuul versterkertje op een chip te construeren, dat zó gevoelig is dat het beïnvloed wordt door één enkel elektron dat in de buurt is. Aan het gedrag van het versterkertje kun je dus merken of er wel of geen elektron aanwezig is. Zo kun je constateren op welke geheugenplekken elektronen zitten. De geheugens die met deze techniek werden gemaakt, zijn tien maal zo klein als de gebruikelijke. Voorlopig kunnen nog maar een paar bits met deze methode worden opgeslagen. Dat is nog ver weg van de miljoenen bits die een moderne PC in zijn geheugen kan houden. Maar de onderzoekers analyseren in hun wetenschappelijke rapportage wel welke weg er nog afgelegd moet worden, om zover te komen. Nog een ander idee is om microelektronica te maken die niet, zoals gebruikelijk, werkt met de elektrische lading van het elektron, maar met het feit dat men zich het elektron ook als een draaiend tolletje kan voorstellen. Door die draaiing gedraagt een elektron zich in een magneetveld als een magneetje. Die eigenschap heet de spin van het elektron. Onderzoekers hebben het daarom over spintronica. Je kunt de spin gebruiken om informatie mee op te slaan, omdat je in een magnetisch materiaal de spin van de elektronen kunt vastleggen en later uitlezen. Dit wordt al toegepast voor harde schijven in computers. De opslagcapaciteit van die schijven wordt daardoor veel groter (bijvoorbeeld niet 1, maar 20 gigabyte). In ons land werken natuurkundigen aan de universiteiten in Groningen, Enschede en Eindhoven aan spintronica. Zo zijn er veel ideeën om snellere en kleinere chips te maken. Lang niet elk idee zal bruikbaar blijken. Maar je moet ze allemaal onderzoeken om te weten
92
welk idee het beste is. De quantumcomputer is een mooi idee, maar dat geldt ook voor de lichtcomputer. In zo’n computer wordt niet - zoals nu - gerekend met elektronen maar met lichtdeeltjes (zie ook blz. 78). In een lichtcomputer moeten uiterst korte lichtpulsjes razendsnel iets op gang brengen. Israëlische en Canadese natuurkundigen, onder leiding van Albert Stolow van de National Research Council of Canada, slaagden er bijvoorbeeld in ultrakorte lichtpulsjes te gebruiken om een chemische reactie te starten. Met een laserpuls konden twee verschillende soorten broom van elkaar worden gescheiden. Volgens de onderzoekers kan dat gebruikt worden voor het opslaan van gegevens. Dat gaat dan een miljoen maal sneller dan in de huidige processoren. In plaats van broom zouden kleine structuren op een chip kunnen worden gebruikt. Wie weet worden dat wel micro-piramides. Er zijn al industriële processen ontwikkeld om piramides op chips te maken van enkele tientallen atomen. Dat is niet eenvoudig, want atomen zijn heel beweeglijk. De piramide verweert daardoor snel. Het is de kunst om de ondergrond stevig te laten aansluiten bij de piramide en te zorgen dat de afstanden tussen de atomen niet teveel verschillen. Ook de Egyptenaren zorgden voor grote regelmaat in de steenblokken. Dan past alles mooi op elkaar en blijft de structuur lang in stand. Onderzoekers denken dat de micro-piramides opgeladen kunnen worden met laserlicht. Voorlopig is een laboratorium vol apparatuur nodig om zoiets voor elkaar te krijgen. Zo gaat dat met ontdekkingen. Het kost jaren om zo’n nieuwe techniek onder de knie te krijgen en geschikt te maken voor industriële productie. Over twintig jaar zullen we misschien lachen om de ideeën die nu worden uitgewerkt in de laboratoria. Lang niet alles zal bruikbaar blijken. De basis van de computer, zoals die over 20 jaar op ons bureau staat, wordt echter nu gelegd. Wie weet hoe computers er tegen die tijd uitzien? Of waar we ze voor zullen gebruiken? Uiteindelijk zullen het de kopers zijn die bepalen of deze technieken gebruikt zullen worden. Als niemand behoefte heeft aan meer computergeheugen en snellere chips, komen ze er ook niet.
In een magneetveld gedragen elektronen zich als tollende magneetjes. Ze kunnen linksom tollen en rechtsom. Daarvan proberen onderzoekers gebruik te maken voor een nieuw soort elektronica, de spintronica.
93
Het huis De tv-kok staat een beetje gek te doen boven de pannen. Maar het ziet er aantrekkelijk uit. Met de afstandsbediening specificeer je nog het aantal gasten aan tafel, maar daarna gaat alles vanzelf. De tv is namelijk verbonden met de thuiscomputer, die alles coördineert. De computer logt in bij de koelkast, om te kijken wat er nog in voorraad is. Voor de ontbrekende ingrediënten gaat er een e-mailtje naar de supermarkt. Ondertussen worden de recepten gedownload naar de oven en het gasfornuis. Nog voor het tv-programma is afgelopen, belt de bezorgdienst aan om de ingrediënten te brengen. Je kunt direct beginnen. Dat kan de toekomst zijn van het koken. Met een beetje fantasie kunnen ook andere klussen in huis aangenamer worden. ‘s Nachts graast snuffie, de stille stofzuigrobot naar stof. Als we weggaan waarschuwt het huis zelf dat er nog ramen open staan. De wasmachine onderzoekt zelfstandig de inhoud van de wasmand en gaat piepen als er een kwetsbare zijden jurk tussen de katoenen overhemden zit. De muren van het huis hangen vol met tv-schermen. ‘Overdag worden er schilderijen van Van Gogh geprojecteerd. Als je ‘s avonds een film wilt kijken, verandert het schilderij in een tv,’ zo speculeerde John Mangelaars, directeur van Microsoft Benelux in een interview in het weekblad Intermediair. We weten niet hoe we over twintig jaar willen wonen. Misschien hebben we helemaal geen behoefte aan al die elektronica en gaan we ‘s avonds boeken lezen en vrienden opzoeken. Tenslotte voelen veel mensen zich perfect gelukWordt de videofoon een mobieltje kig op een camping, als ze alle luxe thuis hebben gelaten. met een schermpje of krijgt hij Misschien willen we zelf in de pannen roeren en zelf nieuwe een nieuw ontwerp? recepten ontdekken. Natuurkundigen kunnen moeilijk voorzien hoe de keuzes van mensen zullen veranderen. Zeker is wel dat technisch onderzoek nieuwe keuzemogelijkheden oplevert. Als tv-schermen platter worden, helderder en goedkoper, waarom zouden we ze dan niet In het huis van de toekomst: holografisch scherm in de huiskamer en een interactieve speelwand voor de kinderen?
94
als schilderij gebruiken? Of als verjaardagskalender op de wc? Nieuwe technieken openen nieuwe toepassingen. ‘Nu geeft de pizzakoerier nog een koelkastmagneet met een reclametekst cadeau. Straks krijg je van de bezorger misschien een klein schermpje waarmee je via internet een Napolitana of een Quattro Stagionni kunt bestellen,’ zo zei Ed Arrington in hetzelfde nummer van Intermediair. Hij is coördinator van het Connected.Home-project van chipfabrikant Intel in Hillsboro (Oregon, Verenigde Staten). Krijgt hij gelijk? Er wordt in ieder geval overal hard gewerkt aan de verdere ontwikkeling van beeldschermen. Geleidende kunststoffen zijn een veelbelovend materiaal daarvoor (zie blz. 74). Onze huizen bezitten al tientallen jaren elektronische vensters op de buitenwereld. Natuurlijk zullen er andere types beeldschermen komen voor de tv, spelcomputer of de huisbioscoop. Maar wat zullen we te zien krijgen? Een verre opvolger van de soaps die nu worden uitgezonden? Waarschijnlijk wel, want we blijven geïnteresseerd in het dagelijks leven van mooie mensen. Maar het zal niet het enige zijn. Nieuwe technische mogelijkheden zullen programmamakers uitdagen tot nieuwe creaties. Voor elke nieuwe rampenfilm worden de meest geavanceerde simulatietechnieken gebruikt die bestaan. De grenzen van
DICK TRACEY Zijn horloge floept aan. Met één blik op de pols ziet hij zijn kinderen, die met een lieve, enigszins zeurderige blik vragen of ze een ijsje uit de vriezer mogen halen. Een halve eeuw geleden was een videotelefoon om de pols nog een technologische droom. Zo’n horloge speelde een hoofdrol in het Amerikaanse stripverhaal over Dick Tracey, dat vanaf 1946 verscheen. Een videotelefoon was lange tijd een onrealistische droom. De onderdelen voor tv’s en camera’s zijn veel te groot. Bovendien heb je een grote antenne nodig, omdat de beeldverbinding anders te gevoelig is voor stoorsignalen. Vooral als je tegelijkertijd wilt zenden en ontvangen is het lastig om te zorgen dat de zender niet stoort op de ontvanger. Op beide punten is grote vooruitgang geboekt. De beeldschermpjes van horloges en mobiele telefoons zijn bijna goed genoeg om een filmpje te kunnen bekijken. Microfoontjes worden ook steeds kleiner. Zo slaagde Peter Gammel van het Amerikaanse Bell Labs erin een microfoon van 0,1 millimeter op een chip aan te brengen. Dat heeft grote voordelen. In plaats van twee aparte onderdelen heb je er nu maar één. Bovendien heb je zo minder verbindingsdraadjes nodig, waardoor de kans op storingen kleiner wordt.
De microfoon werd gemaakt door laagje voor laagje verschillende metalen op de siliciumchip aan te brengen. Enkele plekken werden weggeëtst, zodat bewegende deeltjes ontstonden. Het is een technologie die veel lijkt op de manier waarop chips voor computers worden gemaakt. Daarnaast bouwde het team van Gammel een microscopisch radiofilter, waarmee stoorsignalen nog eens extra kunnen worden onderdrukt. Het team fabriceerde die met dunne laagjes aluminium op dezelfde chip. Het resultaat was een filter van enkele tienden van een millimeter, honderd keer zo klein als de gebruikelijke filters. Dat is belangrijk, want deze filters zijn het grootste onderdeel in een gsm-telefoon. Volgens Gammel kunnen we in 2005 een Dick Tracey-horloge maken. Eerder al kunnen we zaktelefoons verwachten die videoverbindingen kunnen maken.
95
Een ‘intelligent’ jasje: je MP3-speler en je handsfree mobieltje zitten in je jasje verwerkt.
Mobieltje met agenda en e-mail.
96
computersimulaties worden steeds verlegd. Natuurkundigen zoals Daan Frenkel (zie blz. 69) die uitrekenen hoe grondwater doorsijpelt in diepere lagen, zijn constant op zoek naar betere rekenmethoden en slimmere weergavetechnieken. Niet om nieuwe bioscoopfilms te maken, maar omdat ze dat nodig hebben voor hun onderzoek. Iedereen profiteert echter van nieuwe vondsten op dat gebied. Waar zal dat toe leiden? Misschien kan de computer zelf acteurs simuleren, met alle details van lichtval, spierbewegingen en spraak die daarbij horen. Nu zijn dat nog duidelijk computerpoppetjes. Straks kan een regisseur zijn personages levensecht creëren, precies zoals hij ze in gedachte heeft. De videorecorder zal verdwijnen uit huis. De beeldkwaliteit is niet voldoende voor de scherpe tv-schermen van de toekomst. Bovendien worden veel slimmere technieken bedacht om grote hoeveelheden beelden op te slaan. De dvd, de opvolger van de cd, is nog maar het begin. Zo hebben Peter Krauss en Stephen Chou van de universiteit van Minnesota een schijfje ontwikkeld van één vierkante centimeter, waarop evenveel gegevens staan als op één cd of cd-rom. Net als bij de cd is de informatie op het schijfje vastgelegd met een minuscuul patroon van putjes en kuiltjes. Het verschil is echter het formaat van de putjes. Op een cd zijn ze 600 nanometer breed, maar op het schijfje uit Minnesota meten de putjes 10 nanometer (10 miljoenste millimeter). Dat is veel te klein om af te spelen met laserlicht, zoals gebeurt in een cd-speler. De onderzoekers gebruiken daarom een speciale microscoop, een scanning tunneling microscoop (STM). Zo’n microscoop bestaat uit een stabiele houder en een uiterst precies naaldje. De punt van dat naaldjes is maar een paar atomen breed. Het kan over een oppervlak worden bewogen met een precisie van een miljoenste millimeter. Elke onregelmatigheid in het oppervlak kan zo nauwkeurig worden gevolgd.
Op die manier kunnen de putjes in de nano-cd goed worden waargenomen. Zo’n STM is nu nog een laboratoriuminstrument, waarmee voorzichtig moet worden omgegaan. Maar misschien wordt het ooit robuust genoeg om in te bouwen in een walkman. Op het formaat van de huidige cd zou dan 4000 uur muziek passen, genoeg om een half jaar lang dag en nacht muziek te draaien. Dezelfde super-cd’s zouden gebruikt kunnen worden voor supervideo-recorders, met honderden uren film op één schijfje. Hebben we daar behoefte aan? Lou Ottens, die vijfentwintig jaar geleden bij Philips aan de wieg stond van de cd, herinnert zich desgevraagd nog hoe een prototype cd is gemaakt met een doorsnee van dertig centimeter en een speelduur van enkele tientallen uren. De kansen voor zo’n cd achtte hij gering. Welke consument zat op zoveel muziek te wachten? En welke platenmaatschappij zou zoveel muziek willen verkopen op slechts één schijf? Zo’n cd zou de overlevingskansen hebben van een dinosaurus. Hij zou onder het gewicht van de kolossale speelduur bezwijken. Ottens maakte het schijfje daarom kleiner. Een uur speelduur is genoeg, zo vond hij. En dat is de belangrijkste reden dat een cd nu de doorsnee van ongeveer een decimeter heeft. Het is daarom niet duidelijk of er straks wel behoefte is aan een super-cdspeler en een super-videospeler. Maar misschien komen er nieuwe toepassingen, waarbij zo’n grote capaciteit wel nuttig is. Je zou zo’n apparaat in een videotheek kunnen neerzetten. Als je een goede kabelverbinding met een videotheek hebt, kun je alle films op verzoek voor je laten draaien. Dat kan, want ook aan betere kabelverbindingen wordt gewerkt. De huidige glasvezelkabels kunnen per vezel al duizenden tv-films tegelijk overseinen. Aan de vergroting van de capaciteit wordt nog steeds gewerkt. Belangrijk daarvoor is het werk van mensen als Albert Polman (zie blz. 78), die nieuwe technieken ontwerpen voor versterking van de lichtsignalen. Anderen werken aan het vergroten van de capaciteit van de glasvezels zelf. Zo kunnen verschillende lasers worden gebruikt voor één glasvezel. Als ze allemaal een andere kleur licht gebruiken, kan elke laser zijn informatie onafhankelijk van de andere overzenden. Met tien lasers wordt de capaciteit tien keer zo groot. Ook kun je proberen om de lasers sneller achter elkaar lichtflitsjes af te laten geven. Bij elk flitsje wordt tenslotte een stukje informatie overgebracht. Misschien komt het ooit zover dat elk afzonderlijk lichtdeeltje informatie kan overbrengen. Er kunnen met gemak een miljard lichtdeeltjes in een miljoenste seconde door een glasvezel. Een complete speelfilm kan dan binnen een fractie van een seconde worden overgeseind. Wie weet komt zo ooit de wereld ons huis binnen. Dan zou je alle informatie die je maar zou willen hebben in een fractie van een seconde binnen kunnen laten stromen. Waarom zou je dan zelf een encyclopedie hebben? Of een videorecorder? Niet alleen het vermaak en de informatievoorziening in huis zal veranderen. Ook het huis zelf zal er anders uitzien. Waarom zou je bijvoorbeeld een zonnescherm ophangen, als de ramen zelf het teveel aan zonlicht kunnen tegenhouden? Op dit
97
Bij de Vrije Universiteit in Amsterdam ontdekt en mogelijk op weg naar een praktische toepassing: de schakelbare spiegel. Een dun laagje yttrium is normaal spiegelend. Als er waterstof in wordt geperst, wordt het laagje opeens doorzichtig. Wordt het waterstof weggezogen, dan gaat het laagje weer spiegelen.
98
moment wordt er geëxperimenteerd met speciale coatings, die je met een klein elektrisch stroompje kunt laten verkleuren. De ramen worden dan op commando lichter of donkerder. Voor zo’n coating worden kunststoffen gebruikt die verwant zijn aan de materialen die De Voigt gebruikt voor zijn plastic elektronica (zie blz. 74). Maar het kan nog mooier. Waarom zou je niet iets nuttigs doen met het ongewenste zonlicht? C. Bechinger van het National Renewable Energy Lab in Golden, Colorado, slaagde erin om een materiaal te ontwikkelen dat op commando zonlicht tegenhoudt en daaruit tegelijk nuttige energie kan opwekken. Of we dat gaan toepassen, weten we nog niet. Misschien is vitrage wel zo handig. Het zal moeten blijken. Maar als je op de experimenten afgaat, is niets te dol. Wat dacht je van zelfreinigende tegels in de keuken? De Japanse hoogleraar Akira Fujishima heeft een speciale coating ontwikkeld voor tegeltjes in een operatiekamer. Het laagje brengt een chemische reactie op gang, die ervoor zorgt dat vet en kleine vuildeeltjes worden afgebroken. Het zijn technieken die in de chemische industrie ook worden gebruikt voor selectieve chemische reacties, bijvoorbeeld in katalysatoren. Om zulke tegeltjes te maken is een subtiel samenspel van natuurkundige en chemische kennis nodig. De tegeltjes zorgen er inmiddels voor dat Japanse operatiekamers schoon blijven. Wie weet zien we ze in de toekomst ook in onze huizen.
Nieuwe apparaten zullen verschijnen in de keuken. Misschien krijgt de magnetron ook een koelfunctie. In een magnetron zorgt elektromagnetische straling ervoor dat watermoleculen gaan trillen. Hoe meer trilling, hoe warmer het gerecht wordt. Elektromagnetische straling kan ook worden gebruikt om trillingen af te remmen. Dat gebeurt bijvoorbeeld bij laserkoeling (zie blz. 30). Daarbij worden afzonderlijke atomen afgeremd. Het is echter ook gelukt om stukjes glas met laserlicht af te koelen. Het zijn nog maar kleine stukjes en de afkoeling was maar tien graden Celsius. Maar misschien kun je ooit een colafles in een magnetron zetten om hem in een minuutje koel te maken. Onderdeel van de moderne keuken: een gezinsterminal, waarmee in de eetkeuken tv kan worden gekeken, inkopen via internet kunnen worden gedaan, kan worden gezien of de wasmachine op zolder al bijna klaar is of de thermostaat van de verwarming op de slaapkamer goed staat. Deze broodrooster kun je alleen via internet bedienen. Flauwekul? Het idee kwam op in onderzoek naar mobiele internettoepassingen.
99
Dit experimentele systeem wekt uit aardgas en zuurstof energie op, zonder dat er verbranding aan te pas komt. Er ontstaan dus geen afvalgassen.
Dat kan bijvoorbeeld door aandacht voor de stroomlijn. Er is nog een opvallend groot verschil in luchtweerstand tussen verschillende autotypes. Met enige moeite kan de luchtweerstand van bijvoorbeeld een Renault Twingo nog met dertig procent worden gereduceerd. Dat heeft de milieuorganisatie Greenpeace aangetoond door experts kleine veranderingen in de vorm van deze auto te laten aanbrengen. Luchtweerstand is de belangrijkste factor voor energiegebruik bij hogere snelheden. De verbetering zit vaak in kleine details. Een spiegeltje dat op een ondoordachte manier uitsteekt, kan zorgen voor een flinke verstoring van het stromingspatroon. Hetzelfde geldt voor ruitenwissers, dakranden en handgrepen. Dat soort details worden meestal niet in de windtunnel uitgetest. Dat is te duur en kost teveel tijd. Computerberekeningen vormen een alternatief, maar die zijn nog niet precies genoeg om de stromingspatronen tot in alle detail te simuleren. Het wachten is dus op snellere computers en betere software om luchtstromingen te simuleren. Voor beide is nog veel fundamenteel onderzoek nodig.
Mobiliteit In een flits is zijn lichaam overgezonden naar het volgende sterrenstelsel. Sneller dan het licht is hij op zijn bestemming. Hij bereidt zich voor op zijn intergalactische jet lag. Het lichaam moet wennen aan een andere kleur zonlicht. Zoemen we in de toekomst allemaal met onze eigen helicoptertjes naar school of werk? Zo mooi zal transport waarschijnlijk nooit worden. De natuur heeft zo zijn grenzen. Eén van die grenzen is de snelheid van het licht. Het is nog nooit gelukt en waarschijnlijk onmogelijk - om dingen sneller te laten gaan dan het licht. Een reis naar de dichtstbijzijnde ster zal daarom altijd langer dan vier jaar duren. Dat is namelijk de tijd die licht nodig heeft voor het overbruggen van die afstand. Een andere grens is het verbruik van energie. Er is hoe dan ook energie voor nodig om je op aarde te verplaatsen. Het kan echter wel met veel minder energie dan we nu verbruiken. Een belangrijke inspanning van wetenschappers is het zuiniger maken van auto’s en andere transportmiddelen.
100
Misschien kunnen we ook leren van de geschiedenis. Aan het begin van de twintigste eeuw werd hard gewerkt aan de ontwikkeling van de elektrische auto. Benzinemotoren verspillen veel energie, zo realiseerde men zich toen al. Het is tenslotte een verbrandingsmotor. De hitte die vrijkomt, gaat grotendeels ongebruikt de buitenlucht in. Bovendien wordt energie verspild als de motor niet op vol vermogen draait. Als je rustig op de snelweg rijdt, is maar een deel van het maximale vermogen nodig. De motor wordt dan getemperd door het aanbrengen van extra weerstand. Ook op andere plaatsen in de auto zorgt de weerstand van bijvoorbeeld de versnellingsbak en banden ervoor dat een deel van het vermogen verloren gaat. Gemiddeld wordt zo maar 15 procent van de energie in brandstof omgezet in beweging van de auto. Een elektrische motor doet dat efficiënter. De elektrische auto heeft echter nooit doorgezet. Het is namelijk lastig om voldoende elektriciteit mee te nemen aan boord van de auto. Misschien is het nog wel zo handig om elektriciteit op te wekken aan boord van de auto. Je hebt de accu’s in dat geval alleen nodig als een extra voorziening, voor de momenten dat er extra veel energie nodig is. Minielektriciteitscentrales staan daarom volop in de belangstelling. Elektriciteit opwekken kan bijvoorbeeld met brandstofcellen. Binnenin dergelijke cellen reageren brandstoffen met elkaar, waarbij elektriciteit vrijkomt. Als brandstof kan bijvoorbeeld waterstof worden gebruikt. Er zijn ook types in ontwikkeling die aardgas gebruiken of gewone benzine. Brandstofcellen zetten zo’n zestig procent van de energie in de brandstof om in elektriciteit, veel meer dan in een gewone centrale. Brandstofcellen zijn aanzienlijk schoner dan een gewone
Geen moeizaam inparkeren meer: de auto doet het zelf.
101
centrale, omdat er minder kooldioxide vrijkomt. Teveel kooldioxide in de atmosfeer veroorzaakt het broeikaseffect. Een brandstofcel heeft bovendien geen bewegende delen en is fluisterstil. Kortom, het is een ideale combinatie met een elektromotor. Autofabrikanten als Mercedes en Opel hebben al prototypes van zulke auto’s rondrijden. Er is in die auto’s echter weinig zitruimte over. Brandstofcellen zijn nogal omvangrijk en daardoor ook duur. Vandaar dat in veel laboratoria nieuwe materialen worden uitgeprobeerd om de cellen kleiner en goedkoper te maken. Of het wat wordt met brandstofcellen in auto’s weet niemand. Misschien gaan we allemaal met een superzonnecel op het autodak rijden. Dan moeten er wel revolutionair nieuwe materialen worden gevonden voor zonnecellen. Als je de huidige cellen op een autodak zou monteren, zou je er hoogstens de airconditioning mee kunnen voeden. Zo bedenken wetenschappers van alles om de auto te verbeteren. Wie naar een auto-museum gaat, kan zien hoe dat de hele twintigste eeuw is doorgegaan. Er staan zalen vol prachtige prototypes die het nooit gehaald hebben. Maar veel is wel al gemeengoed geworden. Misschien is het straks niet de auto die op zonne-energie loopt, maar de weg zelf. Als je op een zonnige dag je hand op het asfalt legt, voel je hoe heet de weg is. Het asfalt kan makkelijk 60 graden Celsius worden. Op een bewolkte dag is een wegdek van 40 graden Celsius heel gewoon. De donkere kleur absorbeert gemakkelijk de zonnewarmte (vergelijk maar eens de witte en zwarte delen van een zebrapad). Ingenieurs van Rijkswaterstaat hebben samen met het ingenieursbureau Arcadis bedacht dat je deze warmte gemakkelijk kunt gebruiken als je onder het wegdek buisjes aanlegt. Water dat door die buisjes stroomt, wordt vanzelf warm en kan de huizen in de omgeving verwarmen. Proeven met zulke buisjes onder het wegdek van de Haringvlietsluizen lieten zien dat dit een uitstekend idee is. Drie vierkante meter asfalt blijkt evenveel energie te leveren als één vierkante meter zonnecollector. Dat opent veel mogelijkheden, want er ligt nogal wat asfalt in Nederland. Op die manier kun je met alle Nederlandse wegen bij elkaar meer energie opwekken dan de auto’s gebruiken. Er is echter één probleem. De energie komt vrij in een vorm die niet zo bruikbaar is. Het water dat in het wegdek opwarmt, bereikt een temperatuur van zo’n 30 graden Celsius. Daarmee kun je een huis verwarmen dat naast de weg staat. Als je het water verder moet transporteren, koelt het teveel af om nog bruikbaar te zijn. Het is dus de kunst om zo slim mogelijk met het lauwe water om te gaan. Dat is het punt waar natuurkundig onderzoek kan helpen. Er zijn namelijk verschillende trucs om lauw water om te zetten in heet water, zonder dat er veel extra energie nodig is. Dat kan met een warmtepomp. Deze verdeelt een grote stroom lauw water in twee kleinere stromen water, één koude en één hete. Dat hete water kan beter worden gebruikt dan het lauwe. Warmtepompen die voor dit doel worden gemaakt, zijn echter nog kostbaar. Vandaar dat veel onderzoek wordt gedaan naar verbetering van de werking van de warmtepompen en het gebruik van andere materialen.
102
Of er in de toekomst nog veel wegen zullen liggen, weten we niet. Tenslotte heeft de trein oudere rechten. In de tweede helft van de negentiende eeuw werd de Nederlandse infrastructuur bepaald door de spoorwegen. Op kruisingen van sporen ontstonden industriesteden, zoals in Twente. Die oude trein is aan een opmerkelijke come back bezig. In Frankrijk gaan op sommige afstanden al meer mensen met de trein dan met de auto. De oude techniek is vernieuwd met snelle elektromotoren, stroomlijn en regeltechniek. En het einde is nog niet in zicht. Er worden nog steeds veelbelovende verbeteringen bedacht. Zo kan een trein sneller rijden als het onderstel een beetje zweeft boven de rails. Er is dan weinig wrijving, waardoor de trein sneller kan optrekken en een hogere snelheid bereikt. Er zijn al treinen gebouwd die zweven dankzij sterke magneten aan de onderzijde. Daarvoor zijn sterke elektromagneten gebruikt, die veel energie gebruiken. Door dat grote energiegebruik is het nu nog niet aantrekkelijk om zweeftreinen te maken. Wetenschappers werken echter aan verbetering van de magneettechniek. Er worden flinke vorderingen gemaakt met nieuwe supergeleidende materialen, die bijzondere elektrische eigenschappen hebben.
MICROMACHIENTJES Sommigen dromen al van robotjes die door je aderen gaan om dichtgeslibde stukken schoon te maken. Of minuscule pompjes die het hart helpen. Zover is het nog niet, maar het gaat snel. Wie MESA+ bezoekt, een onderzoeksinstituut aan de Universiteit Twente, ziet onooglijk kleine relais, veertjes die kleiner zijn dan een haar, of een motortje dat met een pincet moet worden opgepakt. Een mooie prestatie van het instituut zijn de minimicrofoons voor gehoorapparaten en micropompen voor precieze dosering van kleine hoeveelheden vloeistoffen. Om dergelijke micromachientjes te kunnen maken, is de uiterst precieze techniek nodig die ook gebruikt wordt voor het maken van micro-elektronica. Net als bij chips worden kleine details aangebracht met metaallaagjes of worden holtes weggeëtst. Een probleem bij het maken van de
kleine machientjes is de assemblage. De onderdelen zijn zo klein dat ze niet meer te hanteren zijn. De onderzoekers maken daarom
liefst structuren uit één stuk en snijden desnoods achteraf enkele verbindingsstukken door met een laser.
103
Toen deze materialen in 1986 werden ontdekt, werd direct al gespeculeerd op toepassing als zuinige magneten voor supersnelle treinen. Natuurlijk beseften natuurkundigen toen dat het nog tientallen jaren zou duren, voordat het zover was. Maar voor een wetenschap die al duizenden jaren bezig is de grenzen van het kennen en kunnen te verleggen, is dat nabije toekomst. Sneller dan het licht zal het nooit worden, maar de grenzen van de natuur zijn nog lang niet bereikt. Wat nu in laboratoria wordt uitgedacht, kan leiden tot beter transport. Eén ding hebben wetenschappers echter niet in de hand: de behoefte aan transport. Misschien is het nog wel zo leuk om op vijf minuten wandelen van je werk te wonen.
NIEUWE
G E N E R AT I E I N T E R N E T
Met een paar muiskliks kun je alles vinden wat je wilt weten. De wereld wordt ondenkbaar zonder world wide web. De technologie erachter is ontstaan uit de behoefte van natuurkundigen om informatie uit te wisselen. In het onderzoekscentrum CERN bij Genève bedacht de Brit Tim Berners-Lee in 1989 een manier waarop de duizenden wetenschappers van dit centrum rapporten en gegevens zouden kunnen uitwisselen. In zijn vrije tijd - zijn bazen zagen zijn ideeën aanvankelijk niet zitten - ontwikkelde hij een van de meest succesvolle technieken uit de 20e eeuw. Wat ontworpen was voor duizenden wetenschappers, bleek de commu-
104
nicatie tussen honderden miljoenen mensen aan te kunnen. Tegenwoordig zijn duizenden wetenschappers dagelijks bezig met de toekomst van het world wide web. Er komen onderwerpen aan de orde waaraan Berners-Lee geen moment had gedacht: tv via internet, draadloos e-mailen, elektronische winkels. Er zijn ook natuurkundigen bij, want delen van die nieuwe technieken bouwen voort op natuurkundige kennis. Dat
geldt bijvoorbeeld voor nieuwe beveiligingsmethoden, die gebruik maken van het wispelturig gedrag van atomen. Kennis over de manier waarop geluid zich concentreert in een oor, wordt gebruikt om muziek beter over te seinen en weer te geven. Wetenschappers zijn zelf nog steeds grootgebruikers van het world wide web. Het heeft de manier waarop ze onderzoekresultaten uitwisselen en kennis verspreiden grondig veranderd.
Gezondheid Zullen wij nóg een eeuwwisseling meemaken? Voor kinderen is dat geen theoretische vraag. Mensen worden steeds ouder, mede dankzij de medische wetenschap. De kans om honderd jaar te worden, is daardoor steeds groter. Gezondheid is altijd een belangrijke drijfveer geweest om wetenschappelijke grenzen te verleggen. Anthonie van Leeuwenhoek construeerde in de zeventiende eeuw de eerste microscoop om de kleinste onderdelen van het lichaam te bekijken. Toen de natuurkundige Wilhelm Röntgen aan het einde van de negentiende eeuw een nieuw soort straling ontdekte, beet hij zich helemaal in het onderzoek vast, omdat hij hoopte dwars door zijn hand te kunnen kijken. Dat was een lang gekoesterde wens van medici. Lang niet alle wensen van artsen zijn al in vervulling gegaan. Zo wordt er nog veel te veel gesneden. Stel je voor, een operatie waar geen mes aan te pas komt. Zonder verwondingen worden kankergezwellen verwijderd. Een wortelkanaalbehandeling zonder boor. Misschien dat dit mogelijk wordt met een nieuwe manier Opereren zonder het menselijk lichaam in te hoeven, bijvoorbeeld bij een aandoening van de om geluid toe te passen. Nu al verwijdert een hersenen, zou een uitkomst zijn. Zo ver is het in veel tandarts tandsteen met een supersnel trillend gevallen nog niet, maar er wordt aan gewerkt. instrument. Het onhoorbaar hoge geluid dat zo ontstaat, trilt elke aanslag op de tanden los. Natuurkundigen werken nu ook aan het gebruik van dergelijk ultrasoon geluid in de operatiekamer. Gail ter Haar van het Engelse Royal Marsden Hospital liet zien dat goed gerichte geluidsgolven kankergezwellen kunnen verwijderen uit de lever, nieren en prostaat. Het geluid word zó sterk samengebundeld op één plek, dat de kankercellen ogenblikkelijk verbranden. Het is hetzelfde effect als zonlicht, dat met een vergrootglas wordt geconcentreerd op een velletje papier. Het voordeel van geluid is echter dat het gemakkelijker door het lichaam heengaat. De chirurgen kunnen volstaan met enkele speciale luidsprekers op de buik. Zonder schade aan te richten gaan de geluidsgolven door het lichaam heen. Pas op de plek waar alle geluid samenkomt, zijn de trillingen zo intens dat het zieke weefsel verschroeit. Dat blijkt zeer precies te kunnen. Een fractie van een millimeter naast de verschroeide cellen zitten volledig onbeschadigde cellen. Het grensvlak met het behandelde gebied is slechts zes cellen dik. Dat is dunner dan met een scalpel, een chirurgisch mes, bereikt kan worden. Deze methode voorkomt ook inwen-
105
Een wachtlijst voor een operatie hier en een vrij bed in Spanje? In de toekomst zal de Nederlandse chirurg via een soort internet misschien haar patiënt in Spanje kunnen opereren, terwijl zij zelf in haar eigen ziekenhuis hier blijft, waar alle kennis over de patiënt aanwezig is.
106
dige bloedingen, normaal een ernstige complicatie bij dergelijke operaties. De hitte zorgt er namelijk ook voor dat het beschadigde deel van de organen wordt dichtgeschroeid, net als een biefstuk op een gril. Er moet nog veel onderzocht worden, voordat deze techniek in elke operatiekamer kan worden toegepast. Zo weten de onderzoekers nog niet hoe het lichaam reageert als grotere gezwellen op die manier worden behandeld. Bovendien zijn de speciale luidsprekers nu nog moeilijk te hanteren. Het is echter wel een veelbelovend idee. In het Alington Cancer Center in Texas zijn ook andere ideeën onderzocht, bijvoorbeeld een methode om bestralingen minder bijwerkingen te geven. De radioactieve straling doodt in veel gevallen wel de kankercellen, maar ook gezond weefsel bezwijkt dikwijls onder de intense straling. Daardoor is dit een zware behandeling en kost het lange tijd om te herstellen. De groep in Texas experimenteert met technieken om de radioactiviteit nauwkeuriger toe te dienen. Zo is het mogelijk gebleken om radioactieve deeltjes door het lichaam te laten transporteren naar het kankerweefsel. Dan kunnen ze precies op de goede plek stralen. Het is daarbij de kunst om de deeltjes precies naar de goede plek te dirigeren. Ze kunnen bijvoorbeeld meeliften met stoffen die toch al op weg zijn naar een tumor, bijvoorbeeld antistoffen die het lichaam aanmaakt in een poging om het gezwel te bezweren. Het is al gelukt om een radio-
actieve isotoop van yttrium te binden aan de antistof IGM. Nu kan getest worden of het afweersysteem van het lichaam inderdaad dit duo naar de tumor dirigeert. Voor verschillende vormen van kanBoven: ter plekke en meteen bloed, ker zijn waarschijnlijk verschillende duo’s nodig. Er moeten dus urine of zo onderzoeken: het kan veel verschillende combinaties worden uitgeprobeerd. met het ‘lab-on-a-chip’. Onder: Veel onderzoek richt zich ook op het ontrafelen van de oorzaak met speciaal gemaakte moleculen van ziektes. Hoe ontstaat astma? Waardoor raakt het immuunmedicijnen op gewenste plaatsen systeem bij veel mensen van slag? Bij veel ziektes zijn de oorzaken in het lichaam afleveren: er wordt complex. Het helpt om te onderzoeken hoe de stofdeeltjes die we onderzoek aan gedaan. inademen het longweefsel beïnvloeden. Om de ingewikkelde processen in het lichaam te ontrafelen, zijn nauwkeurige instrumenten nodig. Reageerbuisjes en een microscoop zijn lang niet altijd toereikend om te zien wat er gebeurt. Er zijn lasers nodig om heel precies de chemische reacties op een bepaalde plaats te onderzoeken en te manipuleren. Er komen glasdek Si (170 µm) elektronenmicroscopen aan te pas, deeltjesversnellers en precieze sensoren. Het hele arsenaal van natuurkundige instrumenten wordt ingezet SiO2 micropipet om ons lichaam beter te begrijpen. Het eeuwige leven zullen we er niet mee krijgen. De dilemma’s waarmee medici membraan met worden geconfronteerd, zullen NA-K ATP-ase er niet mee worden opgelost. Maar wie weet komt daar ooit wel een nieuw operatiemethode uit voort. Of een beter medicijn tegen kanker.
lading: medicijn
‘skelet’
membranen met zweepstaartmotortjes
107
Dankwoord De auteur dankt de tientallen onderzoekers met wie hij voor dit boekje gesprekken heeft gevoerd en in het bijzonder de hoogleraren Jos Engelen, Jan van Ruitenbeek, Ben van Linden van den Heuvell, Marileen Dogterom en Gertjan van Heijst die delen van het manuscript hebben gelezen en van commentaar voorzien. Marc de Vries dankt hij voor het meedenken over een titel voor het boekje.
108
Index onderwerp
pagina
AMC ..........................................61 AMOLF ....................53, 69, 72, 80 ANTARES ..................................23 atoombouwwerken ................38 atoomklokken..........................33 boenwas ..................................66 Bose-Einsteincondensatie......32 branstofcel ............................100 cel ..............................................53 CERN ..........................................9 chips..........................................88 chromosomen ........................49 computerfysica........................69 DESY ..................................11, 46 DNA ....................................49, 92 DNA-chip..................................50 dvd ............................................96
onderwerp
pagina
Katholieke Universiteit Nijmegen ............................72, 89 kernfusie ..................................26 koken ........................................71 koude atomen ........................30 kristalstructuren ....................47 laserkoeling..............................30 LCD-scherm ............................76 lichtgewicht auto ....................83 lichtversterker ........................79 membranen ............................10 micromachine ......................103 microtubules............................53 mobiliteit................................100
Einstein ....................................36 elementaire deeltjes ................8 ENVISAT ..................................73
nanobuizen ..............................41 nano-cd ....................................97 neutrino’s ................................20 Newton ....................................17 nieuw internet ......................104 NIKHEF......................................22 Nobelprijzen ............................42
gezinsterminal ........................99 glasvezelkabel ........................78 GPS ............................................37
oerknal......................................18 opereren ................................105 ozon ..........................................72
hersenactiviteit ......................52 hoorapparaten ........................61
PET ............................................57 plastic elektronica ..................74
intelligent huis ........................94 intelligente kleding ................96 ITER ..........................................29
quantumcomputer ................90 quarks ..................................8, 21
onderwerp
pagina
schakelbare spiegel ................98 stille auto ..............................102 snaartheorie ........................9, 19 spintronica ..............................92 sport..........................................80 Sudbury Neutrino Observatory..........................22 Super Kamiokande ................20 tele-opereren ........................105 TU Delft ..................41, 81, 85, 91 TU Eindhoven ........33, 66, 74, 92 Universiteit van Amsterdam ..............12, 69, 89 Universiteit Leiden ..........30, 39 Universiteit Twente ..........84, 92 Universiteit Utrecht ....31, 69, 80 videohorloge ............................95 virus ..........................................48 vogelzwerm..............................55 Vrije Universiteit ....................98 Wageningen Universiteit ......56
JET ............................................28
108
zon ............................................24 zwarte gaten ............................11 zweeftrein ..............................103
Rijksuniversiteit Groningen ................59, 85, 92 Rijnhuizen................................30 röntgenstraling........................46
109
Illustratieverantwoording Hoofdstuk 1 pagina
6/7 8 9 10 12 14/15 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 31 32 34/35 37 38/39 40 41 43
Menno Boermans/Hollandse Hoogte DESY, Hamburg CERN, Genève Sunil Mukhi en University of California at Santa Barbara W. Colley (Princeton University) en NASA NASA Jan Koeman, Kloetinge CERN BOOMERANG/NASA Super Kamiokande/University of Tokyo Boven: Super Kamiokande/University of Washington; onder: DESY Sudbury Neutrino Observatory ANTARES-samenwerking/NIKHEF SOHO/ESA/NASA Rene Clement/Hollandse Hoogte Forschungsanlage Jülich TRACE/Lockheed Martin JET, Cullham ITER/EFDA Gijs van Ginkel, Universiteit Utrecht FOM/AMOLF NIST Lockheed Martin IBM Danmarks Teknisk Universitet Boven: Kamerlingh Onnes Laboratorium, Universiteit Leiden; onder: Vakgroep Moleculaire Biofysica, Technische Universiteit Delft Vakgroep Moleculaire Biofysica, Technische Universiteit Delft
Hoofdstuk 2 44/45 46 47 48 49 50 52 53 54 55 57 58
Roel Rozenburg Boven: DESY/EMBL; onder: DESY Rob Meijer, Universiteit van Amsterdam DESY National Human Genome Research Institute Boven: Plant Research International; onder: Technische Natuurkunde, Universiteit Twente MEG Centrum, VU Medisch Centrum National Human Genome Research Institute FOM/AMOLF Frans van Ede/ANP University of St. Louis Boven: CERN; onder: Forschungsanlage Jülich
110
pagina
59 60 61 62 63
Simone Reinders, Academisch Ziekenhuis Groningen FOM/AMOLF Siemens Siemens Siemens
Hoofdstuk 3 64/65 66 67 68 69 70 71 72 73 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85
Nokia ANP Picture Report Calipso BV FOM/AMOLF FOM/AMOLF Hollandse Hoogte Boven: SRON; onder: Afdeling Molecuul- en Laserfysica, KU Nijmegen Boven: ESA; onder: FOM/AMOLF Philips Philips Philips Hollandse Hoogte FOM/AMOLF Huub Eggen FOM/AMOLF FOM/AMOLF CORUS/Product Applicatie Centrum Ed Louwen/CORUS Cluster Technische Fysica, Rijksuniversiteit Groningen
Hoofdstuk 4 86/87 88 89 90/91 92 93 94 95 96 98 99 100 101 103 104 105 106 107
Sandia National Laboratories PJRC Afdeling Vastestoffysica, Katholieke Universiteit Nijmegen Vakgroep Quantumtransport, Technische Universiteit Delft University of Wisconsin Carolien Kooijman Boven: Nokia; onder: Philips Bell Labs, Lucent Technologies Boven: Philips; onder: Nokia Divisie Natuurkunde, Vrije Universiteit te Amsterdam§ Boven: Miele; onder: Siemens Siemens Siemens Sandia National Laboratories DataGrid/ESA Siemens Siemens Technische Natuurkunde, Universiteit Twente
111
pagina
59 60 61 62 63
Simone Reinders, Academisch Ziekenhuis Groningen FOM/AMOLF Siemens Siemens Siemens
Hoofdstuk 3 64/65 66 67 68 69 70 71 72 73 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85
Lex Verspeek ANP Picture Report Calipso BV FOM/AMOLF FOM/AMOLF Hollandse Hoogte Boven: SRON; onder: Afdeling Molecuul- en Laserfysica, KU Nijmegen Boven: ESA; onder: FOM/AMOLF Philips Philips Philips Hollandse Hoogte FOM/AMOLF Huub Eggen FOM/AMOLF FOM/AMOLF CORUS/Product Applicatie Centrum Ed Louwen/CORUS Cluster Technische Fysica, Rijksuniversiteit Groningen
Hoofdstuk 4 86/87 88 89 90/91 92 93 94 95 96 98 99 100 101 103 104 105 106 107
Sandia National Laboratories PJRC Afdeling Vastestoffysica, Katholieke Universiteit Nijmegen Vakgroep Quantumtransport, Technische Universiteit Delft University of Wisconsin Carolien Kooijman Boven: Nokia; onder: Philips Bell Labs, Lucent Technologies Boven: Philips; onder: Nokia Divisie Natuurkunde, Vrije Universiteit te Amsterdam Boven: Miele; onder: Siemens Siemens Siemens Sandia National Laboratories DataGrid/ESA Siemens Siemens Technische Natuurkunde, Universiteit Twente
111
O p a v o n t u u r i n d e w e t e n s ch a p
!" #$%&'( )*+ Op avontuur , - ./012 in de3 wete4 nschap 5 6 7 8 9: <=
